Бесконтактная электростатическая диагностика газотурбинных двигателей

Газотурбинный двигатель (ГТД) с точки зрения специалиста по измерениям - сложный многофакторный объект, о состоянии которого можно судить по результатам измерения нескольких десятков, а то и сотен различных параметров. Для их оценки двигатель, установленный на летательном аппарате, необходимо препарировать большим числом датчиков, сигнал от которых выводится на обрабатывающий комплекс (сейчас его роль зачастую играет ЭВМ). Однако, есть новые (электростатические) методы диагностики технического состояния ГТД, позволяющие оценить его работу бесконтактным способом.

Основные результаты исследований, связанных с оценкой технического состояния и аномалий в работе ГТД с применением бесконтактных электростатических методов, были получены сотрудниками ЦИАМ им. П.И. Баранова и ЛИИ им. М.М. Громова в последней трети прошлого столетия при изучении в аэродромных условиях характеристик электрического тока, выносимого из авиационного реактивного двигателя его струей.

Определяющая электрическая характеристика двигателя и его струи - ток выноса.

Вблизи поверхности возникает область, в которой концентрация положительных ионов превосходит концентрацию электронов. Этот нескомпенсированный положительный заряд движется вместе с газом и генерирует положительный ток, "выносимый" двигательной струей в окружающее пространство.
Вторая важная электрическая характеристика - параметры нестационарного электростатического поля в окружающем струю пространстве.

Указанные теоретические предпосылки явились основой для разработки нового бесконтактного электростатического метода диагностики состояния двигателя, который позволяет выделять нормальные или аномальные режимы работы ГТД и оценивать его состояние без измерения параметров работы двигателя датчиками, устанавливаемыми в его проточной части.

Суть этого метода заключается в следующем. Электрические сигналы от реактивной струи ГТД, работающего на всех эксплуатационных режимах, измеряются с помощью специально разработанных зондов-антенн, установленных вне струи. По временным и спектральным характеристикам этих сигналов устанавливается базисный "электрический портрет" ГТД. По мере эксплуатационной наработки двигателя определяется его новый "электрический портрет". По расхождению базисного и текущего "электрических портретов" определяется характер износа ГТД или возникновение в нем аномальных процессов.

Для исследований возможностей этого метода диагностики в ЛИИ был создан специальный аэродромный стенд на базе самолета МиГ-29, оборудованный разработанными в ЦИАМ электростатическими антеннами, устанавливаемыми на 0,3 м от среза сопла двигателя и от струи на электрически изолированном штатном креплении. Полученные и отфильтрованные от внешних помех сигналы антенны записывались с помощью многоканального цифрового регистратора.

Были обеспечены качественные регистрация и статистическая обработка электрического сигнала на штатных установившихся и неустановившихся режимах работы ТРДДФ от малого газа до полного форсированного, а также на аномальных режимах. В качестве последних исследовались вибрационное горение в форсажной камере, помпаж, "горячий запуск" двигателя, незапуск форсажной камеры (ФК), а также имитация отказов в виде вбросов на вход в двигатель мелкодисперсных частиц железа, песка, углерода.

Результаты исследований для установившихся нефорсированных режимов работы ГТД показывают, что относительная дисперсия сигнала возрастает на два порядка, а на форсированных режимах практически обращается в ноль. Ее рост с увеличением числа оборотов ротора высокого давления на нефорсированных режимах объясняется тем, что концентрация заряженных частиц в камере сгорания (КС) зависит от температуры и давления газа в ней, а, следовательно, от частоты оборотов.

При повышении температуры на форсаже возрастает проводимость газа и ток выноса практически исчезает.
Неустановившийся режим, который характеризуется достаточно быстрым изменением числа оборотов ротора высокого давления за время приемистости, характеризуется также и резкими максимумами измеряемого электрического сигнала.

Для аномального режима работы ГТД ТРДДФ - вибрационного горения в форсажной камере - получена временная реализация электрического сигнала (отфильтрованного в полосе частот 300…500 Гц). Процесс развития виброгорения на его характерной частоте (в данном случае 470 Гц) имеет два участка: на первом (0…0,4с) амплитуда колебаний электрического сигнала мала (принимает фоновые значения), а на втором (0,4…0,7 с) увеличивается примерно в три раза по сравнению с устойчивым режимом горения топливовоздушной смеси в ФК.

Полученные характеристики базисного "электрического портрета" ТРДДФ и зафиксированные отклонения при аномальных процессах позволили сформировать алгоритмы для диагностики и контроля работы ГТД. Эти алгоритмы легли в основу разрабатываемого НПП "ЭГА" цифрового вычислителя БДД-1, адаптированного к бортовому электронному регулятору. В настоящее время производится апробация разработанной системы бесконтактной электростатической диагностики (в составе зонда-антенны, блока БДД-1 и электронного регулятора) и ее внедрение по заявкам эксплуатирующих организаций.