KONCEPCJA WYKORZYSTANIA CZUJNIKA MIKROFALOWEGO TYPU MUH DO KONTROLI PRACY PODZESPOŁÓW GORĄCEJ CZĘŚCI SILNIKA LOTNICZEGO

Transkrypt

1 Radosław PRZYSOWA Edward DZIĘCIOŁ Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 18, s , 2004 r. KONCEPCJA WYKORZYSTANIA CZUJNIKA MIKROFALOWEGO TYPU MUH DO KONTROLI PRACY PODZESPOŁÓW GORĄCEJ CZĘŚCI SILNIKA LOTNICZEGO W artykule zamieszczono wyniki badań, których celem jest opracowanie metody diagnozowania stanu technicznego maszyn wirnikowych pracujących w wysokich temperaturach. Przedstawiono propozycję wykorzystania mikrofal do pomiarów składowych ruchu łopatek turbiny oraz parametrów strumienia gazów wylotowych turbinowych silników lotniczych. Zastosowano specjalizowany czujnik ruchu, wykorzystujący mikrofalową detekcję homodynową. Słowa kluczowe: turbina gazowa, silnik lotniczy, gazy spalinowe, diagnostyka maszyn, mikrofale, układy homodynowe. 1. Wprowadzenie W artykule [1] przedstawiono problematykę związaną z wektorowaniem ciągu silnika turboodrzutowego F110-GE-100 napędzającego samolot F-16 Falcon. Prace badawczo-rozwojowe, a następnie wdrożeniowe nowego rozwiązania zespołu dyszy wylotowej obejmowały badania eksperymentalne strumienia gazów wylotowych pochodzących z silnika, hamowanego na stoiskach naziemnych. Zastosowane metody pomiarowe to głównie analiza obrazu w zakresie widzialnym i w podczerwieni. W Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych opracowano ostatnio mikrofalowy czujnik ruchu typu MUH [3]. Urządzenie to jest uniwersalnym przyrządem badawczym, zdolnym do pracy w wysokich ciśnieniach i temperaturach. Przyrząd ten jest odpowiedni do prac badawczych, ale w przyszłości mógłby być stosowany do dozorowania pracy łopatek oraz instalacji paliwowej w czasie eksploatacji samolotów. Próby naziemne nie wykazały przeciwwskazań do wykorzystania

2 86 Radosław PRZYSOWA, Edward DZIĘCIOŁ w locie czujnika typu MUH, zamontowanego w korpusie jednostki napędowej statku powietrznego. Obecnie diagnozowanie stanu technicznego łopatek zespołów wirnikowych silników lotniczych realizowane jest jedynie w procesie produkcji i remontu. Do rozpoznawania stanu technicznego łopatek turbiny wykorzystuje się metody defektoskopowe oraz niszczące badania zmęczeniowe przeprowadzane na reprezentatywnej liczbie próbek. Sprawdzanie pracy wtryskiwaczy paliwa wykonuje się na specjalizowanych stanowiskach, umożliwiających pomiar podstawowych parametrów stożka rozpylenia paliwa [4]. Zróżnicowanie wtryskiwaczy pod względem ilości dostarczanego paliwa i stopnia jego rozdrobnienia powoduje niejednorodności pola temperatur spalin. Skutkiem tego są miejscowe przegrzania elementów konstrukcji oraz dodatkowe siły wymuszające drgania łopatek turbin. W sytuacji starzenia się sprzętu lotniczego dotychczasowe metody kontroli stanu technicznego podzespołów gorącej części silnika są niewystarczające. Wykonywane w eksploatacji pomiary drgań są metodami pośrednimi, uniemożliwiającymi wskazanie bezpośredniej przyczyny wzrostu ich wartości. Rejestracja i analiza obrazu strumienia wylotowego gazów w paśmie widzialnym czy podczerwieni jest kłopotliwa i trudna w interpretacji. Endoskopowa ocena stanu powierzchni elementów przestrzeni wewnętrznych silnika umożliwia wykrywanie istniejących uszkodzeń. Użytkownikowi silnika potrzebna jest metoda monitorowania pracy zespołu turbiny, wcześniej ostrzegająca o powstających niesprawnościach. 2. Opis sygnału uzyskiwanego od łopatek Amplituda sygnału elektrycznego wytworzonego w układzie pomiarowym zasadniczo określa, jaka część mikrofal, wyemitowanych przez antenę, wraca do niej po odbiciu od powierzchni wierzchołkowych wirujących piór łopatek. W sygnale odwzorowywane są zmiany położenia badanych obiektów względem jej apertury. Panujące w czasie pomiarów warunki transmisji i odbioru decydują o tym, że sygnał może mieć odwrotną polaryzację. Wierzchołkom łopatek odpowiadają na rysunku 1 minima lokalne przebiegu, natomiast obrazem tła są maksima lokalne. Na kształt impulsów pomiarowych wpływają w pewnym stopniu wszystkie składowe ruchu łopatek względem anteny, również wynikające z drgań wału, tarczy nośnej, czy korpusu silnika. Efektem oddziaływania zjawisk wibroakustycznych na warunki wykonywania pomiaru przez antenę jest obecność w widmie otrzymywanego sygnału składowych odpowiadających poszczególnym źródłom

3 Koncepcja wykorzystania czujnika mikrofalowego typu MUH do kontroli pracy drgań (rys. 4a). Na przykład, drgania korpusu silnika cyklicznie przesuwają antenę względem łopatek wirnikowych, modulując przebieg czasowy napięcia sygnału pomiarowego, co jest odpowiednio odwzorowywane w widmie. W momencie, kiedy wirnik jest obrócony w taki sposób, że czujnik skierowany jest w środek przestrzeni między sąsiednimi łopatkami, obwód rezonansowy anteny powinien być otwarty. Wartość uzyskiwanego wówczas napięcia zależy m. in. od geometrii wieńca. Jeśli łopatki są blisko siebie w porównaniu z długością fali, obwód anteny jest częściowo zwierany przez dwie sąsiednie łopatki. Wynikiem tego są mniejsze różnice napięć międzyszczytowych dla uzyskiwanych impulsów pomiarowych w porównaniu z sygnałem uzyskiwanym dla wieńca z większymi odległościami między łopatkami. Jest to jeden z powodów, dla którego poziom sygnału pomiarowego uzyskiwanego dla I stopnia sprężarki silnika SO-3 (28 łopatek) jest kilkakrotnie wyższy niż dla jego turbiny (83 łopatki). W całym zakresie roboczym silnika wytwarzany jest obraz łopatek wirnikowych w postaci ciągu impulsów elektrycznych i nałożony na niego obraz zjawisk gazodynamicznych. Uzyskiwany sygnał wyróżnia się powtarzalnością dla kolejnych obrotów wirnika i posiada cechy charakterystyczne dla danego wieńca wirnikowego, związane z różnicami odległości międzyłopatkowych i luzów wierzchołkowych. Informacje te na ogół umożliwiają jednoznaczne zidentyfikowanie silnika na podstawie wyników pomiarów, a także rozróżnienie poszczególnych łopatek w palisadzie. Oprócz drgań łopatek, na kształt uzyskiwanych impulsów mają wpływ ruchy tarczy. Utrudnia to wyodrębnienie z wyników pomiarów informacji dotyczących samych łopatek, ale umożliwia analizę dynamiki samego wirnika, Uzyskiwany obraz poszczególnych łopatek w postaci ciągu impulsów można opisać parametrami takimi, jak np. faza i szerokość impulsu, które związane są z amplitudą i postacią drgań łopatek. W powiązaniu z wiedzą o specyficznych własnościach dynamicznych danego typu silnika i postaciach drgań łopatek uzyskanymi innymi metodami daje to szansę na lepsze poznanie tych zjawisk dla pracującego silnika. 3. Opis sygnału uzyskiwanego od gazów wylotowych Idealne warunki dla czujnika mikrofalowego do wytworzenia impulsów odwzorowujących przejścia łopatek pod anteną występują w czasie rozruchu, kiedy nie nastąpił jeszcze zapłon paliwa. Na transmisję mikrofal nie mają wówczas wpływu czynniki tłumiące, jak wysoka temperatura i pulsacje ciśnienia spalin, a drgania wału i tarcz zakłócające formowanie sygnału mają niewielki poziom. Natomiast na biegu jałowym wszystkie te czynniki są obecne, ale w takim stopniu,

4 88 Radosław PRZYSOWA, Edward DZIĘCIOŁ że obraz łopatek w całkowitym sygnale czujnika zachowuje wysoki współczynnik sygnał-szum. Zakres ten najlepiej nadaje również się do analizy składowych sygnału pochodzących od zjawisk gazodynamicznych. Sygnał generowany przez antenę czujnika dla przestrzeni międzyłopatkowych odwzorowuje również zmiany w czasie i przestrzeni współczynnika odbicia mikrofal dla gazów spalinowych. W miejscach tych występują znaczne gradienty temperatur wynikające z chłodzenia spalin przez łopatki. Ich wynikiem są zmiany jonizacji gazów i związane z tym różnice odbiciowości dla mikrofal. Także zaburzenia przepływu i krótkookresowe pulsacje ciśnienia czynnika roboczego zmieniają lokalnie warunki propagacji, modulując właściwości elektromagnetyczne ośrodka. Odbiciowość gazów może zmieniać również obecność cząstek stałych, powstających w wyniku spalania oraz pochodzących z konstrukcji silnika. Obrazem wymienionych tu zjawisk mogą być najprawdopodobniej zafalowania maksimów lokalnych sygnału dla odcinków czasu odpowiadających przestrzeniom międzyłopatkowym (rys. 1). U Wykonano próbę, której celem było dokładniejsze poznanie struktury tła sygnału. Poszukiwano czynników niezwiązanych z łopatkami i wirnikiem, modulujących przebieg czasowy sygnału w chwilach odpowiadającym przestrzeniom międzyłopatkowych. Zastosowano metodę porównawczą - rejestrowano równolegle sygnały homodynowe uzyskane dla biegu jałowego silnika: a) ze stopnia turbinowego; b) poza nim, w odległości rzędu 30 cm, w dyszy wylotowej (rys. 2, 3, 4). Poziom sygnału (b) jest niższy (pomimo zastosowania większego wzmocnienia) w porównaniu z torem pomiarowym sygnału (a), pochodzącego od łopatek turbiny, ponieważ brak jest tu obiektów znacząco zamykających obwód anteny. Widmo sygnału homodynowego z dyszy silnika zawiera charakterystyczne składowe w zakresie częstotliwości w otoczeniu linii f = 8010 Hz oraz f = Hz (rys. 4b), które nie mają charakteru przypadkowego i można je przypisywać zjaczas Rys. 1. Kształt impulsów pomiarowych uzyskiwanych od łopatek turbiny silnika SO-3

5 Koncepcja wykorzystania czujnika mikrofalowego typu MUH do kontroli pracy wiskom gazodynamicznym. Na obecnym etapie badań trudno jest jednak jednoznacznie identyfikować zjawiska fizyczne modulujące odbiciowość gazów i powiązać je z tymi składowymi. Rys. 2. Gorąca część silnika lotniczego typu SO-3, z zaznaczonymi miejscami montażu czujników mikrofalowych: a) w korpusie turbiny, nad piórami łopatek; b) w korpusie silnika, w dyszy wylotowej Rys. 3. Sygnał czujnika MUH otrzymany ze stopnia turbinowego (a) i poza nim (b), w odległości rzędu 30 cm w części dyszy wylotowej dla pełnego obrotu wirnika

6 90 Radosław PRZYSOWA, Edward DZIĘCIOŁ Charakterystyczne dla gazów zakresy częstotliwości występują również w sygnale homodynowym od łopatek (rys. 4a). Traktując widmo z rys. 4b jako tło tego sygnału, można poprawić jego stosunek sygnał-szum, odejmując je od widma z rys. 4a amplituda względna [db] amplituda wzglêdna [db] t = 92 sec, frequency n = 6848 [Hz] rpm amplituda względna [db] t = 92 sec, n = rpm a b częstotliwość frequency [Hz] Rys. 4. Obraz widmowy sygnału czujnika MUH otrzymanego ze stopnia turbinowego (a) oraz z dyszy wylotowej (b). Zauważalny jest wpływ zjawisk gazodynamicznych dla częstotliwości 8010 Hz i Hz. Rozmiar okna FFT - 65k, typ: Hanning. Pochodzenie oznaczonych linii widmowych: 1 obrotowa wirnika: f ; 2 II harmoniczna prędkości obrotowej; 3 III harmoniczna prędkości obrotowej; 4 parownice: 12 f ; 5 łopatki I st. sprężarki: 28 f ; 6 kierownice turbiny: 41 f ; 7 łopatki robocze turbiny: 83 f ; 8 łopatki turbiny, II harmoniczna: 166 f ; 9 łopatki turbiny, III harmoniczna: 249 f

7 Koncepcja wykorzystania czujnika mikrofalowego typu MUH do kontroli pracy Sygnał z dyszy zawiera składowe o niskiej mocy zarówno od łopatek wirnikowych, jak i kierownic turbiny. W tak bliskiej odległości od stopnia ciśnienie i temperatura strumienia przepływających gazów nie jest w stanie wyrównać się, stąd w widmie sygnału z dyszy występują linie pochodzące od łopatek, choć ich moc zmniejsza się wraz z odległością od turbiny. Wyniki przeprowadzonych badań potwierdzają tezę, że w sygnale z MUH zawarta jest informacja o chwilowych, lokalnych zaburzeniach przepływu czynnika roboczego. W celu zastosowania czujnika do badania gazów spalinowych konieczne są dalsze prace w celu sprawdzenia tej metody i kalibracji urządzenia. Można np. zaproponować wykorzystanie kilku czujników o jednakowych parametrach na obwodzie kanału przepływowego silnika do oceny jednorodności parametrów przepływającego strumienia. Podsumowanie Sygnał elektryczny generowany przez czujnik mikrofalowy typu MUH niesie sumaryczną informację o składowych ruchu łopatek i zjawiskach gazodynamicznych. Z tego powodu wymaga specjalizowanego przetwarzania, co powinno być przedmiotem dalszych prac. Ich celem użytecznym będzie opracowanie metody diagnostycznej, poprawiającej bezpieczeństwo eksploatacji statków powietrznych, a w szczególności jednostek jednosilnikowych. Większość najnowszych samolotów komunikacyjnych to konstrukcje wielosilnikowe, dla których zwielokrotnienie źródeł napędu zwiększa szansę wylądowania w przypadku awarii. Natomiast powszechnie używane w lotnictwie wojskowym samoloty jednosilnikowe wymagają dodatkowych zabiegów zwiększających bezpieczeństwo lotu. Konieczna jest odpowiednio wczesna sygnalizacja niesprawności zespołu napędowego, umożliwiająca przerwanie zadania i lądowanie. Wykorzystanie podczas lotu specjalizowanych czujników mikrofalowych, zamontowanych w korpusie jednostki napędowej statku powietrznego umożliwiłoby monitorowanie pracy zespołu wirnikowego, a w szczególności - łopatek turbiny i sprężarki osiowej, a także pomiary parametrów strumienia gazów wylotowych. Celem tych prac jest stworzenie kompleksowego systemu diagnostycznego obejmującego cały trakt gazowy silnika, a więc zarówno elementy wirujące, jak i proces spalania.

8 92 Radosław PRZYSOWA, Edward DZIĘCIOŁ Literatura 1. Moorehouse J.A., Hamstra J.W.: Demonstration of vehicle propulsion integration technology using the F-16 Fighting Falcon. RTO-MP-121-P-41, Warszawa Falęcki J.: Wektorowanie ciągu. [w] Turbinowe silniki lotnicze w ujęciu problemowym, Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, Lublin Dzięcioł E., Szczepankowski A.: Zastosowanie mikrofalowego czujnika ruchu w diagnozowaniu łopatek turbin. V Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna Diagnostyka Procesów Przemysłowych, Łagów Lubuski Opara T. A.: Metrologiczne aspekty badania zjawisk zachodzących w stożku rozpylania wtryskiwaczy paliwa lotniczych silników turbinowych. Rozprawa habilitacyjna, WAT, Warszawa Andrick O., Fiedler K.: Application of a light scattering technique for temperature measurement in exhaust gas flow of a turboshaft engine. RTO-MP-34, Ottawa Kuts P.S., Akulich P.V.: Grinchik N.N, Strumillo C., Zbiciński I., Nogotov E.F. Modeling of gas dynamics in a pulse combustion chamber to predict initial drying process parameters. Chemical Engineering Journal 86 (2002). 7. Dudgeon E. H. (red.): Guide to the measurement of the transient performance of aircraft turbine engines and components. Agard Advisory Report 320, A CONCEPT OF APPLYING A MICROWAVE PROBE OF THE MUH TYPE TO MONITOR OPERATION OF AN AERO-ENGINE S HOT SECTION Summary Findings of research and testing work intended to develop a method of diagnosing health/maintenance status of fluid-flow machines operated at high temperatures have been presented. A suggestion has been given of how to apply microwaves to measure components of the motion of turbine blades and parameters of exhaust gas flow discharged from the aircraft turbine engine. A specialised motion-detecting probe based on the homodyne microwave detection concept has been used. Key words: gas turbine, aero-engine, exhaust gas, diagnostics of machines, microwaves.