Реактивные струи авиационных двигателей являются электрически заряженными, причем содержат заряженные частицы преимущественно одного знака [1−3]. Заряженными частицами могут быть ионы, возникающие в камере сгорания вследствие хемоионизационных реакций [4,5], частицы сажи, а также заряженные частицы, появляющиеся при возникновении и развитии механических дефектов в конструкции двигателя. Зарядка частиц может происходить в результате трения или соударения с поверхностью, индукционной зарядки при контакте с электрически заряженной поверхностью, диффузионным способом из-за градиента концентрации ионов или электронов вблизи поверхности частицы [1,6−8]. Осредненный по времени суммарный поток заряженных частиц в струе определяет ток выноса, величина которого исследовалась в течение более 30 лет в ЦИАМ на различных летательных аппаратах в аэродромных и летных условиях [1]. Вследствие малых размеров заряженных частиц, время релаксации для них мало (т<10″ 4с) и они «вморожены» в турбулентную структуру двигательной струи, т. е. подвержены характерным турбулентным пульсациям истекающего из сопла газа.
Имеется два различных режима движения частиц. Первый характеризуется непрерывным распределением заряженных частиц, когда они без видимых разрывов заполняют объем струи. При этом достаточно мелкие частицы вовлекаются в турбулентное движение несущего газа. Результаты многочисленных измерений на реальных неаварийных авиационных двигателях (находящихся в эксплуатации), а также на лабораторных модельных установках показывают, что частота регистрируемых пульсаций электрического поля вне струи хорошо совпадает с характерной частотой, определяемой числом Струхаля для исследуемой струи, т. е. частота пульсаций возрастает с увеличением скорости струи и уменьшением ее характерного размера (диаметра). Амплитуда регистрируемых антенной сигналов пропорциональна величине тока выноса, т. е. отношение амплитуды сигналов антенны к величине тока выноса для данного двигателя изменяется слабо [1]. Это послужило основанием ранее разработанной методики определения тока выноса из двигателя в полете по измерению средней квадратичной величины сигналов антенны. По мере увеличения приведенной частоты вращения двигателя (его тяги), ток выноса, как правило, возрастает, а частота сигналов, регистрируемых фиксированной относительно струи антенной, по-прежнему совпадает с частотой, определяемой с помощью числа Струхаля. На режиме «малого газа» величина тока выноса пренебрежимо мала [1,2,9], так же как и амплитуда регистрируемых антенной сигналов. В отдельных испытаниях в спектре пульсаций сигнала на фиксированной антенне выделялась частота, соответствующая частоте следования лопаток турбины [10].
Второй режим характеризуется движением заряженных частиц в виде отдельных сгустков. Такой дискретный режим может возникать, например, при периодическом выносе вихрей из циркуляционных (содержащих частицы сажи) зон в камере сгорания, в результате чего в проточную часть двигателя периодически попадает избыточное количество сажи, при изменении газодинамических условий течения в проточной части (возникновение пульсирующих отрывных зон).
Все вышесказанное относится к бездефектным нормально работающим двигателям. При возникновении механических дефектов двигателя (например, образование и развитие трещин, температурная коррозия или об-горание поверхностей на ранней стадии разрушения камеры сгорания или соплового аппарата, эрозия поверхностей проточного канала, нежелательные контакты вращающихся деталей с неподвижными элементами конструкции), которые могут предшествовать возникновению аварийной ситуации, в истекающей из двигателя реактивной струе появляются дополнительные заряженные частицы. Подобные частицы более инерционны, в меньшей мере подвержены влиянию турбулентных пульсаций в струе и переносятся струей дискретно или в виде сгустков [10−13].
Существенно, что в обоих вышеуказанных режимах движение заряженных частиц является нестационарным. Поэтому внутри струи и вне нее возникает нестационарное электрическое поле Е (г, 0, структура которого обусловлена особенностями движения заряженных частиц, вовлеченных в турбулентное движение струи и отслеживающие ее. Поле Е (г, может фиксироваться бесконтактно специальной аппаратурой — электростатическими зондами-антеннами, расположенными вне струи. В результате пульсаций заряда генерируется переменный по времени электростатический заряд на рабочей поверхности зонда. Зонд соединен с землей электрической цепью с сопротивлением Я, через которое происходит стекание зарядов. При этом на сопротивлении возникает переменный электрический потенциал Ф (7).
Таким образом, получается следующая причинно — следственная связь: турбулентные пульсации скорости — пульсации заряда в струе — нестационарное электрическое поле Е в струе и вне ее — переменный электрический заряд (0 на поверхности зонда-антенны, расположенного вне струинестационарное напряжение Ф (1) на сопротивлении в цепи зонда-антеннысигнал на регистрирующей аппаратуре — спектр сигнала, количественные параметры, характеризующие движение заряженных частиц в струепричина, вызвавшая появление заряженных частиц при анализе их движения в реальных двигательных струях.
Определение связи пульсации скорости — пульсации заряда представляет собой общую проблему турбулентности, и имеются данные о хорошей корреляции между ними [1]. Связь заряд — электрическое поле устанавливается в результате решения задачи из общей теории электрических полей. Величины потенциала и напряженности электрического поля мгновенно отзываются на изменение заряда в потоке, для расчета ф и Е необходимо знать функцию Грина для сложной области, включающей в себя турбулентную струю. Величина Оъ (?) также находится из указанной выше электростатической задачи. Определение связи Ф (0 состоит в нахождении передаточной функции для зонда-антенны. По характеру сигнала Ф (/) на основе количественных критериев, полученных ранее, например, в модельных экспериментах, возможно решение обратной задачи об определении характера движения заряженных частиц в струе и определении причины, вызвавшей появление данных зарядов.
Практическое применение исследований электрических эффектов в струе и поведения заряженных частиц в лабораторных и натурных двигательных струях достаточно разнообразно — экология, защита от радиопомех и др. Одно из приложений — система бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей, которая позволит определить текущее состояние двигателя и предсказать возможность поломки двигателя в целом или определенных его элементов. Элементы такой системы разрабатывались как у нас в стране, так и за рубежом [9, 14−19]. Было замечено [9], что зонд-антенна, установленная, например, на выходе из двигателя или внутри его по тракту, позволяет получить сигналы, характерная амплитуда и частота которых связана с режимом работы двигателя и его состоянием. Конструкция антенн может быть разнообразна [17−20]: пластинчатые, кольцеобразные, цельные и состоящие из отдельных частей, охватывающих поток по периметру, что позволяет определить характеристики летящих заряженных частиц. Данные зонды-антенны являются основным элементом системы диагностики состояния авиационных двигателей. Они располагаются снаружи и/или внутри тракта двигателя. Полученные сигналы поступают на блок записи и обработки, где происходит анализ сигналов и сравнение их параметров с критериями работоспособности двигателя, для определения которых, естественно, необходим большой статистический материал и большое число предварительных испытаний.
Более сложная задача связана с проблемой идентификации источников заряженных частиц. Путь решения этой проблемы — эксперименты на различных модельных установках. В этой связи интересным и практически важным является моделирование пролета заряженных структур мимо зонда-антенны с помощью модельных установок для получения характерных сигналов и калибровки зондов-антеннисследование механически разрушающихся металлических образцов с образованием заряженных частиц (осколков), попадающих в струю и регистрируемых зондом-антенноймоделирование непрерывного и дискретного режимов движения заряженных частиц на специальной установке с электрогазодинамической паровоздушной струейрегистрация заряженных частиц, присутствующих в продуктах сгорания.
Как уже было отмечено, особенностью данного метода является то, что он является бесконтактным. Установленные датчики не будут влиять на течение в струеизмерения производятся в реальном масштабе времени и данную систему можно будет использовать как в лабораторных экспериментах, так и в натурных испытаниях в аэродромных и в летных условиях.
Таким образом, целью данной работы является:
— создание теории нестационарных электрических полей Е (г, 0 генерируемых в окружающем струю пространстве движущимися в ней заряженными частицами;
— разработка теории зонда-антенны, предназначенного для регистрации нестационарных электрических полей с целью определения характерных сигналов и их характерных параметров, рассмотрение различных режимов движения частиц и определение соответствующих нестационарных электростатических полей, генерируемых ими в окружающем пространстве;
— проведение лабораторных экспериментов по моделированию движения заряженных частиц в двигательных струях, выяснение возможных источников образования заряженных частиц и получение информации об особенностях распределения зарядов в струе на основе регистрируемых сигналов;
— разработка конструкции зондов-антенн для лабораторных и натурных экспериментов;
— проведение натурных аэродромных экспериментов по регистрации полей, генерируемых выхлопными струями двигателей современных самолетов, и разработка на их основе схемы системы диагностики состояния авиационных двигателей.
Положения и выводы, сформулированные в диссертации, докладывались на семинарах в Институте механики МГУ, представлялись на European Aerosol Conference в 1997 году и на V Научную конференцию «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» в 1998 году, докладывались на НТС и семинарах ЦИАМ.
По результатам работы опубликовано 5 научно-технических отчетов и справок, 4 статьи, тезисы 3 докладов на научно-технических конференциях.
Структура диссертации: первая глава посвящена общей постановке задачи расчета электростатических полей, генерируемых в пространстве заряженным сгустком. Показано, что в общих уравнениях Максвелла, которые описывают данную задачу, можно пренебречь магнитным полем и вихревым электрическим полем, и задача сводится к электростатической задаче.
Вторая глава посвящена разработке приближенной теории зонда-антенны для бесконтактной регистрации нестационарных электрических полей, генерируемых заряженными частицами. Получено выражение для сигнала, регистрируемого с помощью зонда антенны, и проведено сравнение данной приближенной теории с решением точной задачи о двух сферах, показывающее хорошее совпадение сигналов, полученных по приближенной теории и при точном решении. Полученное конечное выражение использовалось для вычисления сигналов, регистрируемых при пролете мимо зонда-антенны заряженных частиц, образующих характерные конфигурации (одна и несколько частиццепочка частиццепочка частиц, вылетающих из соплазаряженный отрезок конечной длинызаряженный сгусток), а также приведены спектральные характеристики сигналов как один из способов определения характера движения заряженных частиц. Введены параметры получаемых сигналов, характеризующие движение заряженных частиц и выбран параметр, характеризующий «нормальный» и «дефектный» режим работы двигателя. В данной главе также рассматривается вопрос о возможности решения обратной задачи об идентификации конфигурации, образованной заряженными частицами, по сигналам, полученным с помощью зонда-антенны.
В третьей главе описано моделирование движения заряженных частиц в двигательных струях в непрерывном и дискретном режиме следования (установка с ЭГД паровоздушной струей). Показано, что действительно возможна регистрация заряженных частиц бесконтактным электростатическим методом, и полученные сигналы содержат информацию о характере движения заряженных частиц. Описан эксперимент по разрыву металлических поверхностей и обдувом места разрыва струей воздуха. Установлено, что при разрыве образуются заряженные частицы, которые регистрируются зондом-антенной, и проведена оценка размеров образующихся частиц. Показано, что частицы могут следовать по отдельности и в виде сгустков. Данный эксперимент моделирует процесс попадания заряженных частиц в струю при разрушении двигателя. Также показано путем проведения экспериментов на модельном горельном устройстве, что в пламени образуются заряженные частицы и их можно регистрировать с помощью зондов-антенн. Это моделирует процесс образования заряженных частиц в камере сгорания двигателя. Проведен эксперимент по добавлению в поток продуктов сгорания «посторонних» заряженных частиц, которые в реальных условиях могут образовываться в результате механического разрушения элементов двигателя. Показано, что данные частицы могут уверенно регистрироваться зондом-антенной.
Четвертая глава посвящена разработке конструкций зондов-антенн для натурных испытаний и лабораторных экспериментов. Описана маятниковая установка, созданная для исследования характеристик разрабатываемых зондов-антенн пластинчатой, стержневой и кольцевой форм и для их калибровки, а также приведены результаты экспериментов по созданию направленных зондов-антенн.
Пятая глава посвящена опытам по регистрации заряженных частиц в реальных двигательных струях при аэродромных испытаниях на современных самолетах Су-27 и МиГ-29, записи сигналов от выхлопной струи двигателя с помощью разработанных зондов-антенн и определению тока выноса. Установлены зависимости характеристик сигналов от режима работы и наработки двигателя, сформулированы гипотезы, объясняющие эти зависимости.
В шестой главе описан вариант схемы системы электростатической диагностики состояния авиационных двигателей, которая является практическим приложением исследований электрически заряженных двигательных струй.
Автор выражает особую благодарность Ватажину А. Б. и Шульгину В. И. за ценные указания при подготовке диссертации и получении экспериментальных данных, Лихтеру В. А, Смирнову В. И. и Агушевичу А. З. за помощь в проведении экспериментов и создании модельных установок, а также сотрудникам ЛИИ Дедешу В. Т., Божкову А. И. и Черкасскому С. Г. за содействие в проведении аэродромных испытаний.
ВЫВОДЫ.
1. Разработана теория электрических полей, возникающих в результате нестационарного движения электрически заряженных частиц в струйных течениях. Показано, что для широкого диапазона условий такие нестационарные электрические поля являются потенциальными и описываются уравнением Пуассона, правая часть которого представляет собой заданное нестационарное распределение заряженных частиц в струе. Обратное влияние частиц на движение несущей фазы оказывается несущественным. Решение задачи в общем случае находится с помощью функции Грина.
2. Построена приближенная теория зонда-антенны для регистрации нестационарных электрических полей, генерируемых заряженными частицами. Из сопоставления приближенного решения для зонда с точным решением задачи для двух конечных заряженных сфер показано, что в практической ситуации точность приближенной теории оказывается не хуже 3%.
В приближении, когда отношение характерного времени стекания заряда в цепи зонда-антенны к характерному газодинамическому времени задачи мало, получена конечная формула, позволяющая определить вид ожидаемого сигнала при различных конфигурациях движения заряженных частиц.
3. Теоретически определены временные реализации электрических сигналов, генерируемых различными конфигурациями движущихся зарядов: единичный заряд, несколько зарядов, бесконечная цепочка зарядов, заряженная нить, заряженный сгусток. Найдены спектральные характеристики этих сигналов. Определены параметры, влияющие на возможность регистрации отдельных движущихся зарядов. Показано, что в спектрах полученных сигналов четко выделяется частота следования заряженных частиц.
4. Во временных реализациях электрических сигналов выделены характерные параметры: АФ — амплитуда сигнала, А? — характерное время между максимальным и минимальным значениями сигнала. Для этих величин получены конкретные формулы, позволяющие определить динамические и электрические параметры движущихся зарядов.
5. Разработана методология создания зондов-антенн различного типа для проведения экспериментов в лабораторных и аэродромных условиях. Проведена калибровка зондов-антенн в лабораторных условиях с помощью специально созданной маятниковой системы (известны скорость и заряд движущего тела). Определено необходимое количество зондов-антенн для проведения натурных испытаний.
6. Создана серия экспериментальных установок для моделирования процессов движения заряженных частиц в двигательных струях и разработки научно-экспериментальных основ метода бесконтактной электростатической диагностики состояния двигателей.
7. Осуществлено моделирование непрерывного и дискретного распределений электрического заряда на лабораторной паровоздушной ЭГД установке. Непрерывное распределение зарядов в струе достигается путем введения в струю ионов коронного разряда и развития на них конденсации. Дискретное распределение осуществляется путем введения крупных заряженных капель в турбулентную струю с помощью специально разработанного генератора капель. Показано, что в спектре сигналов, полученных с помощью зондов-антенн, присутствуют две характерные частоты: струхалев-ская, соответствующая движению непрерывно распределенных заряженных частиц в струе, и частота, соответствующая дискретному движению заряженных частиц. Определенная по электростатическим сигналам частота Струхаля совпадает с теоретически ожидаемой частотой, а также с частотой, определяемой независимыми способами (акустический метод).
8. Изучена возможность регистрации момента разрушения материала электростатическими методами. С этой целью создана модельная физическая установка, состоящая из разрушаемого объекта (разрываемой проволоки) — газодинамического потока, обтекающего объектсистемы регистрации сигнала в электрической цепи разрушаемого объектазонда-антенны, установленного вниз по потоку от объекта и регистрирующего запаздывающий по отношению к моменту разрыва проволоки электрический сигнал. Регистрация запаздывающего электрического сигнала указывает, что при разрыве проволоки образуются заряженные частицы. Это позволяет, путем регистрации электрического импульса от реальной двигательной струи, судить о возможном механическом повреждении внутренних элементов двигателя.
9. На специальной лабораторной установке зафиксировано существенное увеличение сигнала (в 5 раз) при принудительном введении в поток продуктов сгорания предварительно заряженных частиц, что доказывает возможность регистрации наличия в струях продуктов сгорания реальных двигателей заряженных частиц, образующихся в результате механического разрушения элементов двигателя.
10. Развитые теория и лабораторные эксперименты легли в основу создаваемого перспективного метода бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей. Разработана научная программа проведения аэродромных испытаний на двигателях современных самолетов (Су-27, МиГ-29) для определения возможностей этого метода.
11. Проведен цикл аэродромных испытаний по указанной программе бесконтактной электростатической диагностики состояния двигателей. Доказана работоспособность созданных зондов-антенн и достигнуты необходимый уровень их чувствительности и разрешающей способности, преодолены трудности в регистрации нестационарных электрических полей, генерируемых двигательными струями в условиях большого аэродрома.
Проведен статистический анализ временных разверток регистрируемых в аэродромных условиях электрических сигналов. Определен ряд особенностей работы двигателей в различных рабочих режимах.
