Измерение характеристик высокотемпературного потока газов - это многогранная задача, решение которой находит применение в различных областях промышленности. Классический метод измерения температуры - с использованием термопары - имеет ряд недостатков: чувствительный элемент необходимо располагать непосредственно в измеряемой области, что предъявляет высокие требования к материалам, из которых изготавливается датчик. Кроме того, качественное измерение резких изменений температур сильно зависит от теплопроводности используемых материалов. В отличие от термопар оптические методы измерения температуры позволяют устанавливать чувствительный элемент вне поля измерения, что позволяет избежать дополнительного воздействия на ламинарность потока газов.
В рамках данного проекта на кафедре Оптических коммуникаций и измерительных систем совместно с ООО "Нева Технолоджи" при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение №14.578.21.0202 от "03" октября 2016 г.) ведутся работы, направленные на исследование и разработку высокотемпературного волоконно-оптического датчика для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей.
Современный авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой изделие со сложной структурой газодинамических потоков. Температура и давление в тракте ГТД существенно изменяются по длине и сечению тракта в зависимости от режима работы.
Контроль режима работы ГТД для оптимизации КПД и своевременного предотвращения нештатных и нежелательных ситуаций требует размещения большого количества контрольно-измерительной аппаратуры. Данная аппаратура должна решать задачи измерения температуры и давления по длине тракта ГТД. Наибольшие требования предъявляются к датчикам, размещаемым в камере сгорания ГТД, где происходит процесс воспламенения и сгорания топливовоздушной смеси при температурах 400 - 1800 °С. Применяющиеся на данный момент термопары обладают низким ресурсом работы, а также не позволяют производить монитроинг тепловых процессов в реальном времени.
Разрабатываемый датчик спектрального типа позволяет замерять следующие параметры работы ГТД и имеет следующие преимущества:
- замер температуры до 1800 °С;
- замер насыщенности топливно-воздушной смеси;
- замер спектров в видимом и ИК диапазонах;
- возможность установки датчика на летательный аппарат;
- частота регистрации данных 15 Гц.
Были проведены исследовательские испытания на базе пропановой горелки Мекера-Фишера и замерены спектры в видимой и ИК областях, показанные на рисунках ниже.
Температурный режим, установившийся в камере сгорания, позволяет получить информацию о следующих параметрах:
- ключевые рабочие характеристики ГТД (КПД, тягу двигателя);
- интенсивность процессов износа и коррозии наиболее ответственных узлов и деталей двигателя;
- информацию о полноте сгорания топлива.
Контроль режима, установившегося в камере сгорания ГТД, в перспективе позволяет существенно улучшить долговечность, надежность, снизить эксплуатационную стоимость и экологический вред от использования ГТД.
Использование датчиков на основе оптического волокна – это перспективный подход к высокотемпературным измерениям. Использование данной технологии позволяет создавать датчики для работы в экстремальных условиях в течение длительного времени. Традиционные волоконно-оптические датчики основаны на световодах из диоксида кремния. Верхний предел измерения температур для таких датчиков составляет 1200 °С. Для измерения более высоких температур, до 2000 °С, используются сапфировые волокна.
Принципиальная схема авиационного газотурбинного двигателя
В рамках первого этапа ПНИЭР выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в части волоконно-оптических устройств и оптических методов измерения высоких температур. Рассмотрены известные методы построения ВОД для измерения температур свыше 1000 , такие как: метод измерения излучения АЧТ, метод контроля сдвига резонансной длины волны ВБР, метод двухволновой пирометрии. Определены основные достоинства и недостатки исследуемых методов.
Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. В ходе патентных исследований рассмотрено 10 патентов. По результатам патентных исследований определена динамика патентования и выявлено, что разрабатываемое устройство обладает высокой конкурентоспособностью.
Разработаны специальные требования к оптическим световодам из материалов, сохраняющих работоспособность при рабочих температурах разрабатываемых ЧЭ ВВОД. Для решения данной задачи выполнен обзор существующих волоконных световодов, применяемых для создания ЧЭ ВВОД. Рассмотрены сапфировые ОВ, халькогенидные ОВ, а также высокотемпературные ОВ, разработанные для использования в составе композиционных материалов.
Выполнено обоснование направлений исследований ВВОД для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания ГТД. Рассмотрены существующие датчики: платина-платинородиевые термопары, вольфрамрений-вольфрамрениевые термопары, датчики пирометрического типа, а также их применение в составе испытательных стендов и в составе существующих двигателей. Предложен путь для коммерциализации результатов ПНИЭР.
В рамках второго этапа ПНИЭР были исследованы и промоделированы способы обеспечения требуемого срока эксплуатации ЧЭ ВВОД. В качестве ЧЭ ВВОД предполагается использовать стержень из лейкосапфира. При температурах до 1600°C данный материал сохраняет свои физико-химические характеристики. В рамках исследования обеспечения требуемого срока эксплуатации ЧЭ ВВОД проведено моделирование механических напряжений и процессов старения материалов в ЧЭ ВВОД в технологической оснастке.
В рамках совместной работы с индустриальным партнером ООО «Нева Технолоджи» были проделаны следующие работы:
- Разработаны требования по модернизации существующего стенда ГТД для установки на него разрабатываемого макета ВВОД. В качестве существующего стенда ГТД рассматривался стенд, соответствующий ГТД ТВ3-117, ВК-2500. Данные о стендах получены в рамках совместной работы с АО «ОДК-Климов». Основные требования касаются прокладки волоконно-оптического жгута по поверхности стенок ГТД и информационного сопряжения ВВОД с существующими стендовыми системами управления и контроля ГТД;
- Разработаны требования информационно-технического и электрического сопряжения разрабатываемых устройств со стендовыми и бортовыми системами ГТД. В рамках доработки макета ВВОД в рамках третьего этапа ПНИЭР должна быть обеспечена возможность выдачи выходного сигнала РБ ВВОД в виде низковольтного аналогового сигнала, аналогичного сигналу, принимаемому авиационными САУ от термоэлектрических преобразователей и существующих электрических датчиков.;
- Разработана Программа и методики исследовательских макета РБ и экспериментального образца ЧЭ, а также существующих датчиков, используемых в составе ГТД. В качестве существующего датчика была выбрана термопара Т-80-Т, используемая на ГТД ТВ3-117. Разработанные Программа и методики испытаний подразумевает выполнение следующих пунктов: проверка аппаратной части РБ ВВОД, проверка СПО макета РБ ВВОД, проверка частоты регистрации температуры, проверка диапазона регистрируемой температуры, оценка суммарной погрешности измерения в рабочем диапазоне температур;
- Проведены исследовательские испытаний макета РБ и экспериментального образца ЧЭ, а также существующих датчиков, используемых в составе ГТД. Показано, что разработанный макет РБ ВВОД и ЧЭ ВВОД обеспечивают измерение температуры в диапазоне от 400°C до 1000°C с погрешностью ±10°C. Частота измерения температуры составляет 15,6 Гц.
В рамках выполнения третьего этапа ПНИЭР были разработаны программы и методики исследовательских испытаний макета ВВОД в составе макета РБ и экспериментального образца ЧЭ, согласно которым были осуществлены исследовательские испытания макета ВВОД. Результатом проведения испытаний стали работы по доработке макета ВВОД: усовершенствование схемы питания макета ВВОД, доработка корпуса и оптической схемы, проведения калибровки массива ФПУ. В рамках исследовательских испытаний были также проведены измерения с использованием пропановой горелки Мекера-Фишера для отработки методики записи данных. Схема измерения и результаты измерений представлены на изображениях ниже
Схема измерения спектров излучения потоков газов в лабораторных условиях с использованием горелки Мекера-Фишера
Замеренные спектры излучения в видимом диапазоне при помощи спектрометра Авеста ASP-150T
Проведены исследовательские испытания макета ВВОД в составе стенда ГТД; результаты испытаний показали соответствие разработанного макета ВВОД указаным в техническом задании характеристикам. Разработан проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Исследование и разработка высокотемпературного волоконно-оптического датчика для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей».
Проведены работы по разработке КД и изготовлена технологическая оснастка для установки макета ВВОД на стенд ГТД.
Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов, отражающая актуальность и уникальность проделанных работ.
Проведены разработки предложений и рекомендаций по реализации (коммерциализации) результатов ПНИЭР, вовлечению их в хозяйственный оборот.
Промежуточные результаты работ по выполнению проекта были представлены на конференциях и опубликованы в соответствующих сборниках:
- Сухинец А.В., Гурьев В.И., Смирнов Д.С., Дейнека И.Г., Мехреньгин М.В.Алгоритмы обработки данных высокотемпературного волоконно-оптического датчика температуры в режиме реального времени//Сборник тезисов VII Всероссийского конгресса молодых ученых - 2018
- Сухинец А.В., Аксарин С.М., Гурьев В.И., Смирнов Д.С.Разработка датчика для спектрального мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей//Сборник тезисов VII Всероссийского конгресса молодых ученых - 2018
- Mekhrengin M.V., Guryev V., Meshkovskii I.K., Smirnov D., Sukhinets A.V. Development of Sensor for Spectral Monitoring of Combustion Processes in Gas-Turbine Engines // Proceedings of 2018 IEEE East-West Design and Test Symposium, EWDTS 2018 - 2018, pp. 8524839