ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДІВ ТА АЛГОРИТМІВ ДЛЯ АВТОМАТИЧНОГО ВИЗНАЧЕННЯ НАЯВНОСТІ ГОРІННЯ ПАЛИВО-ПОВІТРЯНОЇ СУМІШІ У ФОРСАЖНІЙ КАМЕРІ ЗГОРЯННЯ ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ
Анотація
У статті наведено огляд існуючих систем і методів визначення наявності полум’я у форсажній камері згоряння (ФКЗ) авіаційних газотурбінних двигунів. Дана їх класифікація за принципом дії. Надано розгорнутий опис основних властивостей та аналіз особливостей кожної системи. Зазначена необхідність удосконалення відомих на даний час систем визначення наявності полум’я в ФКЗ у зв’язку з потребою в підвищенні точності та швидкодії виявлення горіння паливо-повітряної суміші у форсажній камері згоряння у всьому висотно-швидкісному діапазоні експлуатації газотурбінного двигуна. Описані особливості конструкції ФКЗ, що розроблюють українські двигунобудівники, та пояснено, чому неможливо використовувати відомі та традиційні методи визначення наявності полум’я для такої конструкції ФКЗ. Зроблено висновок, що існуючі способи визначення наявності полум’я мають обмеження по можливості застосування та значну ймовірність помилкових спрацювань, тому існує необхідність у розробці нового методу та алгоритмів для надійного визначення та контролю горіння паливо-повітряної суміші у ФКЗ. Визначений найбільш перспективний напрям розвитку систем і методів визначення наявності полум’я в ФКЗ – аналіз стану середовища у ФКЗ за допомогою мікропроцесорної техніки, використовуючи такі властивості полум’я, як електропровідність, за рахунок наявності іонів та радикалів, та наявність пульсацій провідності у певних спектрах частот за рахунок протікання окисно-відновних реакцій. Описані основні задачі алгоритму з аналізу стану середовища в ФКЗ за параметрами іонізаційного струму між іонізаційними зондами (корпусним та сигнальним), встановленими в ФКЗ. Запропоновано структурну схему нової мікроконтролерної системи виявлення та контролю горіння паливо-повітряної суміші у ФКЗ. Мікроконтролерна система за величиною іонізаційного струму корегує коефіцієнт підсилення сигналу від іонізаційних зондів, аналізує спектр сигналу по частоті та за отриманими даними формує сигнал про наявність чи відсутність горіння паливо-повітряної суміші у ФКЗ.
Посилання
2. Єпіфанов С.В., Кузнецов Б.І., Богаєнко В.І. Синтез систем управління та діагностування газотурбінних двигунів. Київ : Техніка. 1998. 312 с.
3. Кіслов О.В., Шевченко М.А. Особливості розрахунку та регулювання двоконтурного турбореактивного двигуна з форсажною камерою згоряння в зовнішньому контурі в прямоточному режимі роботи. Авіаційно-космічна техніка та технологія. 2020. № 6(166). С. 15–23.
4. Chen Y., Fan Y., Bai X.S., Xu L., Shan X., Bi Y. Experimental study on combustion and flow resistance characteristics of an afterburner with air-cooled bluff-body flameholder. Aerospace Science and Technology. 2022. Т. 123. С. 107488.
5. Іноземцев А.А., Сандрацький В.Л. Газотурбінні двигуни / ВАТ «Авіадвигун», 2011. 1024 с.
6. Герасименко В.П. Теорія авіаційних двигунів : підручник. Харків : Нац. аерокосм. ун-т «Харк. авіац. ін-т». 2003. 199 с.
7. Docquier N., Candel S. Combustion control and sensors: A review. Prog. Energy Combust. Sci. 2002. № 28. C. 107–150.
8. Ballester J., Garcia-Armingol T. Diagnostic techniques for the monitoring and control of practical flames. Prog. Energy Combust. Sci. 2010, № 36. C. 375–411.
9. Bader A., Bellovich J. Pilot, ignition and monitoring systems / The John Zink Hamworthy Combustion Handbook. 2013. 2-е изд. Boca Raton, USA. C. 299–306.
10. Xu H., Fan W., Feng J., Yan P., Qi S., Zhang R. Parameter Determination and Ion Current Improvement of the Ion Current Sensor Used for Flame Monitoring. Sensors. 2021. 21. 697.
11. Chang L., Cao Z., Fu B., Lin Y., Xu L. Lean blowout detection for bluff-body stabilized flame. Fuel. 2020. № 266. 117008.
12. Li F., Xu L., Du M., Yang L., Cao Z. Ion current sensing-based lean blowout detection for a pulse combustor. Combust. Flame. 2017. № 176. C. 263–271.
13. Ding Y., Durox D., Darabiha N., Schuller T. Combustion state monitoring of premixed heating appliances with flame ionization current and chemiluminescence. Combust. Sci. Technol. 2018. № 191. С. 382–401.
14. Yan Y., Wang L., Qian X., Zhang W., Reda K., Wu J., Zheng G. Electrostatic sensors – Their principles and applications. Measurement. 2021. 169. 108506.
15. Gardiner D.P., Pucher G., Allan W.D., La Violette M. Flame-Out Detection for Gas Turbine Engines Based upon Thermocouple Signal Analysis. In Proceedings of the ASME Turbo Expo 2006: Power for Land, Sea and Air. Barcelona, Spain. 6-11 May 2006. C. 777–783.
16. Rolando A., D`Alessio A., D`Anna A., Allouis C., Beretta F., Minutolo P. Measurement of particulate volume fraction in a coflow diffusion flame using transient thermocouple technique. Combust. Sci. Technol. 2004. № 176. С. 945–958.
17. Strandh P., Christensen M., Bengtsson J., Johansson R., Vressner A., Tunestal P., Johansson B. Ion Current Sensing for HCCI Combustion Feedback. In Proceedings of the Powertrain and Fluid Systems Conference and Exhibition. Pittsburgh, USA. 27-30 October 2003. SAE International: Pittsburgh, USA. 2003.
18. Yoshiyama S., Tomita E. Combustion Diagnostics of a Spark Ignition Engine Using a Spark Plug as an Ion Probe. In Proceedings of the Powertrain and Fluid Systems Conference and Exhibition. San Diego, USA. 21-24 October 2002. SAE International: San Diego, USA. 2002.
19. Chorpening B.T., Thornton J.D., Huckaby E.D., Benson K.J. Combustion oscillation monitoring using flame ionization in a turbulent premixed combustor. J. Eng. Gas. Turbines Power. 2006. № 129. C. 352–357.
20. Tang Q., Liu H., Li M., Yao M., Li Z. Study on ignition and flame development in gasoline partially premixed combustion using multiple optical diagnostics. Combust. Flame. 2017. № 177. C. 98–108.
21. Liu C., Cao Z., Lin Y., Xu L. Flame monitoring of a model swirl injector using 1D tunable diode laser absorption spectroscopy tomography. Meas. Sci. Technol. 2017. № 28. 054002.
22. Hariharan V., Mishra D. P. Dynamic flame stability diagnosis of inverse jet flame using CH* chemiluminescence. Fuel . 2021. № 285. 119277.
23. Tsai C.F., Young M.S. Measurement system using ultraviolet and multiband infrared technology for identifying fire behavior. Rev. Sci. Instrum. 2006. № 77. 014901.
24. Xu L., Liu C., Jing W., Cao Z., Xue X., Lin Y. Tunable diode laser absorption spectroscopy-based tomography system for on-line monitoring of two-dimensional distributions of temperature and H2O mole fraction. Rev. Sci. Instrum. 2016. № 87. 013101.
25. Muruganandam T., Nair S., Neumeier Y., Lieuwen T., Seitzman J. Optical and Acoustic Sensing of Lean Blowout Precursors. In Proceedings of the 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Indianapolis, USA. 7-11 July 2002.
26. Журавльов В.М., Торба Ю.І, Павленко Д.В. Дослідження параметрів процесу включення форсажної камери згоряння ГТД. Авіаційно-космічна техніка та технологія. 2022. № 3(179). С. 30–36.
27. Schulz C., Dreizler A., Ebert V., Wolfrum J. Combustion diagnostics. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. Berlin: 2007. С. 1241–1315.
28. Khosravy el Hossaini M. Review of the New Combustion Technologies in Modern Gas Turbines. Progress in Gas Turbine Performance. Intech Open. 2013. C. 16.
29. Z. Wang, N. Zhao, W. Wang, R Tang, S. Li. A fault diagnosis approach for gas turbine exhaust gas temperature base on fuzzy c-means clustering and support vector machine. Mathematical Problems in Engineering. 2015. Vol. 2015.
30. Afgan N.H., Carvalho M.G., Pilavachi P.A., Tourlidakis A., Olkhonski G.G., Martins N. An expert system concept for diagnosis and monitoring of gas turbine combustion chambers. Applied Thermal Engineering. 2006. Vol. 26. C. 766–771.
31. Mauricio A., Helm D., Timusk M., Antoni J., Gryllias K. Novel cyclo-nonstationary indicators for monitoring of rotation machinery operating under speed and load varying conditions. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2022. Vol. 144. C. 24–40.
32. Лозня С.В., Некрасов С.С., Соляник В.Г., Торхов М.І., Френєв О.В., Якунін В.М. Застосування засобів вібраційної діагностики для захисту від вібраційного горіння. Вібрації у техніці та технологіях. 2001. № 4(20). С. 57–60.
33. Торхов М.І., Лозня С.В., Налесний М.Б. Метод виявлення вібраційного горіння палива у камерах згоряння газотурбінних установок. Авіаційно-космічна техніка та технологія. 2006. № 10(36). С. 103–106.
34. Singh A., Eshaghi A., Yu M., Gupta A.K., Bryden N.M. Simultaneous time-resolved fluctuating temperature and acoustic pressure field measurements in a premixed swirl flame. Energy. 2014. № 115. С. 116–127.
35. Nair S., Lieuwen T. Acoustic detection of blowout in premixed flames. J. Propuls. Power. 2005. № 21. С. 32–39.
36. Nair S., Lieuwen T. Acoustic Emissions of Premixed Flames on Swirl and Bluff-Body Stabilized Combustors near Flameout. In Proceedings of the 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Huntsville, USA. 20-23 July 2003.
ISSN 
