Исследование электрофизических и акустических характеристик горения жидких углеводородных и твердых топлив в высокоэнтальпийных потоках и разработка бесконтактных методов электрофизической и акустической диагностики ракетных и реактивных двигателей

Метод бесконтактной электрофизической и акустической диагностики ракетных и реактивных двигателей основан на регистрации начала проявления различных отклонений от параметров, характеризующих работоспособное состояние. Например, появление микрочастиц, приобретающих в газовом потоке продуктов сгорания генерирующий электромагнитное поле электрический заряд, возникновение изменения амплитудно-частотных характеристик вибраций, акустических колебаний и других быстропротекающих процессов, характеристики которых могут регистрироваться первичными измерительными преобразователями (ПИП), установленными дистанционно и использование которых не оказывает воздействие на внутрикамерные процессы и не требует внесения дополнительных изменений в конструкцию двигателя, а быстродействие обнаружения аномалии определяется временем достижения электромагнитной волны и акустических колебаний до места установки ПИП. В этой связи тематика исследования, посвященная разработке исследованию характеристик и разработке бесконтактных и быстродействующих систем диагностики технического состояния ракетных и реактивных двигателей, представляется актуальной. Регистрация акустических колебаний в частотном диапазоне 20 Гц – 20 кГц также может быть востребована при отработке серийных жидкостных ракетных двигателей, турбогенераторов, гидрореактивных турбоводометных двигателей, в конструкции которых не предусмотрена установка ПИП (датчиков) оборотов вала турбины и только на основе регистрации акустических колебаний с выполненной предварительно градуировкой спектра плотности энергии сигнала можно определить угловую скорость вращения ротора и построить расходные характеристики как на установившемся, так и на переходных режимах работы. Новизна метода исследования состоит в детальном учете химического состава ионизированных продуктов сгорания топлив, которые могут содержать частицы конденсированной фазы (твердых углеродных образований – сажи и металла), применением математических моделей и расчета характеристик генерации электрического заряда в высокоэнтальпийных потоках продуктов сгорания жидкого углеводородного и твердого топлива, подтвержденных на лабораторных установках и модельных ракетных и реактивных двигателях, в оценке с помощью теории подобия уровня характеристик собственных электромагнитных полей натурных ракетных и реактивных с учетом особенностей геометрии проточного тракта, а также в частотном анализе на основе вейвлет-преобразований колебаний напряженности магнитного и электрического поля, акустических колебаний, генерируемых высокоэнтальпийными потоками в газовых трактах ракетных и реактивных двигателей. Кроме того, будут выявлены полезные сигналы, основанные на физических параметрах электромагнитного и акустических полей, с целью их использования в качестве признаков функциональной диагностики и разработки систем аварийной защиты ракетных и реактивных двигателей. Проект посвящен комплексному (разработка математической модели электрофизических процессов, численное моделирование, параметрические расчеты, огневые испытания) экспериментальному исследованию акустических колебаний, а также собственного электромагнитного поля гомогенных и гетерогенных (с конденсированной фазой) ионизированных газовых потоков применительно к высокоэнтальпийным потокам продуктов сгорания жидких углеводородных и твердых топлив в камерах сгораниях ракетных и реактивных двигателей. Для проведения экспериментальных исследований разработаны структурные схемы макетных образцов блоков регистрации акустических колебаний, электромагнитного поля высокоэнтальпийного ионизированного газового потока продуктов сгорания жидкого углеводородного и твердого топлива, модули градуировки ПИП акустических колебаний, магнитного и электрического поля. Математическое моделирование включает в себя интегрирование уравнений Навье-Стокса для частично ионизированного газа и модифицированных уравнений Максвелла для описания вихревого электрического поля суммарного заряда, выносимого струей и индуцированного магнитного поля. Численные расчеты проводятся в авторском программном модуле MAGNUM3D с верификацией c результатами, полученными в Ansys Fluent MHD. В качестве объектов исследования используются модельные жидкостной ракетный двигатель на кислород- керосиновом топливе, ракетный двигатель твердого топлива, прямоточный воздушно-реактивный двигатель, гидрореактивный турбоводометный двигатель. В процессе выполнения проекта будут разработаны: структурные схемы макетных образцов блоков регистрации акустических колебаний, электромагнитного поля высокоэнтальпийного ионизированного газового потока продуктов сгорания, а также модулей градуировки ПИП акустических колебаний и электромагнитного поля; математическая модель и проведены расчеты генерации собственного электромагнитного поля высокоэнтальпийных потоков продуктов сгорания ракетных и реактивных топлив, учитывающая распределения электронных, ионных и заряженных конденсированных частиц. Разработаны модели электризации частиц конденсированной фазы и установлены пространственные распределения их скорости, температуры и суммарного электрического заряда, приобретаемого частицами вследствие нагрева и взаимодействия с заряженными компонентами высокоэнтальпийного ионизированного газового потока. Выполнены огневые испытания модельных ракетных и реактивных двигателей на жидком углеводородном и твердом топливе с регистрацией и расчетом интегральных, спектральных и корреляционных характеристик акустических колебаний и электромагнитных полей в зависимости от параметров рабочего процесса и геометрических особенностей проточных трактов. Разработаны структурные схемы и алгоритмы диагностики работоспособного состояния ракетных и реактивных двигателей и практические рекомендации по созданию систем аварийной защиты на основе бесконтактных электрофизических акустических методов.