Теория и методы регистарции нестационарных электрических полей, генерируемых заряженными частицами в турбулентных лабораторных и двигательных струях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Голенцов, Дмитрий Анатольевич

• Голенцов, Дмитрий Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Голенцов, Дмитрий Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения

Введение

Глава 1. Теория электрических полей, генерируемых заряженными частицами в турбулентных лабораторных и двигательных струях

§ 1. Общая постановка задачи о расчете электрических полей

Глава 2. Методы регистрации нестационарных электрических полей

§ 2. Теория зонда-антенны для регистрации электрических полей

2.1. Общая теория зонда-антенны

2.2. Сравнение с точным решением

2.3. Расчетная формула для сигнала, регистрируемого с помощью зонда-антенны при 5«1

§ 3. Примеры характерных сигналов, регистрируемых зондами-антеннами

3.1. Бесконечная цепочка точечных зарядов

3.2. Конечное число точечных зарядов

3.3. Заряженная нить (отрезок) конечной длины

3.4. Задача о цепочке точечных зарядов, истекающих из сопла

3.5. Заряженный сгусток

§ 4. Характеристики сигналов

§ 5. Спектральные характеристики сигналов

§ 6. О возможности идентификации источника сигнала по временной реализации (обратная задача)

Глава 3. Лабораторные исследования по проблеме генерации электрических полей

§ 7. Турбулентная паровоздушная затопленная струя с введением в нее ионов коронного разряда

7.1. Схема установки. Непрерывный и дискретный режимы следования заряженных частиц

7.2. Характерные частоты в спектрах полученных сигналов

§ 8. Регистрация заряженных частиц, образующихся при разрыве металлических образцов

8.1. Схема установки. Регистрируемые сигналы

8.2. Оценка размера образующихся при разрыве заряженных частиц

§ 9. Генерация заряженных частиц в модельном горельном устройстве и усиление регистрируемых сигналов при дополнительном введении в продукты сгорания заряженных частиц

9.1. Модельная горельная установка с контуром введения дополнительных заряженных частиц

9.2. Полученные результаты

Глава 4. Разработка конструкций зондов-антенн для регистрации электрических полей в натурных условиях

§10. Модельная маятниковая установка

§11. Оценка параметров АФ и А1 сигнала зондов-антенн конечных

размеров

§12. Экранировка зонда-антенны

§13. Возможная интерпретация сигналов зондов-антенн

Глава 5. Регистрация нестационарных электрических полей, генерируемых

двигательными струями в аэродромных условиях

§ 14. Объект и схема испытаний

§ 15. Временные реализации полученных сигналов и их спектральный анализ

15.1. Зависимость регистрируемых сигналов от режима работы двигателя и наличие характерных частот в спектрах

сигналов

15. 2. Определение характера движения заряженных частиц в двигательных струях по полученным с помощью зондов-

антенн сигналам

Глава 6. Применение разрабатываемой теории к проблеме электростатической диагностики авиационных двигателей

§16. Возможность регистрации аномальных режимов работы двигателя с помощью электростатических зондов-антенн

§ 17. Некоторые конструкции антенн для регистрации нестационарных электрических полей для системы диагностики состояния авиационных двигателей

§ 18. Система электростатической диагностики состояния авиационных двигателей

Выводы

Литература

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - характерный размер зонда-антенны с - скорость света

Е - напряженность электрического поля Н - напряженность магнитного поля J - ток выноса / - характерный размер

п2- обороты двигателя (в процентах от максимальных оборотов) q -объемный заряд Q - заряд

R - сопротивление цепи (нагрузочное сопротивление)

S - параметр электрогазодинамического взаимодействия

Sh = (i)llv - число Струхаля

V- объем

v - скорость

W - число Вебера

а(Г), ß(F) - безразмерные функции

Г - совокупность геометрических параметров задачи

s - диэлектрическая постоянная

<^сь ^п - среднеквадратичные отклонения сигналов от "дефектного" и

СС

нормального двигателеи Ф - сигнал зонда-антенны фоо - потенциал электрического поля со - частота

Q(Р0, Р) - функция Грина

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теория и методы регистарции нестационарных электрических полей, генерируемых заряженными частицами в турбулентных лабораторных и двигательных струях»

ВВЕДЕНИЕ

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 струи -нестационарное напряжение Ф(1) на сопротивлении в цепи зонда-антенны -сигнал на регистрирующей аппаратуре - спектр сигнала, количественные параметры, характеризующие движение заряженных частиц в струе -причина, 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 устанавли-

вается 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-антенн; исследование механически разрушающихся металлических образцов с образованием заряженных частиц (осколков), попадающих в струю и регистрируемых зондом-антенной; моделирование непрерывного и дискретного режимов движения заряженных частиц на специальной установке с электрогазодинамической паровоздушной струей; регистрация 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 струе; измерения 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 частиц; цепочка частиц; цепочка частиц, вылетающих из сопла; заряженный отрезок конечной длины; заряженный 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 модели-

рует 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.

ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ В ТУРБУЛЕНТНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ И ДВИГАТЕЛЬНЫХ СТРУЯХ

§ 1. Общая постановка задачи о расчете электрических полей

Рассмотрим общую теорию генерируемых нестационарных электрических полей (обоснование электрогидродинамического приближения дано, например, в работе [21]). Заряженные частицы в реактивной струе генерируют электрическое поле Е и магнитное поле Н, определяемые из уравнений Максвелла

А _ {IЗН 4тг 1Ч

го1 Е = - — —, С!1УЕ = — д (1.1)

с дЬ 8

= ^ + <КуН = 0 0 = ^,) (1-2)

с с 01

где ] - вектор плотности электрического тока, - скорость заряженных частиц (рассматривается простейший случай, когда имеется только один сорт заряженных частиц), 8 и ц - диэлектрическая постоянная и магнитная проницаемость среды, которые предполагаются постоянными и одинаковыми внутри и вне струи, с - скорость света.

Поле Е складывается из поля Ег, обусловленного объемным электрическим зарядом <2, и вихревого поля связанного с изменением по времени индуцированного магнитного поля Н = Нг. Считаем, что внешние магнит-

ное и электрическое поля отсутствуют. (В условиях натурного аэродромного эксперимента это означает, что поля от окружающих аэродромных устройств малы, что подтверждено измерениями "фоновых" сигналов).

Поле, которое может создавать заряды, скапливающиеся на корпусе самолета, специально устраняется путем заземления самолета.

Из (1.1) - (1.2) следуют оценки

Н = Н{ ~ шах

Е»

— ~ ае шах Е

\ с с ) со2/2^

(1.3)

гЕ с2 с2 )

где со и / - характерные частота нестационарного процесса и длина изменения параметров в струе, по порядку величины равная ее ширине. Оценим величину безразмерного параметра ю//с. В случае непрерывного пульсацион-ного движения заряженных частиц частота со совпадает с характерной частотой турбулентных пульсаций со ~ г^М , где V - характерная скорость газа, ЭИ - число Струхаля, которое для струй порядка единицы. При дискретном движении заряженных частиц выполняется оценка со ~ (А?)"1, где А? - временной интервал между пролетом двух последовательных сгустков. В результате для указанных режимов получим

^-«1 (1.4)

с с с сА1

(/~1м, V ~ 400 м/с, А^ ~ 104 - 1 с)

Введем также параметр электрогазодинамического взаимодействия S=QEllpv2, представляющий собой отношение электрической силы к инерционной силе.

Предполагая, что Е1 /Е < 1 и vs~v, () = Лгде ток выноса, Е - характерное сечение (Е ~ / ) и, принимая 3 = 50мкА, из (1.3) и (1.4) находим, что Еь/Е«\ (электрическое поле потенциально) и Н/Е« 1

(магнитным полем можно пренебречь), а также 8«1 - влияние электрического поля на распределение газодинамических параметров отсутствует и заряженные частицы можно рассматривать как примесь, не влияющую на движение несущей фазы.

Из второго соотношения в (1.1) следует уравнение: 4тг

Лф =--я, (Е = -УФ, <7 = <7(Р,0) С1-5)

8

где ф - потенциал электрического поля, Р - точка внутри струи.

Для полного замыкания "электрической" задачи к уравнению (1.5) необходимо добавить уравнение сохранения заряда д и закон Ома, но в данном случае предполагается, что распределение д = д(Р,1) является заданным и моделирует различные режимы движения заряда в струях, поэтому проблема совместного решения указанных уравнений не рассматривается.

Электромагнитное поле вне струи описывается уравнениями (1.1) -(1.2), в которых надо положить ] = 0, д = 0. Эти уравнения допускают решения в виде электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью

с* = с(б|и)"1/2, причем с*= где v - частота и А, - длина волны. В рассматриваемом случае электромагнитные волны возбуждаются нестационарным процессом движения зарядов в струе, характерная частота которого не превосходит 104 Гц. Поэтому длина волны X оказывается чрезвычайно большой (не менее 103 - 104 м), и зонд, установленный на расстоянии нескольких метров от струи, не зафиксирует эту волну. С другой стороны, зонд зафиксирует "электростатическую" волну, которая распространяется с бесконечной скоростью и определяется уравнением Пуассона (1.5). В любой точке пространства (внутри или вне струи) зарядом <2 создается электрическое поле Е, которое мгновенно "отслеживает" изменение заряда по времени или его движение. Поэтому заряд ()(Р, сосредоточенный в ограниченной области струи V (Ре V), генерирует в области V и в расположенной вне струи облас-

ти У+ переменные электрическое поле и потенциал. Величины Е(Р0, 0 и ф(Р(ь гДе ^о е У+, и будут восприниматься зондом, расположенным в

точке Р0 (рис. 1.1). 2

Предположим, что на внешней границе 2 области У+ потенциал равен нулю: ф(Рх, /) = 0. Тогда решение уравнения (1.5) имеет вид [1] 4%

ФОР0,0 = — /ВД^ЖЛО^Р,

v

+

(1.6)

Р0 еУ + У+, Р еУ

Рис. 1.1 К определению характери- Е^Ро >£) - - — ДУРоа(ро >я{Р,Ь)йУ1

v

стик электрического поля

Ап.П(Рп.Р) = -И(Рп.Р').

(1.7)

АРоО(Р0,Р) = -5(Р0,Р), 0(Р2,Р) = 0,РЕе2:

Здесь О - функция Грина для области V + У+, 5 - дельта-функция, символ АРоО означает, что дифференцирование производится по координатам точки Ро-

Область У, в которой сосредоточен заряд, в общем случае может сама изменяться со временем.

Формулы (1.6) и (1.7) получены в предположении, что в области У+ отсутствуют посторонние тела, так как зонд, помещенный в точку Р0 , деформирует поле, определяемое формулой (1.6). Этот вопрос будет рассмотрен в главе 2.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Голенцов, Дмитрий Анатольевич

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 объект; системы регистрации сигнала в электрической цепи разрушаемого объекта; зонда-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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Голенцов, Дмитрий Анатольевич, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Ватажин А.Б., Грабовский В.И., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Электрогазодинамические течения. - М.: Наука, 1983.

2. Ватажин А.Б., Казаков А. Ф., Лихтер В.А., Межлумян Р.А., Стрека-лов А.П., Трунов O.K., Шульгин В.И. Исследование электрических характеристик реактивных струй, истекающих из двигателей самолетов. - Тр. ЦИАМ, № 628, 1974.

3. Имянитов И.М. Электризация самолетов в облаках и осадках. - Л. : Гидрометеоиздат, 1970.

4. Улыбышев К.Е. Электрическая структура фронта горения однородной ме-тановоздушной смеси. - Изв. РАН. МЖГ, 1998, № 1, С. 3-7.

5. Лаутон Дж., Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения. - М.: Энергия, 1976.

6. Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г. 3., Пашин М.М. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. - М.: Энергия, 1974.

7. Кашкин Ю.Ф. Электризация пыли в потоке воздуха при механическом взаимодействии частиц с твердыми телами. - ЦИАМ. Тех. справка № 6940, 1972.

8. Леб Л. Статическая электризация. Госэнергоиздат. - M.-JI. 1963.

9. Couch R.P., Rossback D.R., Burgess R. W. Sensing incipient engine failure with electrostatic probes. In: "Instrumentation for Airbreathing Propulsion", edited by Fuhs A.E. and Kigery M. - Progress in Astronautics and Aeronautics, V. 34, 1974, p. 515-527.

10. Ватажин A.B., Рушайло A.M. Турбулентные струйные течения с конденсационными и электрофизическими эффектами: Сб. статей под ред. А.Б.Ватажина, 1991, Вып. 1, ЦИАМ. Труды № 1288.

11. Агушевич А.З., Ватажин А.Ъ Голенцов Д.А.и др. Теоретическое и лабораторное моделирование особенностей движения заряженных частиц в двигательных струях и процессов зарядки частиц в тракте двигателя. -ЦИАМ. Науч.-техн. отчет № 700-2239, 1997.

12. Ватажин А.Ъ., Рушайло A.M. Электростатический зонд для регистрации заряженных частиц в газодинамическом потоке. - Изв. АН СССР. МЖГ, 1980, №1, С. 72-81.

13. Shaeffer J.F., Peng Т.С. High-potential Clouds in Jet-engine Exhaust. - AJAA Paper № 76-397. AJAA 9th Fluid and Plasma Dynamics Conference, San Diego, CA.

14. Couch R.P. Detecting abnormal turbine engine deterioration using electrostatic methods. - J. of Aircraft, V.15, № 10, 1978, p. 692-695.

15. Fisher C., Hughes S. Gas turbine fault detection system. - In: World aerospace technology 1993. The international review of aerospace design and development, ed. Williams Michael, London, p.78-80.

16. Nordwall B.D. Florham P.N. J. Engine monitoring system may provide 100-hr. warning before jet failure. - Aviation week and space technology, V. 136, № 10, 1992, p.54-55.

17. Пат. US-A-3 775 763. Apparatus for indicating the impending failure of a jet engine / Couch R.P., Rossbach D.R., Fowler R.T. - Заявл. 7.03.72; Опубл. 27.11.73; кл. G08b 21/00.

18. Пат. ЕР-0 120 087 В1. Noncontact electrostatic hoop probe for combustion engines / Couch R.P. - Заявл. 29.09. 83; Опубл. 27.01.88; кл. G01R 31/02.

19. Пат. GB-2 272 976 A, Electrostatic charge sensor / Forfitt i?.-Заявл. 30.11.92; Опубл. 01.06.94; кл. G01R 29/24.

20. Арсенъев A.H., Ватажин А.Ъ., Голенцов Д.А., Лихтер В.А., Сахаров В.Ъ., Шульгин В.И. Электростатический метод ранней диагностики, основанный на регистрации генерируемых струей переменных электрических полей. Выбор схемы. - ЦИАМ. Науч.-техн. отчет № 700-12-209, 1995.

21. Гогосов В.В., Полянский В.А. Электрогидродинамика: задачи и приложения, основные уравнения, разрывные решения. - В кн.: Механика жидкости и газа (Итоги науки и техники).- М.: ВИНИТИ, 1976, т. 10.

22. Костенко М.В., Левинштейн М.В., Тиходеев H.H., Миролюбов H.H. Методы расчета электростатических полей. - М.: Высшая школа, 1963.

23. Седов. Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: Наука, 1972.

24. Ватажин A.B., Голенцов Д.А., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Проблема бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей. - Изв. РАН. МЖГ. 1997. № 2. С. 83-95.

25. Абрамович Т.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физматгиз, 1960.

26. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. - М.: Мир, 1989.

27. Ватажин A.B., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Турбулентные конденсационные струи и возможность управления ими с помощью электрического поля. - Проблемы современной механики. Ч. 1. М.: Изд-во МГУ, 1983.

28. Ватажин A.B., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Коронный разряд в турбулентной струе с конденсацией. - Изв. АН СССР. МЖГ. 1992. №4. С.28-35.

29. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. - Пер. с англ. М.:Мир, 1987.

30. Бородин В.А., Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А., Ягодкин В.И. Распыливание жидкостей. - М.: Машиностроение, 1967.

31. Божков А.И., Ватажин A.B., Голенцов Д.А. и др. Предварительные результаты аэродромных испытаний самолета Су-27 по проблеме бесконтактной электростатической диагностики авиационных двигателей. - ЦИАМ-ЛИИ. Техн. справка № 700-12-227. 1996.

32. Божков А.И., Ватажин A.B., Голенцов Д. А. и др. Результаты аэродромных испытаний самолета Су-27 (двигатели АЛ-31Ф) по уточненной ме-

тодике бесконтактной электростатической диагностики двигателей. -ЦИАМ-ЛИИ. Техн. справка № 700-12-235. 1996.

33. Илъюшенкова И.И., Рушайло A.M., Трофимов В.Г., Шнитко В.Т. Электростатический метод контроля износовых частиц в газовом потоке ГТД. -Вопросы авиационной науки и техники, серия "Авиация и двигателестрое-ние", выпуск 5 (1271), 1990, С. 41-54.

34. Brookham R. Help for distressed gnomes. - Helicopter world, V. 10, № 4, 1991, p.34-37.

35. Colucci F. Healthy static. - Helicopter world, V.10, № 1, 1991, p. 40-43.

36. Colucci F. Particle prognosis. - Defence helicopter, V. 12, № 3, 1993, p.30-31.

37. Colucci F. Health and efficiency. - Defence helicopter, V. 10, № 1, 1991, p. 18-20.