Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0202

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0202
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
Исследование и разработка высокотемпературного волоконно-оптического датчика для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей
Докладчик
Куликов Андрей Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Целью выполнения ПНИЭР является создание совокупности научно-технических решений в области разработки высокотемпературного волоконно-оптического датчика (ВВОД) для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
2. В рамках ПНИЭР предполагается разработать макет ВВОД и экспериментально исследовать его в составе уже существующего стенда ГТД, обладающий следующими ключевыми параметрами:
одновременная регистрация температуры с 4 чувствительных элементов (ЧЭ);
частота регистрации температуры не менее 10 Гц;
регистрация температур в зоне установки чувствительных элементов в диапазоне от 400 до 1800 градусов Цельсия;
суммарная погрешность измерения в рабочем диапазоне температур не более 10 градусов Цельсия.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время существует необходимость применения систем контроля высокой температуры в различных инновационных и технологических сферах деятельности человека. Отдельный интерес представляет мониторинг тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Предлагаемые для измерения высоких температур устройства (термопары, пирометры) имеют множество ограничений при использовании. Разработка волоконно-оптического датчика (ВОД) обусловлена рядом существенных преимуществ, такими как, высокая чувствительность, большой динамический диапазон, повышенная надежность, коррозионная стойкость, нечувствительность к электромагнитному воздействию, взрыво- и пожаробезопасность, кроме того они пригодны к эксплуатации в условиях повышенной температуры, влажности и давления, и имеют улучшенные физические характеристики (малый вес и объем).
В рамках ПНИЭР будут применены принципиально новые методы разработки и исследования элементов высокотемпературного ВОД: планируется разработать новый метод записи волоконных брэгговских решеток (ВБР) в высокотемпературное монокристаллическое оптическое волокно; планируется проведение исследований ВБР, записанных в специализированные сапфировые оптические волокна, в качестве чувствительного элемента датчика; планируется разработать новый тип измерителя высокой температуры, технологические методы и приемы его изготовления, математические алгоритмы опроса ВОД. Все эти результаты являются способными к правовой охране.
Описание исследования

1)              Разработка специальных требований к оптическим световодам из материалов, способных эксплуатироваться при рабочих температурах разрабатываемых чувствительных элементов высокотемпературных волоконно-оптических датчиков (ЧЭ ВВОД). Настоящая задача будет решаться выбором и исследованием материалов с минимальной температурной зависимостью, стойких к высоким температурам и подходящих для вытяжки оптических световодов с минимальными потерями в ИК диапазоне.

2)              Теоретическое исследование и моделирование способов обеспечения требуемого срока эксплуатации ЧЭ ВВОД. Настоящая задача будет решаться выбором, исследованием и компоновкой высокотемпературных материалов, применяемых для создания ЧЭ ВВОД.

3)              Разработка эскизной конструкторской документации (ЭКД) экспериментального образца ЧЭ ВВОД. Данная задача будет решаться выбором оптимальных оптической схемы и режимов работы оптического волокна, а также выбором параметров волоконных брэгговских решеток (ВБР), обеспечивающих регистрацию центральной волны отражения ВБР с точностью достаточной для обеспечения суммарной погрешности измерения с помощью макета ВВОД в рабочем диапазоне температур не более 10 градусов Цельсия.

4)              Разработка ЭКД макета регистрирующего блока (РБ) ВВОД. Данная задача будет решаться выбором оптоэлектронных элементов, обеспечивающих работу макета  РБ ВВОД условиях  заданного температурного диапазона и вибраций, а также разработкой оптической схемы, способной обеспечивать одновременную регистрацию сигналов с не менее чем 4 ЧЭ.

5)              Разработка эскизной программной документации на специальное программное обеспечение макета РБ ВВОД. Настоящая задача будет решаться путем разработки алгоритмов управления, обеспечивающих выработку информационных сигналов макета РБ ВВОД, контроль ключевых параметров и обслуживание аварийных событий в процессе его работы.

6)              Экспериментальные исследования структуры и дефектов разрабатываемых макета РБ и ЧЭ на различных стадиях изготовления, а также существующих датчиков, используемых в составе ГТД. Настоящая задача будет решаться с помощью разработки программы и методик и проведения запланированных исследований структуры и дефектов при помощи рентгеновского компьютерного томографа;

7)              Исследовательские испытания макета ВВОД. Настоящая задача будет решаться с помощью разработки программы и методик исследовательских испытаний макета ВВОД в составе макета РБ и экспериментального образца ЧЭ в лабораторных условиях с нагревом ЧЭ до 1800 градусов Цельсия;

8)              Экспериментальные исследования макета ВВОД в составе стенда ГТД. Настоящая задача будет решаться с помощью разработки предложений по модернизации существующего стенда ГТД для установки на него разрабатываемого макета ВВОД, разработки программы и методик экспериментальных исследований макета ВВОД и их проведения после интеграции макета ВВОД в состав стенда ГТД.

Результаты исследования

1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, в части волоконно-оптических устройств и оптических методов измерения высоких температуры (свыше 1000 градусов Цельсия

2. Проведены патентные исследования в области тематики ПНИЭР в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.

3. Разработаны специальные требования к оптическим световодам из материалов, сохраняющих работоспособность при рабочих температурах разрабатываемых ЧЭ ВВОД.

Практическая значимость исследования
1. Основное применение результатов заключается в создании нового типа измерителей высокой температуры на основе волоконной оптики для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей с рабочими температурами до 1800 градусов Цельсия.
2. Возможное применение в металлургической и сталелитейной промышленности, позволит обеспечить постоянное измерение высоких температур на всех технологических этапах.
3. Возможное применение в нефтеперерабатывающей отрасли для контроля температур на различных технологических этапах производства позволит повысить надежность измерения тепловых процессов в условиях агрессивных сред.
4. Отдельные технические решения, примененные при разработке ВВОД, позволят в перспективе разработать волоконно-оптическую информационно-измерительную систему деформации и температуры для транспортных объектов (самолеты, вертолеты, корабли и др.).