Высокотемпературный волоконно-оптический датчик

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 рабочей смеси при температурах 400 - 1800 °С.

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.