Способ измерения радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки. Способ заключается в установке на внутренней поверхности статорной оболочки одновиткового вихретокового преобразователя с рабочим чувствительным элементом в виде отрезка проводника, обращенным к торцу лопасти. При этом торец лопасти имеет высокую электропроводность. Преобразователь располагают таким образом, чтобы рабочий чувствительный элемент оказался в плоскости вращения лопасти винта при нулевом значении угла ее установки в статике. Вихретоковый преобразователь включают в мостовую измерительную цепь канала измерения. Фиксируют выходной цифровой код канала измерения. С помощью аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования, регистрируют силу тяги двигателя и частоту вращения вала винта. На основе измеренного значения силы тяги и частоты вращения моделируют угол разворота лопасти винта (ϕл). С помощью модели упругих изгибных деформаций лопастей винтовентиляторной установки по измеренной силе тяги определяют значения составляющих осевого смещения лопастей винта (Хл) и смещения в направлении вращения (Zл). По результату преобразования в цифровой код измерительного канала с вихретоковым преобразователем С и результатам моделирования Хл, Zл и ϕл с помощью функции, обратной семейству градуировочных характеристик измерительного канала, определяют искомое значение радиального зазора (Yл). Технический результат заключается в сокращении числа используемых первичных преобразователей и повышении надежности результата измерения. 5 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки при испытаниях турбовинтовентиляторного двигателя на стенде, оборудованном системой измерения силы тяги и частоты вращения вала винта.

Известен способ измерения параметров движения лопастей винтовентилятора с помощью одновиткового вихретокового датчика с чувствительным элементом в виде линейного отрезка проводника [Патент №2146038 РФ от 01.11.1996, МКИ G01В 7/14, G01H 11/00, Способ измерения параметров движения лопастей винтовентилятора / Игонин С.Н., Райков Б.К., Секисов Ю.Н. и др., опубл. 27.02.2000, Бюл. №6], который позволяет измерять радиальные зазоры между торцами лопастей винта и статорной оболочкой, а также углы установки лопастей. Недостатком указанного способа является низкая точность измерения, обусловленная отсутствием учета деформаций лопастей винта из-за создаваемой силы тяги, что приводит к смещению центра торцевой части контролируемой лопасти относительно начала координат и возникновению дополнительной погрешности, а также необходимость использования двух вихретоковых преобразователей и соответствующего числа установочных отверстий в статорной оболочке, что негативно сказывается на прочности и надежности силовой установки в целом.

Известен кластерный способ измерения радиальных смещений торцов лопастей винтовентилятора [С.Ю. Боровик, Б.К. Райков, Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев, В.В. Тулупова Метод измерения радиальных смещений лопастей винтоветилятора с использованием каналов физической и виртуальной коррекции // Проблемы управления и моделирования в сложных системах / Труды V Международной конференции, Самара, Россия, 17-21 июня 2003. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2003. - С.512-520], который при вычислении радиальной составляющей перемещения торца лопасти (радиальных зазоров) позволяет учитывать разворот лопасти вдоль своей оси, а также осевые и изгибные смещения торца лопасти под действием силы тяги. Недостатком указанного способа является необходимость как минимум четырех установочных отверстий в статорной оболочке для размещения одновитковых вихретоковых преобразователей, что, тем более, негативно сказывается на прочности и надежности конструкции силовой установки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения радиальных зазоров в закапотированной винтовентиляторной установке с помощью одного одновиткового вихретокового преобразователя [Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев Измерение составляющих многокоординатных смещений элементов конструкций силовых установок с моделированием неизмеряемых составляющих. (Концепция и реализующие ее методы измерения) // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2004. - №7. С. - 29-34] по выходному параметру и соответствующему цифровому коду в измерительном канале этого преобразователя, регистрируемому один раз за оборот каждой лопасти в момент времени, когда центр ее основания находится под центром рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя, принятым за начало системы отсчета, и результатам моделирования изгибных смещений торца лопасти в осевом направлении и в направлении вращения вала винта под действием тяговых усилий, произведенного на основе измерительной информации об угле разворота лопасти и частоте вращения ротора винта с учетом эмпирических коэффициентов, характеризующих форму лопасти исследуемого винта, а также вычисления радиального зазора (радиального смещения) с помощью функции, обратной полиномиальной или кусочно-линейной, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик, полученных экспериментально при подготовке к испытаниям. Недостатком указанного способа является необходимость использования измерительного канала потенциометрического датчика угла поворота, входящего в систему управления силовой установкой, низкая надежность подвижного контакта этого датчика и контактного токосъемника для передачи сигнала с вращающегося потенциометрического датчика.

Целью предлагаемого изобретения является сокращение числа используемых одновитковых вихретоковых преобразователей зазора и повышение надежности результата измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что с торцами лопастей винта работающей закапотированной винтовентиляторной установки вводят во взаимодействие вихретоковый преобразователь с чувствительным элементом в виде отрезка проводника (обязательным условием применения вихретокового преобразователя остается высокая электропроводность торца лопасти; если лопасти выполнены из неэлектропроводного материала, то на их торцевой поверхности должны быть установлены метки, например, в виде ленты из высокоэлектропроводного материала; в экспериментах на торцы лопастей из углепластика была наклеена метка из медной фольги); по выходным параметрам преобразователя и соответствующим цифровым кодам, регистрируемым один раз за оборот каждой лопасти в момент времени, когда центр основания лопасти находится под центром рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя, принятым за начало системы отсчета, и результатам моделирования смещений торца лопасти в осевом направлении и в направлении вращения вала винта, произведенного на основе измерительной информации об угле разворота лопасти и частоте вращения ротора винта с учетом эмпирических коэффициентов, характеризующих форму лопасти исследуемого винта, а также в соответствии с функцией, обратной полиномиальной или кусочно-линейной функции, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик, полученных при подготовке к испытаниям, вычисляют радиальные зазоры между торцами лопастей и внутренней поверхностью статора, вводят новые операции: с помощью аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования, получают измерительную информацию о силе тяги двигателя и на ее основе, а также информации о частоте вращения вала винта моделируют угол разворота лопасти винта. По значениям цифрового кода, соответствующего выходному параметру вихретокового преобразователя, и рассчитанным с помощью моделей значениям угла поворота лопасти и смещений торца лопасти относительно начала системы отсчета в осевом направлении и в направлении вращения винта, с помощью функции, обратной полиномиальной или кусочно-линейной функции, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик измерительного канала, определяют значение радиального зазора между торцом каждой лопасти и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки.

На фиг.1 представлена схема, поясняющая размещение вихретокового преобразователя на статорной оболочке закапотированной винтовентиляторной установки, где показаны: 1 - вихретоковый преобразователь, 2 - статорная оболочка закапотированной винтовентиляторной установки, 3 - лопасть винта. Здесь же приведена выбранная система отсчета, причем ось Х направлена перпендикулярно плоскости чертежа.

На фиг.2 представлена диаграмма, поясняющая этапы получения информации о радиальных зазорах между торцом лопасти винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки, где τв - период вращения вала, tц1, tц2,..., tцnл - моменты времени, соответствующие прохождению центрами оснований лопастей винтовентиляторной установки под центром рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя.

На фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие опрос вихретокового преобразователя, где SYNC - импульс синхронизации, поступающий от стандартного датчика частоты вращения, входящего в состав стендового оборудования, С - код, полученный в результате аналого-цифрового преобразования естественного выходного сигнала (индуктивности) вихретокового преобразователя, tц1, tц2,..., tцnл - моменты времени, соответствующие прохождению центрами оснований лопастей 1, 2,..., i,..., nл винтовентиляторной установки под центром рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя.

На фиг.4 представлены зависимости угла разворота лопасти ϕл от силы тяги силовой установки для двух значений скорости вращения винта, поясняющие пример определения радиального зазора между торцом лопасти винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки.

На фиг.5 в графическом виде представлен фрагмент экспериментально полученного семейства градуировочных характеристик измерительного канала для различных смещений торца лопасти вдоль осей Х и Z при ϕл=24 град.

Измерение радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки предлагаемым способом осуществляется следующим образом. После подачи команды, инициирующей процесс измерения, по временному интервалу между двумя соседними импульсами датчика частоты вращения, входящего в состав стендового оборудования, определяют период вращения вала винта τв и рассчитывают моменты времени фиксации результатов преобразования вихретокового преобразователя, соответствующие моментам прохождения центрами оснований лопастей tц1, tц2,..., tцnл (nл - число лопастей закапотированной винтовентиляторной установки) центра рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя.

Каждый импульс опроса обеспечивает питание измерительной цепи вихретокового преобразователя и запускает процесс преобразования его выходного параметра в напряжение и далее - в цифровой код С.

Учет не измеряемых величин, влияющих на результат измерения зазоров - углов разворота лопастей (ϕл), смещений торца лопасти в осевом направлении (Хл) и в направлении вращения винта (Zл), осуществляется путем моделирования их по функционально связанным с ними параметрам, которые измеряют с помощью аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования. В качестве опорных параметров выбирается сила тяги и частота вращения винта.

По результатам измерения силы тяги двигателя (F) и частоты вращения вала винта датчиками (в составе стендового оборудования) с учетом значений эмпирических коэффициентов, характеризующих форму лопасти исследуемого винта, моделируют угол разворота лопасти винта (угловую координату) - ϕл.

Рассчитывают значения силы, приходящейся на одну лопасть винта закапотированной винтовентиляторной установки (Fл).

Смещение торца лопасти относительно начала выбранной системы координат в осевом направлении - Хл и в направлении вращения винта - Zл определяют с помощью модели упругих изгибных деформаций лопасти под действием силы Fл при заданном значении угла разворота ϕл.

По результатам преобразования выходного параметра вихретокового преобразователя в цифровой код С и для полученных в ходе моделирования значений Хл, Zл и ϕл в соответствии с функцией, обратной полиномиальной или кусочно-линейной функции, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик, снятых в процессе подготовки к испытаниям, находят искомое значение радиального зазора (Yл=fобр (С, Хл, Zл, ϕл)).

Проверку работоспособности указанного способа рассмотрим на примере измерения радиального зазора между одной из лопастей винта и внутренней поверхностью статора закапотированной винтовентиляторной установки. Предполагается, что лопасть выполнена из композитного материала с модулем упругости Е=15 ГПа, имеет длину L=1 м, толщину возле комля (основания) h0=0.044 м, толщину возле торца hm=0.008 м, ширину возле комля b0=0.44 м и ширину возле торца bm=0.36 м. Предполагается, что винт установки вращается с частотой 950 об/мин. Сила тяги двигателя на указанном режиме равна 2 тоннам-силам.

Зависимость угла разворота лопасти ϕл от силы тяги двигателя была определена эмпирически путем аппроксимации экспериментальных данных, полученных в процессе стендовых испытаний установки, с помощью линейных функций и представлена на фиг.4 семейством ϕл(F) при постоянных оборотах вала n1=950 об/мин и n2=1650 об/мин. Как видно из фиг.4, для заданного режима работы закапотированной винтовентиляторной установки угол разворота лопасти равен 24 угловых градусов.

Моделирование изгиба лопасти под действием упругих деформаций проводилось с учетом упрощенных допущений в отношении геометрии лопасти и распределения тягового усилия по ее поверхности. В частности, предполагалось, что лопасть имеет плоскую поверхность, равномерно уменьшающуюся по толщине (h) по всей длине лопасти (L) от комля (основания - толщина h0) до торца (толщина hm). Форма лопасти на длине от основания до L/2 - прямоугольная (ширина лопасти - b0), далее до торца - трапецеидальная (с шириной в торце - bm). Распределение силы вдоль оси лопасти - нарастающее от основания до ее торца по биквадратичному закону. Расчет деформаций для заданных значений сил велся методом конечных элементов [Галлагер Р. МКЭ: Основы / Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 215 с.] и для приведенных исходных данных составил 13 мм.

Полагая, что упругая деформация лопасти (dл) происходит в плоскости, параллельной плоскости XZ (фиг.1), определялись смещения лопасти вдоль оси Х (Хл=dл·cos(ϕл)≈12 мм) и оси Z (Zл=dл·sin(ϕл)≈6 мм).

Пусть в результате преобразования сигнала вихретокового преобразователя было получено значение кода С=1722. Тогда, в соответствии с семейством градуировочных характеристик, представленных на фиг.5, и для рассчитанных значений ϕл=24 град, Хл=12 мм и Zл=6 мм была выбрана характеристика 1, и искомое значение радиального зазора Yл составило 3 мм.

Способ измерения радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки, заключающийся в том, что с торцами лопастей винта работающей закапотированной винтовентиляторной установки вводят во взаимодействие одновитковый вихретоковый преобразователь с чувствительным элементом в виде отрезка проводника, устанавливаемый на статорной оболочке закапотированной винтовентиляторной установки; по выходному параметру преобразователя и соответствующему цифровому коду, регистрируемому один раз за оборот каждой лопасти в момент времени, когда центр ее основания оказывается под центром рабочего чувствительного элемента, принятым за начало системы отсчета, и результатам моделирования смещений торца лопасти в осевом направлении и в направлении вращения вала винта, произведенного на основе измерений угла разворота лопасти и частоты вращения ротора винта с учетом эмпирических коэффициентов, характеризующих форму лопасти исследуемого винта, в соответствии с функцией, обратной полиномиальной или кусочно-линейной функции, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик, полученных экспериментально при подготовке к испытаниям, вычисляют радиальный зазор между торцом каждой лопасти и внутренней поверхностью статора, отличающийся тем, что измеряют силу тяги двигателя с помощью аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования; моделируют угол разворота лопастей винта на основе результата измерения силы тяги и частоты вращения вала винта; значение радиального зазора между торцом каждой лопасти и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки определяют по результату преобразования, полученному в канале измерения с вихретоковым преобразователем, значениям угла поворота лопасти, смещения ее торца относительно начала системы отсчета в осевом направлении и в направлении вращения винта, рассчитанных с помощью моделей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам контроля статических и динамических изменений зазора между двумя металлическими объектами. .

Изобретение относится к устройствам контроля статических и динамических изменений зазора между двумя металлическими объектами. .

Изобретение относится к устройствам контроля статических и динамических изменений зазора между двумя металлическими объектами. .

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при конструировании систем виброконтроля габаритных валов роторных машин в энергетике, нефтегазовой промышленности и других областях.
Изобретение относится к технологии приборостроения и может быть использовано в машиностроении и других областях техники для бесконтактного измерения дисбаланса вала турбодетандера, биения лопаток энергоустановки, а также поверхностей сложной геометрии из электромагнитных материалов и в условиях меняющихся температур.

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к испытаниям электрических машин косвенными методами. .

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано, например, при исследованиях пограничного слоя на элементах летательных аппаратов и их моделей.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля радиально-осевых зазоров между рабочими лопатками и корпусом турбомашин, преимущественно в центробежных и осевых компрессорах, работающих при повышенных окружных скоростях, давлениях и температурах.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в аэродинамическом эксперименте для измерения и контроля расстояний между телами при термоанемометрических исследованиях, например, пограничного слоя.

Изобретение относится к области измерения и регулирования положения верхней мертвой точки в поршневых двигателях. .

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к области неразрушающего контроля нефтегазопроводов и может быть использовано для определения пространственных координат дефектов, а также для измерения пройденного внутритрубным инспектирующим снарядом-дефектоскопом расстояния

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области создания средств и методов бесконтактного измерения вибраций деталей машин и механизмов, и может быть использовано для бесконтактного измерения зазоров

Изобретение относится к контролю качества микромеханических устройств, используемых в акселерометрах, гироскопах, датчиках давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки деформации статорной оболочки (ДСО) винтовентиляторной силовой установки (ВВСУ) авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) в местах установки кластерных одновитковых вихретоковых датчиков (КОВТД) и смещений геометрического центра оболочки относительно центра вращения винта

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения зазора между стационарной и вращающейся компонентами машины (турбины, генератора и т.п.)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки деформации статора газотурбинного двигателя

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток колеса ротора относительно статора турбомашины

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки

Наверх