Способ измерения радиального зазора между торцами рабочих лопаток и статором газотурбинного двигателя

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения радиального зазора (РЗ) между торцами лопаток рабочего колеса (РК) и статорной оболочкой газотурбинного двигателя (ГТД). Предложен способ измерения радиальных зазоров между торцами лопаток рабочего колеса в процессе его вращения и статорной оболочкой газотурбинного двигателя. Техническим результатом является повышение точности измерения при снижении воздействия температуры, а также сокращение числа датчиков и установочных отверстий в каждой точке контроля. Для измерения радиальных зазоров между торцами лопаток рабочего колеса и статором газотурбинного двигателя первый и второй одновитковые вихретоковые датчики, включенные в дифференциальную измерительную цепь, размещают раздельно в двух точках контроля над лопаточным венцом рабочего колеса на статорной оболочке газотурбинного двигателя со сдвигом в угловом направлении, благодаря чему датчики выполняют рабочие и компенсационные функции поочередно. Далее фиксируют экстремальные значения выходного напряжения измерительной цепи при прохождении центров чувствительных элементов первого и второго датчиков торцом контролируемой лопатки; радиальный зазор между статором и торцом контролируемой лопатки вычисляют в точках контроля по зафиксированным экстремальным значениям напряжения измерительной цепи и заранее снятым градировочным характеристикам. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения радиального зазора (РЗ) между торцами лопаток рабочего колеса (РК) и статорной оболочкой газотурбинного двигателя (ГТД) преимущественно при доводочных испытаниях в условиях высокой температуры среды в проточной части в процессе вращения РК на тех ступенях, где отсутствует осевое смещение РК или его влияние пренебрежимо мало.

Известна система измерения РЗ в компрессоре ГТД, в которой для уменьшения влияния изменений температуры окружающей среды в зоне размещения датчика реализован способ, предусматривающий размещение в каждой точке измерения двух одновитковых вихретоковых датчиков (ОВТД) с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника, включенных в дифференциальную измерительную цепь. Один из датчиков является рабочим и по изменению его информативного параметра в момент прохождения торца лопатки с номером k зоны чувствительности датчика определяется РЗ. Второй датчик является компенсационным и смещен на минимальное расстояние относительно рабочего датчика в направлении вращения лопаточного колеса так, чтобы в момент нахождения торца одной из лопаток под центром ЧЭ рабочего датчика центр ЧЭ компенсационного датчика находился в центре межлопаточного промежутка. Компенсационный и рабочий датчики имеют одинаковое конструктивное исполнение, что позволяет в дифференциальной измерительной цепи получить снижение воздействия температуры на датчики и в конечном итоге на результат измерения. (Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. - Самара, Самарский научный центр РАН, 2001, 188 с., стр. 127-130 и 65-72.)

Рассмотренный способ используется и в более современных средствах измерения РЗ. В них измерительная цепь и аналого-цифровой преобразователь объединены в один блок и размещены на предельно малом расстоянии от датчиков (С.Ю. Боровик, М.М. Кутейникова, Б.К. Райков, Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев. Измерение радиальных зазоров между статором турбины и торцами лопаток сложной формы с помощью одновитковых вихретоковых датчиков // Мехатроника, автоматизация, управление, 2013, - №10, с. 38-46).

Недостатками способа являются необходимость установки в каждой точке контроля для измерения радиального зазора двух корпусов датчиков - рабочего и компенсационного, и, как следствие, ослабление прочности статорной оболочки ГТД в точке контроля за счет двух установочных отверстий. В ГТД, предназначенных для авиации, статорная оболочка в связи с необходимостью минимизации веса имеет предельно малую толщину, следовательно, не предусмотренные при проектировании и необходимые лишь при доводочных испытаниях дополнительные отверстия для установки датчиков РЗ ослабляют расчетную прочность статорной оболочки.

Целью изобретения является измерение радиальных зазоров в двух точках контроля при сохранении снижения воздействия температуры одновитковых вихретоковых датчиков на результат преобразования, а также сокращение числа датчиков и установочных отверстий в каждой точке контроля.

Указанная цель достигается новым размещением ОВТД на статоре ГТД и дополнительными операциями обработки сигналов с измерительной цепи.

Для измерения радиальных зазоров между торцами лопаток рабочего колеса и статором газотурбинного двигателя, первый и второй одновитковые вихретоковые датчики, включенные в дифференциальную измерительную цепь, размещают раздельно в двух точках контроля над лопаточным венцом рабочего колеса на статорной оболочке газотурбинного двигателя со сдвигом в угловом направлении, благодаря чему датчики выполняют рабочие и компенсационные функции поочередно; фиксируют экстремальные значения выходного напряжения измерительной цепи при прохождении центров чувствительных элементов первого и второго датчиков торцом контролируемой лопатки; радиальный зазор между статором и торцом контролируемой лопатки вычисляют в точках контроля по зафиксированным экстремальным значениям напряжения измерительной цепи и заранее снятым градировочным характеристикам.

Измерение радиальных зазоров проводится в двух точках контроля с минимальным числом датчиков и установочных отверстий в статоре двигателя при сохранении снижения влияния температуры на процесс преобразования, свойственного дифференциальной измерительной цепи, а по результатам измерения судят об изменении положения статорной оболочки относительно рабочего колеса.

Для измерения используют два одновитковых вихретоковых датчика с чувствительными элементами в виде отрезка проводника Д₁ и Д₂, включенные в дифференциальную измерительную цепь, которые размещают раздельно в двух точках контроля над лопаточным венцом контролируемого рабочего колеса. Угловое положение по окружности статора β₁ первого датчика Д₁ принимается за начальное (β₁ равно 0).

Второй датчик Д₂ устанавливают относительно первого Д₁ со смещением в направлении вращения лопаточного колеса на заданный угол β (фиг. 1), отвечающий условию

β=Δβ(Р+0,5),

где Δβ - угловой шаг лопаток на контролируемом колесе;

Р - заданное число шагов, на которое смещается Д₂ относительно Д₁.

Процесс преобразования выполняется во время перемещения лопаток Л относительно одновитковых вихретоковых датчиков при вращении колеса и включает подачу последовательности одиночных импульсов питания амплитудой Е (фиг. 2 эпюры 1, 2, 3) на измерительную цепь, формирование выходного сигнала U измерительной цепи в ответ на каждый импульс питания

где L₁ - величина индуктивности первого датчика;

L₂ - величина индуктивности второго датчика.

В общем случае индуктивность любого из датчиков определится выражением

L=L₀-ΔL_k+ΔL_T,

где L₀ - индуктивность датчика при отсутствии лопатки под датчиком (ЧЭ находится в межлопаточном промежутке);

ΔL_k - величина изменения индуктивности датчика от влияния зазора между торцом контролируемой лопатки Л_k с номером k и чувствительным элементом;

ΔL_T - величина изменения индуктивности датчика от изменения температуры.

Индуктивность одновиткового вихретокового датчика уменьшается по мере прохождения торцом лопатки зоны его чувствительности и в момент нахождения торца лопатки под центром ЧЭ зависимость L(t) имеет экстремум, при этом изменение индуктивности датчика от взаимодействия с лопаткой достигает наибольшей величины ΔL_{k max}.

С учетом принятого размещения датчиков, если Л_k находится в зоне чувствительности Д₁, то ЧЭ датчика Д₂ находится между лопатками Л_K-(k+P+1) и Л_K-(k+P) (К - количество лопаток, установленных на рабочем колесе) и, следовательно, Д₁ выполняет роль рабочего, а Д₂ - компенсационного датчиков. Через половину шага лопатка Л_K-(k+P) войдет в зону чувствительности Д₂, а Д₁ будет находиться между Л_k и Л_k+1, при этом Д₂ будет выполнять роль рабочего, а Д₁ - компенсационного датчиков.

Последовательность значений выходных сигналов U₁ в ответ на импульсы питания Е при прохождении лопаток Л_k и Л_k+1, показанных на фиг. 2, эпюра 4, находится в положительной области. Выходные сигналы U₂, соответствующие прохождению лопаток Л_K-(k+P+1) и Л_K-(k+Р) под датчиком Д₂, сдвинуты относительно сигналов U₁ на половину шага лопаток и находятся в отрицательной области.

В качестве информационных сигналов с измерительной цепи используются экстремальные значения Uэ(t). В момент прохождения торцом контролируемой лопатки Л_k с номером k под центром чувствительного элемента первого датчика индуктивности датчиков будет иметь следующие значения:

где ΔL_1kmax - величина изменения индуктивности датчика от влияния зазора между торцом контролируемой лопатки Л_k и чувствительным элементом;

ΔL_1T - величина изменения индуктивности первого датчика от изменения температуры;

ΔL_2T - величина изменения индуктивности второго датчика от изменения температуры.

В момент прохождения торцом контролируемой лопатки Л_k под центром ЧЭ второго датчика индуктивности датчиков будет иметь следующие значения:

В связи с идентичностью ОВТД, а также одинаковой температурой в зоне лопаточного венца при вращении колеса, можно принять

В результате экстремальные значения сигналов с измерительной цепи при прохождении лопатки с номером k центров чувствительных элементов Д₁ и Д₂ определятся следующими выражениями:

По величине Uэ_1k, Uэ_2k и имеющемуся заранее снятому семейству градуировочных характеристик как функции двух переменных

y₁=ƒ₁(U_Э1k, U_Э2k)

y₂=ƒ₂(U_Э1k, U_Э2k)

вычисляются радиальные зазоры y₁ и y₂ между внутренней поверхностью статора и торцом контролируемой лопатки k в точках установки датчиков Д₁ и Д₂.

Таким образом, достигнуто измерение зазоров в двух точках контроля с минимальным числом одновитковых вихретоковых датчиков и, соответственно, установочных отверстий в статоре ГТД при сохранении снижения влияния температуры, свойственного дифференциальной измерительной цепи. Так как ΔL_T много меньше L₀, то оставшаяся в знаменателе составляющая ΔL_T оказывает незначительное влияние на выходной сигнал, которое устраняется градуировкой датчиков с учетом температуры.

Кроме того, возможность измерять РЗ в двух точках без увеличения технических средств прототипа позволяет расширить число контролируемых параметров при испытаниях ГТД. В частности, при установке датчиков по двум координатным осям (β приблизительно равен 90 градусов), по величине радиальных зазоров y_1k и y_2k для лопатки с номером k на различных режимах работы двигателя можно оценить не совпадение осей ротора и статора, прецессию ротора, определить вектор биения ротора и др.

Способ измерения радиальных зазоров между торцами лопаток рабочего колеса в процессе его вращения и статорной оболочкой газотурбинного двигателя с помощью двух одновитковых вихретоковых датчиков с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, включенных в дифференциальную измерительную цепь, отличающийся тем, что датчики размещают в двух точках контроля, причем в каждой точке контроля устанавливают один датчик, а функции рабочего и компенсационного датчики выполняют поочередно: фиксируют экстремальное значение выходного напряжения измерительной цепи при прохождении центра чувствительного элемента первого датчика торцом контролируемой лопатки; фиксируют экстремальное значение выходного напряжения измерительной цепи при прохождении центра чувствительного элемента второго датчика торцом контролируемой лопатки; радиальный зазор между статором и торцом контролируемой лопатки вычисляют в двух точках контроля по зафиксированным экстремальным значениям напряжения измерительной цепи и заранее снятым градировочным характеристикам.