СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЛОПАТОК И РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА В ТУРБИНЕ РАБОТАЮЩЕГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF MEASURING BLADE PROFILE AND RADIAL CLEARANCE IN TURBINE OF RUNNING GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проведении стендовых и летных испытаниях газотурбинного двигателя, а также при проектировании новых силовых установок и доводки до летных испытаний и серийного выпуска.
Способ измерения профиля лопаток и радиального зазора в турбине работающего газотурбинного двигателя, заключающийся в сборке двигателя, измерении первоначального профиля формы и зазора между вершиной лопаток и корпусом по периметру, в проведении отладочных стендовых испытаний, в преобразовании зазора в амплитудно-модулированный электрический сигнал, выделении низкочастотной огибающей высокочастотного немодулированного сигнала, измерении глубины модуляции, по величине которой определяют радиальный зазор, выбранный в качестве аналога [1] (Заявка на изобретение №92008320. F02C 9/28. Розенберг С.А., Мурысев А.Н. Способ регулирования радиального зазора в турбине работающего газотурбинного двигателя. Дата публикации 1995.01.20).
Способ измерения профиля лопаток и радиального зазора в турбине работающего газотурбинного двигателя, заключающийся в сборке двигателя, измерении первоначального профиля формы и зазора между вершиной лопаток и корпусом по периметру, в проведении отладочных стендовых испытаний, в преобразовании зазора в амплитудно-модулированный электрический сигнал, выделении низкочастотной огибающей высокочастотного немодулированного сигнала, измерении глубины модуляции, по величине которой определяют радиальный зазор [2] (№2237866, G01B 15/00, G01B 17/00. Оренстейн P.M. Способ и устройство для измерения зазора до вершин лопаток турбины. Дата публикации 2004.10.10), выбранный в качестве прототипа.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения профиля лопаток и радиального зазора в турбине работающего газотурбинного двигателя, заключающийся в сборке двигателя, измерении первоначального профиля формы и зазора между вершиной лопаток и корпусом по периметру, в проведении отладочных стендовых испытаний, в преобразовании зазора в амплитудно-модулированный электрический сигнал, выделении низкочастотной огибающей высокочастотного немодулированного сигнала, измерении глубины модуляции, по величине которой определяют радиальный зазор.
Недостатком данных способов [1, 2] является их низкая эффективность и информативность, связанная с измерением только одного параметра - измерение зазора, а также невозможности оценить газодинамические изменения при одновременном изменении профиля и зазора. Изменения условий истечения газодинамического потока перед турбиной может вызвать срывные процессы за компрессором и риск безопасной работы самого двигателя. Низкая эффективность способов связана и с тем, что не позволяют оценить эффективность организации горения перед турбиной, экологическую и эксплуатационную безопасность.
Техническим результатом является повышение эффективности и информативности способа измерения профиля лопаток и радиального зазора в турбине работающего газотурбинного двигателя, заключающегося в сборке двигателя, измерении первоначального профиля формы и зазора между вершиной лопаток и корпусом по периметру, в проведении отладочных стендовых испытаний, в преобразовании зазора в амплитудно-модулированный электрический сигнал, выделении низкочастотной огибающей высокочастотного немодулированного сигнала, измерении глубины модуляции, по величине которой определяют радиальный зазор, при этом дополнительно формируют второй амплитудно-модулированный электрический сигнал, выделяют и измеряют сдвиг фаз и направление сдвига или временные интервалы между низкочастотными огибающими двух сигналов, по величине которых определяют изменение профиля от первоначальной формы и зазора от вершины лопаток при одновременной регистрации температуры, газодинамических и центробежных сил, вызывающих эти изменения, при этом измеряют диэлектрическую проницаемость, в сравнении указанных величин с величинами до испытаний и суждении по величине которых об экологической и эксплуатационной безопасности и пригодности к летной эксплуатации.
В предлагаемом способе формируют первый и второй амплитудно-модулированный электрический сигнал, выделяют и измеряют сдвиг фаз и направление сдвига или временной интервал между низкочастотными огибающими двух сигналов, по величине которых определяют изменение профиля от первоначальной формы и зазора вершины лопаток при одновременной регистрации температуры, газодинамических и центробежных сил, вызывающих эти изменения, при этом измеряют диэлектрическую проницаемость, в сравнении указанных величин с величинами до испытаний и суждении по величине которых об экологической и эксплуатационной безопасности и пригодности к летной эксплуатации.
Лопатки в процессе эксплуатации, в какой-то степени изменяют свою форму и размеры, т.е. деформируются, при этом лопатки восстанавливают или не востанавливают свою форму и размеры после прекращения действия внешних сил. Измерение отклонений упругопластической или остаточной деформации позволяет оценить внутренние перенапряжения и по величине отклонений судить о пригодности к летной эксплуатации. Оперативность контроля и измерения особенно важна при разработке новых силовых установок и их доводки для перспективных летательных аппаратов. При этом снижается трудоемкость доводки и уменьшаются затраты времени на создание двигателя.
m
p
m
m
На фиг.1 представлена блок-схема, реализующая способ измерения зазора и профиля лопаток, фиг.2а, б - иллюстрация резонансных кривых изменения напряжения от немодулированной частоты U=f(ω)) в направлении изменения зазора U=f(d) или профиля U=f(S) в некоторые во времени (фиг.2в, г, д).
о
Д
М
ИК
1М
2М
Устройство содержит ВЧ генератор 1, резистор связи 2, первый 3 и второй 4 измерительный контур, содержащий катушку индуктивности 5, конденсатор 6 емкостью С для настройки контура на резонансную частоту с параллельно включенным емкостным датчиком 7, состоящий из последовательного соединения конденсатора С 8 и модулирующего конденсатора С 9, одной из обкладок является вершина лопатки 10, другой - неподвижные пластины 11 и 12, установленные на корпусе двигателя 13, турбину 14, первый и второй демодулятор 15, первый и второй амплитудный детектор 16, измерительно-вычислительный комплекс 17, дисплей 18, датчик температуры 19, датчик давления 20, многоканальную систему связи 21. Сущность способа состоит в преобразовании величины изменения зазора и профиля лопатки от первоначальной формы в амплитудно-модулированный сигнал и в выделении низкочастотной огибающей ВЧ напряжения, в преобразовании параметров сигналов в форму, удобную для обработки и определения величины изменение зазора и профиля относительно первоначальной величины. С высокочастотного генератора 1 через резистор 2 напряжение поступает на измерительный LC контур 3. Амплитуда напряжения U на измерительном контуре 3 и 4 определяется модулем коэффициента передачи А, являющимся функцией параметров измерительной схемы (системы) 3, эквивалентной потерям в протекающем газодинамическом потоке через зазоры в конденсаторах С и С, образованном между вершиной лопатки и корпусом двигателя. Модуль коэффициента передачи А определяется по формуле
Г
ИК
где Z - полное сопротивление измеряемой нагрузки 3, R - сопротивление резистора 2, U, U - соответственно амплитуда сигнала генератора и на измерительном контуре; или
К
Д
1М
о
Д
1М
К
изм
0
изм
где L - индуктивность катушки 5 и С=(С//С)+С - полная емкость контура нагрузки, 6 и 7, С - емкость конденсатора с изоляционным диэлектрическим слоем 8, С - емкость первого модулирующего конденсатора 9 [А.А.Брандт. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1963 г. С.15-21]. С=С+С, где С - полная емкость измерительного емкостного датчика - 7, определяемая по формуле
0
ПС
Д
3
Д
Д
м
М
Д
где  ε - электрическая постоянная в вакууме; ε - диэлектрическая постоянная продуктов сгорания; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d - воздушный зазор; d - толщина диэлектрического слоя; С - емкость конденсатора, образованного диэлектрическим слоем между неподвижной обкладкой 10 и С; С - емкость модулирующего конденсатора, образованная между подвижным электродом (торцом лопатки и С; S - площадь обкладки конденсатора форма торца лопатки).
T
T
ИК
Турбина - модулятор 14 при числе оборотов, соответственно n (об/мин) и числе лопаток N модулирует напряжение U на частоте Ω на измерительном контуре 3, на котором формируется первый амплитудно-модулированный сигнал вида
ИК
M
где U(t) - мгновенное значение напряжения; U - амплитуда немодулированного напряжения; m - коэффициент амплитудной модуляции; ω - угловая частота немодулированной несущей, Ω - частота модуляции, определяемая по формуле
.
В процессе работы ГТД на лопатки ротора турбины ГТД воздействуют высокотемпературный газовый поток и центробежные силы, при этом изменяется радиальный зазор и возможно профиль лопаток от первоначальной формы. При достаточной надежности лопаток зазор должен быть постоянный и равномерный по периметру.
1М
Вследствие зависимости лопаток от температуры газового потока, частоты вращения ротора турбины изменяется емкость С модулирующего конденсатора 9 от изменения зазора и формы лопаток. При этом изменяется амплитуда и глубина модуляции - m. При наличие индуктивной и емкостной связи контуров на измерительном контуре 4 также появится напряжение,  модулированное по амплитуде с фазовым сдвигом. Демодуляторами 15 выделяется низкочастотная огибающая немодулированного сигнала огибающей ВЧ напряжение
1M
2M
K
0
M
Д
Если изменение емкости модулирующих конденсаторов C и C удовлетворяет условию  то амплитуда модуляции ВЧ сигнала на контуре 3 и 4 пропорциональна первой производной модуля коэффициента передачи , где C - полная емкость измерительного контура, равная сумме С и (C//С) емкостей.
К
Первая производная модуля А по емкости С измерительного контура (крутизна характеристики) определяется выражением
или
К
∗
где С - значение емкости контура, соответствующее резонансу при исходном зазоре, С - значение емкости контура, соответствующее отклонению от резонансной частоты при изменении зазора или профиля лопатки.
К
1M
2M
1MAX
1MIN
2MAX
2MIN
Из уравнений (1), (7), (8) получаем выражение, связывающее отклонение ΔС емкости измерительного контура от резонансного значения в моменты изменения зазора с напряжением на выходах демодулятора 15 U; U и амплитудного детектора 16 (U; U) и (U; U).
,
где S - крутизна преобразования, .
K
B
ГП
При неправильной организации горения топлива с заданным расходом G в воздухе G и изменяется полнота сгорания, изменяется диэлектрической проницаемости ε продуктов сгорания. Уравнение (2) можно записать в виде  откуда
K
с учетом выражения (9) получаем выражение для проводимости g, эквивалентной потерям в газовом потоке продуктов сгорания на выходе турбины
.
K,
м
к
3
Сигналы, пропорциональные g формируются напряжениями на контуре 3 и 4, поступающие в измерительно-вычислительный комплекс 17, в котором функционально объединены с помощью многоканальной системы средства измерений 19, 20, 21. Программное обеспечение ИВК17 в соответствующей последовательности выполняет все математические операции, пропорциональные U/U. Учитывая, что мнимая составляющая ε'' диэлектрической проницаемости, связана с проводимостью g соотношением  где С* - рабочий диапазон измерительного датчика 9, определяемый изменением зазора и профиля относительно первоначальной величины: .
Таким образом предлагаемый способ с помощью устройства на фиг.1 позволяет измерить диэлектрические характеристики продуктов сгорания ε' и ε'' и изменение зазора и профиля относительно первоначальной величины между лопаткой и корпусом:
1)  - величину изменения зазора, величину относительного изменения δ и  (фиг.2.в, г),
2) изменение профиля лопатки (см. фиг.2) по изменению площадей перекрытия обкладок конденсатора 9:  и ,
1M
2M
1M
2M
где ΔS, ΔS - изменение площади перекрытия вытекает из условия геометрического смысла выпуклости или вогнутости лопатки, удвоенной площади конденсаторов C и C, где 1, h - основание и высота треугольника (фиг.2д, е)
3) по величине  оценить экологическую безопасность.