СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТЯГИ ВИНТА ЗАКАПОТИРОВАННОЙ ВИНТОВЕНТИЛЯТОРНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
METHOD OF NONCONTACT MEASURING OF SCREW TRACTIVE FORCE IN COWL SCREW-FAN SYSTEM

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения силы тяги винта винтовентиляторной силовой установки (ВВСУ) с винтом изменяемого шага, закапотированным кольцевым обтекателем, а также диагностики опасного значения зазора между торцом лопасти и капотом. Измерения проводят в рамках единого метода преобразования, на основе единых технических средств, путем бесконтактного измерения составляющих многокоординатных смещений торца лопасти винта посредством кластерного одновиткового вихретокового датчика (КОВТД). (Лопасти могут быть выполнены как из электропроводного материала, так и из неэлектропроводного. Торцы лопастей из неэлектропроводного материала снабжаются накладками из материала с высокой электропроводностью (например, из медной фольги)).
Сила тяги образуется на винте ВВСУ за счет реактивного действия отбрасываемой лопастями массы воздуха, проходящего через плоскость его вращения. Лопасть управляется специальным механизмом разворота, который в зависимости от выбранного режима работы ВВСУ устанавливает ее торец под определенным углом к плоскости вращения винта.
Измерение силы тяги винтов обычно проводят только на стенде с помощью силоизмерителя по деформации упругого элемента, закрепленного на неподвижной опоре. В бортовых условиях сила тяги оценивается косвенно по параметрам режима работы двигателя и скорости полета.
Известен способ измерения силы тяги авиационного двигателя в составе самолета и устройство для его осуществления по патенту РФ №2027981 авторов Антонова О.Н. и Питько В.В.
Сущность изобретения заключается в том, что воздушное судно устанавливают на специальную платформу, оборудованную датчиком силы, измеряющим горизонтальную составляющую тяги. Путем тригонометрических вычислений определяют угол наклона оси двигателя, изменения его при смене режимов и вводят поправку на измерение тяги датчиком силы. Существенным недостатком данного способа является невозможность определения силы тяги силовой установки в полете.
Известен также способ измерения многомерных перемещений и обнаружения колебаний торцов лопаток ротора турбомашины по патенту №2272990, предложенный Институтом проблем управления сложными системами РАН. Суть способа заключается в том, что с торцами лопаток работающей турбомашины вводят во взаимодействие три одновитковых вихретоковых преобразователя. Размещают преобразователи на статоре турбомашины таким образом, что при всех возможных смещениях в радиальном и осевом направлениях контролируемый торец лопатки на каждом обороте оказывается в зоне чувствительности всех преобразователей одновременно. Преобразователи возбуждают последовательностями импульсов, синхронизированных с вращением турбомашины, и по значениям выходных сигналов всех преобразователей, полученных для одного и того же момента времени, определяют значения смещений торцов лопаток в трех направлениях относительно положения, характерного для квазистатического состояния, при котором на лопатках не возникают аэродинамические усилия при тех же углах поворота ротора.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что лопасть винта рассматривают как упругий элемент силоизмерительной системы, а силу тяги оценивают по деформации лопасти, приводящей к смещению ее торца в рабочем режиме относительно положения, соответствующего квазистатическому режиму, на котором сила тяги отсутствует при таких же угловых положениях вала винта. Деформация лопасти зависит от ее конструктивных параметров, упругих свойств материала, из которого выполнена лопасть.
Оценка силы тяги ВВСУ базируется на модели изгиба лопасти под действием силы тяги, определяемого на основе результатов измерения смещений торца лопасти. Составляющие смещений торца в осевом направлении, в направлении вращения, а также в радиальном направлении (радиальный зазор) вычисляют по результатам совокупных многоканальных измерений. Кроме оценки силы тяги, в рамках того же способа определяют частоту вращения винта и проводят диагностику опасных значений радиального зазора между торцом лопасти и капотом. Измерение координатных составляющих смещения торца лопасти винта осуществляют с помощью кластерного одновиткового вихретокового датчика с тремя чувствительными элементами (ЧЭ), относительное положение которых образует фигуру равностороннего треугольника [Райков Б.К. Кластерный вихретоковый датчик для измерений смещений торцов лопастей винтовентилятора по трем координатам // Проблемы управления и моделирования в сложных системах / Труды VII Международной конференции, Самара, 27 июня - 01 июля 2005. - с.175-180]. Расположение ЧЭ в апертуре такого датчика обеспечивает определение параметров движения торца лопасти на всех режимах работы ВВСУ с положительным вектором тяги - от раскрутки при запуске до крейсерского режима. Датчик размещают на внутренней обечайке капота ВВСУ в плоскости вращения лопастей винта таким образом, чтобы торец лопасти в процессе движения по своей траектории на любых режимах при некоторых угловых положениях винта оказывался в зоне действия электромагнитных полей всех ЧЭ КОВТД, каждый из которых включают в самостоятельный измерительный канал.
При вращении винта торцы лопастей «проходят» мимо трех рабочих ЧЭ КОВТД. Изменение положения электропроводного торца лопасти относительно ЧЭ датчика приводит к изменению их индуктивностей, которое выражается в изменении цифровых кодов на выходе измерительных каналов. Для измерительных каналов предварительно снимают семейства градуировочных характеристик, которые связывают их выходные коды со значениями смещений торца лопасти вдоль оси вращения винта при различных смещениях в направлении, перпендикулярном оси вращения углах разворота лопасти и различных значениях радиальных зазоров между ее торцом и ЧЭ датчика.
1
2
3
При измерении искомых параметров сначала по временному интервалу между двумя соседними синхроимпульсами (импульсами штатного датчика частоты вращения) находят период вращения винта силовой установки. Период вращения винта используют для вычисления моментов времени прохождения основаниями лопастей геометрического центра (г.ц.) между ЧЭ в торцевой части КОВТД. Значения параметров смещений торца лопасти (смещение вдоль оси винта, радиальный зазор и смещение в направлении вращения винта) находят путем решения системы из трех уравнений, полученных на основе снятых экспериментально градуировочных характеристик измерительных каналов, связывающих коды аналого-цифрового преобразования естественных выходных сигналов трех измерительных каналов (С, С, С) для каждой контролируемой лопасти. В расчет принимают коды выходных сигналов измерительных каналов, полученные в один и тот же момент времени, соответствующий такому угловому положению вала винта, когда торец ненагруженной лопасти находится под центром апертуры датчика, с координатными составляющими Х, Y, Z:
При этом торец лопасти из-за ее изгиба за счет силы тяги и силы сопротивления вращению смещен относительно той виртуальной точки, в которой он должен был бы находиться при квазистатическом перемещении без создания тяги.
л
л
л
По найденным значениям координатных составляющих смещения торца определяют изгиб (деформацию) лопасти в направлении нормали к ее поверхности - d. Далее, с помощью модели лопасти как упругого элемента находят действующую на лопасть силу F=f(d). Аналогичные вычисления производят в отношении других n-1 лопастей винта. Полученные тяговые усилия по каждой лопасти складывают, а их сумму принимают за тяговое усилие винта в целом:
При этом предполагается, что за время оборота винта не происходит заметных изменений тягового усилия.
По результатам сопоставления значения измеренного радиального зазора с допустимым уровнем дают оценку безопасности работы ВВСУ.