ВИХРЕТОКОВЫЙ ДАТЧИК СО СМЕЩЕННЫМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
EDDY CURRENT SENSOR WITH A DISPLACED SENSING ELEMENT

Настоящее изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения радиальных зазоров (РЗ) и осевых смещений (ОС) торцов компрессорных и турбинных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД), зубчатых колес других силовых установок и может быть использовано в авиации, газовой и нефтяной промышленности, а также других отраслях промышленности для диагностики состояния силовых установок и своевременного предотвращения аварийных ситуаций.
Известен «высокотемпературный проводниковый вихретоковый преобразователь» (Патент РФ №1394912 «Высокотемпературный проводниковый вихретоковый преобразователь», МКИ G01N 27/90, опубл. 27.08.95 г.), используемый для измерения РЗ роторов турбоагрегатов, и содержащий чувствительный элемент (ЧЭ) в виде линейного проводника, подключенного с помощью коаксиальных тоководов цилиндрической формы к вторичной обмотке согласующего трансформатора, выполненного на кольцевом ферритовом сердечнике.
Недостатком преобразователя является значительная величина магнитного потока рассеяния, снижающего его чувствительность, что является следствием выполнения вторичной обмотки трансформатора в виде одиночного витка, а также невозможность измерения данным преобразователем осевого смещения рабочих лопаток.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является одновитковый вихретоковый датчик (ОВТД) [Кластерные методы и средства измерения радиальных зазоров в проточной части турбины / В.Н. Белопухов, С.Ю. Боровик, М.М. Кутейникова и др.; под общ. ред. О.П. Скобелева. - М.: Инновационное машиностроение, 2018. - 224 с., ил.] с цилиндрической осесимметричной конструкцией (фиг. 1), содержащий согласующий трансформатор 4, токовод 5, покрытый керамической изоляцией 6, корпус 1 и чувствительный элемент в виде одиночного проводника 7, перекрывающего торец датчика в диаметральном направлении и соединенный одним концом с цилиндрической частью токовода 5, а вторым концом - с корпусом 1 датчика. Конструктивной особенностью датчика является то, что вторичная обмотка согласующего трансформатора выполнена в виде «объемного» витка, сформированного верхней (стержневой) частью токовода 5, корпусом 1 и диском 2. В результате достигнут предельно малый магнитный поток рассеяния согласующего трансформатора. Вторая положительная конструктивная особенность такого ОВТД - «монолитная» конструкция датчика за счет соединения элементов с помощью лазерной сварки 3, 8.
ОВТД применяется при реализации способа измерения РЗ между торцами рабочих лопаток и ОС рабочих колес (РК) компрессора или турбины ГТД (патент РФ №2457432 «Способ измерения радиальных зазоров и осевых смещений торцов лопаток рабочего колеса турбины», МПК - G01B 7/14, опубл. 27.07.2012 г.). Способ реализуем при использовании двух идентичных ОВТД, смещенных в направлении вращения РК на нечетное число полушагов рабочих лопаток контролируемой ступени и смещенных в противоположные стороны от центральной плоскости вращения лопаточного венца на расстояние, равное половине ожидаемого ОС колеса.
Недостатком такого ОВТД является невозможность его применения для измерения РЗ и ОС в случаях, когда отсутствует возможность разместить пару датчиков с противоположным смещением от центральной плоскости вращения контролируемого РК в связи с конструктивными ограничениями объекта (ГТД).
Целью изобретения является обеспечение возможности измерения ОС лопаточных и зубчатых колес силовых установок при измерении РЗ между торцами лопаток (зубьев) и статором в условиях конструктивных ограничений на размещение пары датчиков в центральной плоскости вращения контролируемого РК.
Указанная цель достигается тем, что для измерения ОС и РЗ лопаточных и зубчатых колес (компрессоров и турбин ГТД, а также турбонасосов, газоперекачивающих агрегатов и других силовых установок) предлагается использовать ОВТД (фиг. 2), содержащий согласующий трансформатор 4, выполненный на ферритовом сердечнике, вторичная обмотка которого представляет собой объемный виток, образованный корпусом 1, диском 2 и частью стержневого токовода, отличающийся тем, что:
- токовод 5 выполнен из двух элементов; стержневая часть токовода расположена по оси датчика, а ось цилиндрической части токовода смещена относительно центральной оси датчика на расстояние G, равное  ожидаемого ОС контролируемого объекта;
- чувствительный элемент 7 расположен в торцевой части датчика, ориентирован в плоскости центральной оси датчика и оси цилиндрической части токовода, сваркой 8 соединен одним концом с корпусом, а вторым - с цилиндрическим тоководом, центр рабочей части ЧЭ смещен относительно центральной оси датчика на расстояние G;
- корпус датчика 1 несимметричен в области цилиндрической части токовода, центр цилиндрического углубления для размещения токовода смещен на расстояние G.
На фиг. 3 представлена схема взаимодействия пары ОВТД со смещенными ЧЭ в виде отрезка проводника с зубчатым колесом при измерении ОС и РЗ, поясняющая принцип работы датчика.
На фиг. 4 представлены диаграммы изменения выходных параметров (индуктивностей) двух ОВТД со смещенными ЧЭ в виде отрезка проводника, преобразованных в напряжения и цифровой код, при взаимодействии датчиков с зубчатым колесом.
Два датчика со смещенными ЧЭ в виде линейного отрезка проводника устанавливаются на статор силовой установки в отверстия, расположенные в центральной плоскости вращения контролируемого РК. Устройство работает следующим образом. При вращении зубчатого колеса контролируемый объект (в данном случае зуб) проходит последовательно зоны чувствительности первого и второго датчиков. При прохождении зубом зоны чувствительности ОВТД индуктивность датчика за счет влияния вихревых токов уменьшается, достигая минимального значения в момент совпадения центра зуба с плоскостью ЧЭ. Этому моменту соответствует максимальный цифровой код на выходе измерительной цепи с включенным в нее ОВТД. Экстремальные значения индуктивностей датчиков (соответствующих им цифровых кодов) являются информационным параметром, по которому вычисляются ОС и РЗ.
При отсутствии ОС зуб контролируемого зубчатого колеса находится в положении А (фиг. 3). В процессе вращения колеса зуб поочередно проходит под ЧЭ1 (2) и ЧЭ2 (3). Геометрический центр торца зуба находится в плоскости вращения зубчатого колеса и равноудален от геометрических центров ЧЭ1 (2) и ЧЭ2 (3). Площадь перекрытия торцевой частью зуба ЧЭ1 (2) и ЧЭ2 (3) одинакова, а значит одинаковы и экстремальные значения индуктивностей ЧЭ1 и ЧЭ2 Lчэ1=Lчэ2 (соответствующих им цифровых кодов Счэ1=Счэ2, фиг. 4, а).
При наличии ОС и отклонении зубчатого колеса и зуба в положение В (фиг. 3), при вращении колеса произойдет смещение геометрического центра зуба относительно центров ЧЭ. При этом площадь перекрытия зубом ЧЭ1 (2) увеличится, а ЧЭ2 (3), наоборот, уменьшится. В этом случае индуктивность Lчэ1 уменьшится (код, соответствующий этому изменению индуктивности, увеличится), а индуктивность Lчэ2 - увеличится (код, соответствующий этому изменению индуктивности, уменьшится), Lчэ1<Lчэ2 (Счэ1>Счэ2, фиг. 4, б).
В случае отклонения зубчатого колеса и зуба в положение С (фиг. 3) произойдет противоположное смещение геометрического центра зуба относительно центров ЧЭ. Площадь перекрытия зубом ЧЭ1 (2) уменьшится, а ЧЭ2 (3), наоборот, увеличится. Тогда индуктивность Lчэ1 увеличится (код, соответствующий этому изменению индуктивности, уменьшится), а индуктивность Lчэ2 уменьшится (код, соответствующий этому изменению индуктивности, увеличится), Lчэ1>Lчэ2 (Счэ1<Счэ2, фиг. 4, в).
Физические значения искомых величин ОС и РЗ определяют по измеренным экстремальным значениям Lчэ1,ех и Lчэ2,ех (Счэ1,ех и Счэ2,ех) на основе заранее экспериментально снятых градуировочных характеристик [Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П., Самара: Изд-во СамНЦ РАН, 2001, 188 с].
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обеспечивает одновременное измерение ОС и РЗ лопаточных и зубчатых колес силовых установок в условиях конструктивных ограничений на размещение пары датчиков в центральной плоскости вращения контролируемого РК.