АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА МЕЖДУ ТОРЦАМИ ЛОПАТОК ВРАЩАЮЩЕГОСЯ РОТОРА И КОРПУСОМ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для определения радиальных зазоров между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины при экспериментальных исследованиях и доводке газотурбинных двигателей (ГТД).
Зазоры между вращающимися деталями ротора и неподвижными деталями статора играют важную роль при работе ГТД. С одной стороны, их размер не должен быть менее некоторой величины, гарантирующей отсутствие касания деталей на всех режимах работы, с другой стороны, увеличение зазоров приводит к снижению эффективности турбомашины. Для оптимизации величины зазора на всех режимах работы ГТД используются системы регулирования, использующие принудительные изменения геометрических размеров корпусов за счет их соответствующих механических или температурных деформаций. Для успешного решения задачи активного регулирования зазоров необходимо экспериментально определять их поведение при изменении режимов работы ГТД.
Известны устройства для измерения зазоров при разных режимах работы узлов турбомашин в стендовых условиях, реализующие эндоскопический метод измерения, основанный на получении, с помощью эндоскопа и фотоаппарата, фотографического изображения зазора с известным масштабом, размер которого может быть легко измерен. Этот метод описан в статье Земцова Н.П. «Фотографирование радиального зазора между рабочими лопатками и корпусом турбины ГТД», журнал «Авиационная промышленность», 1978 г., №9, стр.37.
Однако при работе ГТД, из-за температурных и силовых деформаций, происходит перемещение лопаток ротора относительно корпуса в осевом направлении, что приводит к неопределенному изменению расстояния между эндоскопом и рабочими лопатками, что приводит к изменению масштаба изображения, снижающему точность измерения зазора.
Известен способ и устройство его реализующее, где измерение величины зазора, учитывающий это изменение путем получения с помощью стробоскопической подсветки изображения торца лопатки в разных ее частях с разным масштабом и последующим расчетным определением истинного размера зазора (а.с. №1311359, Андреева А.В., Асланяна Э.В. и Лебедева В.А. «Способ определения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбомашины», от 10.06.2000 г.).
Однако, в высокооборотных ГТД, при измерении зазоров, с использованием стробоскопической регистрации изображения зазора, возникают дополнительные фазовые динамические погрешности. Эти проблемы устраняются в известном устройстве измерения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины газотурбинного двигателя (Э.В.Асланян, Берлов И.В., «Телеэндоскопический метод измерения в стендовых условиях радиального зазора между лопатками рабочего колеса и корпусом компрессора», Материалы научной конференции ФГУП ЦИАМ им. П.И.Баранова, от 30.11.2010 г.), где локализуется, на основе триангуляционного ограничения, область наблюдения регистрируемого зазора. Опыт эксплуатации упомянутого устройства показал, что применение охлаждаемых эндоскопических зондов, в сложно нагруженных и нагретых до высоких температур, корпусах турбинного узла современных двухконтурных ГТД, в некоторых случаях (зависящих от сложности переходных режимов работы ГТД) осложняется угловыми перемещениями конструктивной, а, следовательно, и оптической оси наблюдательного зонда относительно области зазора. Это явление, иногда, приводило к временному выходу регистрируемого изображения зазора из поля зрения наблюдательного зонда. В такие моменты измерение зазора невозможно.
Посредством гарантированного (с запасом) увеличения поля зрения изменяется масштаб изображения и уменьшается пространственное разрешение системы (число пикселей матрицы телекамеры на «мм» зазора), что также снижает точность измерения. Теоретически, применение телекамер с матрицами большего разрешения и формата могло бы решить проблему увеличения поля зрения, однако технологические ограничения, пока не позволяют промышленности в мире выпускать малогабаритные и вибростойкие телекамеры.
Целью полезной модели является повышение надежности измерения радиального зазора в высокотемпературных турбинах ГТД при сохранении точности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что адаптивное устройство измерения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины газотурбинного двигателя, содержащее эндоскоп бокового зрения, состоящий из двух перископических наблюдательного, содержащего телекамеру, и осветительного зондов, установленных в двух разнесенных отверстиях на корпусе турбины и регистратор изображения зазора, причем телекамера наблюдательного зонда снабжена дистанционно управляемым электромеханическим механизмом перемещения, обеспечивающим параллельное смещение оптической оси телекамеры относительно оптической оси наблюдательного зонда в осевой плоскости турбины.
На фиг.1 представлена схема заявленного устройства.
Во внутреннем корпусе турбины выполнены два разнесенных отверстия, местоположение которых обозначено позициями: 5 - для установки наблюдательного зонда и 6 - для установки осветительного зонда.
Оптическая система наблюдательного и осветительного зонда одинакова и состоит из перископической призмы 4, герметично заделанной в металлическую трубу, двух линз 3, между которыми, на фокусных расстояниях, установлена диафрагма 2. На другом конце трубы наблюдательного зонда 5 установлена телекамера 1, а в осветительном зонде 6, помещен мощный светодиод освещения. Отверстия в корпусе турбины, в которых расположены осветительный 6 и наблюдательный 5 зонды, разнесены на расстояние, которое определено конструктивными условиями их размещения в корпусе турбины и требованиями триангуляционного условия формирования и регистрации изображения зазора.
Расположение выходящих из призмы 4 оптических осей зондов, ориентированных на спинку лопатки 7 выбирается из условия зеркального отражения от поверхности лопатки лучей осветителя в наблюдательный зонд, т.е. угол падения равен углу отражения по отношению к нормали к поверхности в выбранной области на лопатке.
Оптические системы зондов выбраны такими, чтобы лучи формирующие поле освещения были практически параллельными, а лучи формирующие изображение на матрице телекамеры телецентрическими (с малым углом расхождения, как в телескопе). Поле освещения выбрано приблизительно в 2,5-3 раза, а поле наблюдения в 1,5 раза больше чем максимальный размер зазора (обычно это монтажный зазор не превышающий в современных ГТД - 2 мм). Наблюдательный зонд установлен так, чтобы в поле зрения телекамеры попадали: кромка вставки корпуса 8 и кромка спинки лопатки 7 у ее торца, а его оптическая ось на входе призмы 4 была параллельна внутренней поверхности вставки 8 корпуса турбины.
Таким образом, устройство формирует с известным масштабом изображение зазора при движущихся лопатках, которое далее измеряется специальной программой в компьютере.
В современных высокотемпературных ГТД корпуса турбины представляют собой сложную многослойную конструкцию, с развитой системой воздушного охлаждения, которая предопределяет возможность температурных и напряженно деформируемых перемещений компонентов корпуса друг относительно друга, в осевых направлениях двигателя (см. фиг.1). Это обстоятельство, в ряде случаев, приводит к тому, что возникают угловые перемещения оптической оси наблюдательного зонда относительно области зазора и наблюдаемый зазор уходит из формата телекамеры. Для устранения этого явления в известную конструкцию наблюдательного зонда введено дистанционно управляемое электромеханическое устройство перемещения, обеспечивающее параллельное смещение оптической оси телекамеры относительно оптической оси наблюдательного зонда в осевой плоскости турбины. Устройство состоит из направляющей платформы 12, на которой установлено перемещаемое основание 9 телекамеры 1. Основание 9 имеет, уплотненное фторопластом, резьбовое отверстие в которое вставлен винтовой шток 10. Последний соединен с выходом планетарного редуктора 11 и дистанционно управляемый реверсивный электромотор 12.
С помощью этого устройства, во время испытаний ГТД, оператор, наблюдающий на экране монитора изображение измеряемого зазора, может корректировать положение поля зрения наблюдательного зонда так, чтобы изображение зазора не выходило за границы матрицы телекамеры.