УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУЧЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА
APPARATUS FOR MEASURING TORSION OF ROTATING SHAFT

Область техники
Настоящее изобретение относится к измерению кручения вращающегося вала и, в частности, к устройству, которое имеет небольшой вес и высокую точность и которое обеспечивает возможность измерения непосредственно кручения вращающегося вала и, предпочтительно, вывода из него передаваемого валом крутящего момента. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность непрерывного мониторинга нахождения значения кручения ниже критического значения, при превышении которого возможна поломка. Изобретение применяется, в частности, для измерения кручения вала вентилятора в турбореактивном двигателе самолета, однако его можно применять в принципе также в других силовых системах, в частности в турбореактивном двигателе, имеющем два вращающихся в противоположных направлениях пропеллера.
Предшествующий уровень техники
В турбореактивном двигателе с двойным потоком нет устройства для измерения непосредственно кручения вала «низкого давления», который приводит в действие вентилятор. Тем не менее, такая информация полезна не только для мониторинга работы турбореактивного двигателя, но также для прогнозирования неисправностей.
Такой турбореактивный двигатель обычно снабжен механическим устройством для измерения крутящего момента, обеспечиваемого турбиной.
Это устройство имеет большой вес и не очень большую точность.
Известен документ WO 2004/067215, где описано электромагнитное средство для измерения кручения вала.
Краткое описание существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание оптического устройства для измерения кручения вращающегося вала.
В частности, предлагается устройство для измерения кручения вращающегося вала, в частности приводного вала, при этом устройство содержит генератор лазерного луча, два поляризующих фильтра, закрепленных на валу и расположенных на расстоянии друг от друга, и приемник лазерного излучения, при этом генератор установлен так, что излучаемый им лазерный луч проходит через оба фильтра и приемник установлен с возможностью приема лазерного луча после его прохождения через оба фильтра, при этом устройство отличается тем, что вблизи такого фильтра установлена отражательная система с целью отражения луча, который прошел через этот фильтр, и возвращения его параллельно самому себе к приемнику, и тем, что отражательная система содержит зеркало в форме усеченного конуса с углом 45°.
В предпочтительном варианте воплощения два фильтра установлены на самом валу вблизи соответствующего одного из его двух концов. Когда вал полый, то оба фильтра предпочтительно установлены внутри вала.
Согласно другому предпочтительному варианту воплощения генератор и приемник расположены перпендикулярно оси вращения вала и по обе стороны от него так, что их оптические оси находятся на одной линии. При этом другое зеркало в форме усеченного конуса с углом 45°, которое установлено на валу, расположено между излучателем и приемником.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения один из фильтров содержит кольцо, в котором чередуются поляризующие зоны и неполяризующие зоны с образованием периодической последовательности поляризаций, представляющих измеренное значение и опорное значение.
Это обеспечивает своего рода калибровку для системы измерения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает продольный разрез половины турбореактивного двигателя с двойным потоком, снабженного устройством для измерения кручения согласно изобретению;
фиг.2 изображает фрагмент верхней по потоку части устройства в увеличенном масштабе;
фиг.3 изображает фрагмент нижней по потоку части устройства в увеличенном масштабе;
фиг.4 изображает схему измерения опорного значения и
фиг.5 изображает схему измерения значения, представляющего кручение вала.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.1-3 изображены основные узлы турбореактивного двигателя 11 самолета с двойным потоком, а именно в направлении потока сверху вниз, - вентилятор 13, компрессор 15 низкого давления, компрессор 16 высокого давления, камера 19 сгорания, турбина 21 высокого давления и турбина 23 низкого давления. Турбина низкого давления соединена с полым осевым валом 25 в направлении оси Х, который приводит во вращение ротор вентилятора 13.
Все эти элементы хорошо известны и не требуют подробного описания.
Главной задачей изобретения является непрерывное измерение угла кручения вала 25. Этот вал представляет в целом трубчатую структуру, которая в данном варианте выполнения облегчает установку компонентов измерительного устройства согласно изобретению.
Устройство содержит генератор 27 лазерного луча, первый поляризующий фильтр 29, второй поляризующий фильтр 31 и приемник 33 лазерного излучения типа фотоэлектрической ячейки. Оба фильтра закреплены на валу 25. Они предназначены для прохождения через них лазерного луча. Первый фильтр 29, через который сначала проходит лазерный луч, расположен вблизи верхнего по потоку конца вала (на стороне вентилятора), в то время как второй фильтр 31, проходимый вторым, расположен вблизи нижнего по потоку конца вала (на стороне турбины высокого давления).
В целом генератор 27 установлен согласно изобретению так, что лазерный луч проходит через оба фильтра, и приемник 33 установлен так, чтобы принимать луч после его прохождения через оба фильтра.
d
Кроме того, вблизи одного из фильтров (указанного здесь второго фильтра) установлена (в этом примере ниже по потоку) отражательная система 35 с целью отражения луча, который прошел через этот фильтр, и возвращения его параллельно самому себе к приемнику 33. Эта часть устройства показана на фиг.3. А именно второй поляризующий фильтр 31 и отражательная система 35 расположены на общей опоре 39, установленной внутри вала 25 вблизи нижнего по потоку конца, т.е. на стороне турбины 23. Установленная в осевом направлении сверху вниз по потоку эта опора 39 несет второй поляризующий фильтр 31 и зеркало в форме усеченного конуса под углом 45° относительно оси Х вращения. Следовательно, лазерный луч F, проходящий первый раз через поляризующий фильтр 31 на расстоянии  от оси Х вращения, дважды отражается и возвращается параллельно самому себе в направлении, которое симметрично относительно оси Х вращения.
На стороне верхнего по потоку конца вала 25 напротив друг друга перпендикулярно оси Х вращения указанного вала и по обе стороны от него расположены генератор 27 и приемник 33. Таким образом, их оптические оси находятся на одной линии, и другое зеркало 43 в форме усеченного конуса, установленное в осевом направлении на валу 25, расположено между излучателем и приемником. Вблизи этого верхнего по потоку конца вала расположена без возможности вращения вместе с валом опора 45, несущая сверху вниз по потоку это зеркало 43 в форме усеченного конуса и первый поляризующий фильтр 29.
Такое расположение позволяет направлять лазерный луч F, излучаемый генератором, к первому поляризующему фильтру 29 параллельно оси Х и обеспечивает отражение луча обратно к приемнику 33 после прохождения второй раз через первый поляризующий фильтр 29.
Прозрачный экран 46 расположен поперек выше по потоку от вала с целью исключения выхода взвеси масла и загрязнения оборудования.
Между генератором 27 и зеркалом 43 и между зеркалом 43 и приемником 33 лазерный луч проходит через отверстия 49, которые образованы в диске вентилятора.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения один из фильтров, в данном случае первый фильтр 29, включает кольцо, в котором имеются попеременно поляризующие зоны 51 и неполяризующие зоны 52, что обеспечивает возможность получения периодической последовательности поляризаций, представляющих соответственно измеренное значение и опорное значение.
Ниже приводится описание работы со ссылками на фиг.4 и 5.
Генератор излучает луч перпендикулярно оси вращения, при этом луч направляется к зеркалу 43 в форме усеченного конуса. Поэтому он возвращается параллельно оси Х. Этот луч проходит первый раз через первый фильтр 29, который расположен выше по потоку, а затем через второй фильтр 31, который расположен ниже по потоку. Он дважды отражается зеркалом 35 в форме усеченного конуса и возвращается параллельно самому себе. Он проходит еще раз через второй фильтр 31 и затем через первый фильтр 29, прежде чем быть отраженным последний раз к приемнику 33. Первый фильтр имеет четыре сектора 51, 52, занимающих каждый 90° и имеющих следующие поляризации:
- вертикальную поляризацию;
- без поляризации;
- горизонтальную поляризацию и
- без поляризации.
0
0
Пусть I будет интенсивностью лазерного луча, излучаемого генератором 27. Когда угловое положение вала 25 относительно луча соответствует показанному на фиг.4 положению (без ослабления первым фильтром), то значение интенсивности, измеряемое приемником 33, представляет опорное значение, которое не превышает I/2.
Когда угловое положение вала 25 относительно луча F соответствует показанному на фиг.5 положению, то измеренное значение интенсивности является функцией опорного значения и угла θ кручения.
2
Таким образом, приемник 33 принимает изменяющийся сигнал. Отношение минимального значения к максимальному значению этого сигнала пропорционально sin(2θ). Таким образом обеспечивается непосредственно получение угла θ кручения. Кроме того, частота этого сигнала представляет скорость вращения вала. Зная скорость и кручение (и тем самым крутящий момент), можно непрерывно определять механическую мощность, передаваемую валом.