Видеограмметрический метод бесконтактных измерений мгновенной деформации лопастей вращающихся воздушных винтов

Том ХЫУ

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

2013

№ 4

УДК 533.6.071.082.53

ВИДЕОГРАММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МГНОВЕННОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЛОПАСТЕЙ ВРАЩАЮЩИХСЯ

ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ

С. И. ИНШАКОВ, В. П. КУЛЕШ, В. Е. МОШАРОВ, В. Н. РАДЧЕНКО

Разработан видеограмметрический метод и измерительная система для бесконтактных измерений мгновенной деформации изгиба и кручения лопастей вращающихся воздушных винтов. Предложена процедура автокалибровки измерительной системы, которая проводится в каждом пуске при малых оборотах вращения винта, что позволяет отследить возможные изменения параметров измерительной системы в ходе эксперимента. Разработана процедура исключения влияния «проскальзывания» лопасти, обусловленного задержкой импульса синхронизации.

Метод применен при испытаниях двухроторного соосного винтовентиляторного движителя в аэродинамических трубах Т-104 и Т-107 ЦАГИ.

Показано, что мгновенная деформация изгиба на конце передней лопасти принимала значения от -0.5 до -4.5 мм, задней от нуля до +3 мм, а деформация кручения — от нуля до 3.3° и от -1.3° до нуля соответственно.

Ключевые слова: аэродинамические трубы, лопасти воздушного винта, деформация, бесконтактные измерения, видеограмметрия.

В газодинамике большую часть механизмов и машин составляют вращающиеся объекты. Это, в частности, компрессоры, турбины, вентиляторы, воздушные и несущие винты и другие лопаточные машины. Многие из них вращаются с высокой угловой скоростью. Под действием комплекса инерционных, аэродинамических и других нагрузок элементы этих механизмов претерпевают заметные деформации, которые могут приводить к изменению свойств ротора в целом. Поэтому измерение деформаций лопастей на разных режимах работы ротора является одной из основных задач экспериментальной аэродинамики и аэроупругости.

Перспективными для измерений деформации вращающихся объектов оказываются бесконтактные оптические методы, в частности, методы видеограмметрии [1 — 3]. Наиболее близким аналогом решения поставленной задачи является видеограмметрический метод изучения движения

РАДЧЕНКО Владимир Николаевич

старший научный сотрудник ЦАГИ

ИНШАКОВ Сергей Иванович

кандидат технических наук, начальник сектора ЦАГИ

КУЛЕШ Владимир Петрович

доктор технических наук, начальник отдела ЦАГИ

МОШАРОВ Владимир Евгеньевич

доктор технических наук, начальник сектора ЦАГИ

и деформации натурных лопастей несущего винта вертолета [2]. В этом случае значительные размеры объекта исследования (радиус 5 — 13 м) и сравнительно невысокие угловые скорости вращения (до 350 — 400 об/мин) позволили разместить измерительную головку на втулке несущего винта и оптически сопрячь поле зрения камеры с исследуемой лопастью. Но для испытаний моделей винтов или винтовентиляторов меньшего размера (200 — 500 мм), вращающихся с более высокими скоростями (5000 — 10000 об/мин), размещение измерительной головки на втулке технически невозможно.

Целью данной работы являлась разработка видеограмметрического метода бесконтактных оптических измерений геометрических параметров мгновенной деформации лопастей моделей воздушного винта или винтовентилятора, вращающегося с высокой скоростью (до 10 000 об/мин).

Метод видеограмметрии заключается в мгновенной регистрации цифрового изображения исследуемого объекта в заданный момент времени, измерении двух координат и, V каждой искомой точки изображения объекта и восстановлении по ним трех координат х, у, г этих точек в пространстве. Рабочая характеристика измерительной (видеограмметрической) системы выражается двумя уравнениями:

х =

У =

Сц + С^и + С^ + С14 г + С15 ги + С^ ^

1 -

С21 + С22и + С23У + С24 г + С25 ги + С26 гV

1 -

где Су — коэффициенты, учитывающие геометрические характеристики оптической системы,

численные значения которых могут быть найдены в процессе калибровки измерительной системы [3].

Для разрешения неопределенности задачи восстановления координат (для каждой точки три неизвестных и только два уравнения) предложено использовать априорную информацию о координате г специальных маркеров, нанесенных на поверхность объекта исследования и хорошо различимых на цифровом изображении. Координата г маркеров должна быть предварительно измерена с необходимой точностью, а при всех движениях и деформациях объекта оставаться неизменной. Ее значения участвуют в преобразованиях (1) при определении текущих значений координат х и у каждого маркера. Поэтому при выборе системы координат объекта следует ось ог ориентировать в направлении минимального возможного перемещения точек объекта.

Структурная схема разработанной специализированной измерительной системы приведена на рис. 1. В системе были использованы цифровая камера 1, импульсный осветитель 2 с блоком питания 3 и блок системы синхронизации 4, установленные жестко относительно винтового прибора. Система сбора изображений 6 была построена на базе персонального компьютера, располагалась в кабине управления и соединялась с камерой 1 цифровым кабелем длиной около 30 м.

Цифровая камера 1 типа «Видеоскан-285-2001» с монохромной матрицей разрешением 1392 х 1040 пикселей (физический размер 8.7 х 6.9 мм) и разрядностью АЦП 12 бит/пиксель была оснащена приемным объективом с фокусным расстоянием 16 мм.

Осветителем 2 служила импульсная лампа типа ИСШ-100-3М с источником питания, обеспечивавшим электрическую энергию импульса 4.6 Дж и длительность не более 10 мкс. Лампа была оснащена диффузным рефлектором диаметром 110 мм.

Разработанная видеограмметрическая система была применена при испытаниях двухротор-ного соосного винтовентиляторного движителя, передний ротор которого имел диаметр 0.64 м и содержал 12 лопастей, а задний диаметром 0.62 м — 10 лопастей. Длина лопастей переднего и заднего ротора одинакова I = 190 мм. Крутка лопасти переднего ротора равнялась -27°, а заднего 22°. Испытания винтов проводились с помощью двух соосных винтовых приборов в дозвуковой аэродинамической трубе Т-104 и трансзвуковой аэродинамической трубе Т-107 ЦАГИ.

На видимые камерой поверхности контролируемых лопастей были нанесены по 25 маркеров (по пять в пяти сечениях каждой лопасти) в виде пятнышек белой краски диаметром около 1 мм. Кроме того 6 маркеров были нанесены на основание лопасти как базовые. Поскольку металлические лопасти и элементы роторов винтового прибора имели зеркальную поверхность, во избежание

3

>

Рис. 1. Структурная схема измерительной системы

образования бликов и отражений отдельные участки поверхности были закрашены черной матовой краской. Трехмерные координаты всех маркеров в локальной системе координат лопасти были измерены инструментальными средствами.

Система синхронизации 4 была предназначена для формирования синхроимпульса в момент, когда выбранная лопасть занимает заданное положение. Для каждого ротора в системе синхронизации был предусмотрен свой канал. Бесконтактный датчик синхронизации 5 в каждом канале был выполнен в виде оптронной пары, установленной на кожухе винтового прибора, и флажка с ретроотражающим покрытием, закрепленного на соответствующем вращающемся роторе. Когда ротор оказывался в заданном угловом положении, флажок отражал свет светодиода на фотодиод оптронной пары и таким образом создавал синхроимпульс. По этому сигналу срабатывал на открытие электронный затвор цифровой камеры, а затем импульсная лампа. В результате на изображении регистрировалась лопасть с маркерами в заданном угловом положении. При этом другая лопасть оказывалась в произвольном положении, и ее маркеры на изображении, как правило, не были видны.

При испытаниях в аэродинамической трубе Т-104 винтовые приборы и все оборудование измерительной системы были смонтированы на специальной платформе (рис. 2). В аэродинамической трубе Т-107 винтовые приборы не имели общего основания и были закреплены на стенках рабочей части трубы. Оборудование измерительной системы было также установлено на стенках рабочей части. В обоих случаях габаритная оптическая схема измерительной системы имела приблизительно одинаковые параметры. Цифровая камера устанавливалась так, чтобы в ее поле зрения попадали обе контролируемые лопасти, находившиеся в заданных угловых положениях. При этом радиальные оси лопастей составляли углы 25 и 40° с направлением наблюдения. Расстояние от объектива цифровой камеры и от импульсной лампы до середины лопастей составляло около 1.4 м.

Настройка системы включала предварительную

роторов. На рис. 4 показаны правые системы координат, которые задавались для каждой лопасти так, что ось ог ориентировалась вдоль конструктивной оси лопасти, ось ох — вдоль хорды корневого сечения в направлении по потоку, а начало координат выбиралось на конструктивной оси в корневом сечении лопасти.

Для определения численных значений шестнадцати параметров С^ рабочей характеристики видеограмметрической системы (1) обычно проводят калибровку с помощью специального

Рис. 2. Размещение узлов оптической системы на платформе

Рис. 3. Рабочие изображения, полученные при синхронизации на заднюю

Задняя лопасть Передняя лопасть

Рис. 4. Системы координат лопастей (вид навстречу конструктивной оси ог) тест-объекта с маркерами, пространственные координаты которых известны [3]. Однако в данном случае проведение полноценной калибровки не представлялось возможным из-за того, что область измерения была занята самим объектом исследования и установка тест-объекта в нужных позициях была невозможна. Поэтому выполнялась так называемая автокалибровка, при которой в качестве тест-объекта выступал сам объект исследований — лопасть, трехмерные координаты маркеров на поверхности которой были заранее измерены. Определение параметров рабочей характеристики (1) производилось путем многомерной минимизации расхождений измеренных по изображениям и известных заранее координат маркеров. Частным итогом многомерной минимизации результатов автокалибровки являются значения среднеквадратических отклонений, которые могут служить оценками инструментальной погрешности измерений по координатам.

Так как маркеры в случае автокалибровки не заполняли всего пространства измерений, ее результаты оказались применимы лишь в сравнительно небольшой окрестности перемещений маркеров от исходного положения. При больших отклонениях точек погрешность измерений могла неконтролируемо возрастать. По этой причине рабочая характеристика измерительной системы определялась для каждой лопасти отдельно.

В ходе длительных испытаний под действием скоростного напора потока и высоких инерционных перегрузок маркеры частично стирались и размазывались, так что положение их видимых центров изменялось. Поэтому автокалибровка производилась в каждом пуске аэродинамической трубы на малых оборотах вращения роторов (не более 150 об/мин) и ее результаты использовались для обработки изображений только текущего пуска. Такая периодическая автокалибровка показала, что оценки инструментальной погрешности имели в ходе испытаний тенденцию к увеличению, но максимальная их величина не превысила 0.1 мм.

Особенностью работы системы синхронизации явилось запаздывание момента срабатывания импульсной лампы от момента прохода флажка мимо оптронной пары на постоянную величину около 40 мкс. В результате этого наблюдалось явление «проскальзывания», при котором угловое положение лопасти в момент регистрации изображения не соответствовало заданному и к тому же зависело от скорости вращения ротора. Это приводило к наблюдаемым смещениям всех маркерных точек лопасти на величину, многократно превосходящую искомую деформацию.

Для исключения влияния «проскальзывания» была разработана методика, согласно которой перед испытаниями проводилась разметка углового положения каждой исследуемой лопасти. Для этого одна и другая лопасти поочередно отклонялись от заданного положения на заданные углы Дф = -10, -5, 0, +5 и +10° и регистрировались соответствующие изображения. При обработке этих изображений были найдены зависимости линейных и угловых приращений наблюдаемых положений сечений лопасти от отклонений угла Дф.

Сделав предположение, что деформации лопасти по оси максимальной жесткости ох пренебрежимо малы, а наблюдаемые значения смещений Д х по этой оси обусловлены только угловым «проскальзыванием», оказалось возможным построить зависимости приращений Ду0 (Д х) и

Да0 (Д х) от наблюдаемых смещений Д х. Исключение влияния «проскальзывания» при обработке

рабочих изображений осуществлялось определением наблюдаемых смещений Дх, вычислением поправок Ду0 и Да0 по найденным зависимостям и вычитанием этих поправок из наблюдаемых значений изгиба Ду и кручения Да.

Недостатком подготовки лопастей оказалось то, что базовые маркеры, нанесенные в основании лопасти при г = 0 на плоскость, перпендикулярную конструктивной оси лопасти, и видимые камерой под другим углом зрения, на изображениях получились значительно большего размера и погрешность определения координат их центров — недопустимо высокой. Поэтому это сечение было исключено из рассмотрения, а деформации изгиба и кручения каждой лопасти были приведены к следующему сечению с относительной координатой г/1, равной для лопасти

переднего ротора 0.081, а для лопасти заднего ротора 0.054.

Испытания проводились в аэродинамической трубе Т-104 при числе Маха набегающего потока до 0.3 и угловой скорости вращения роторов до 7486 об/мин, а в аэродинамической трубе Т-107 при М от 0.68 до 0.8 и угловой скорости вращения от 5700 до 7130 об/мин (всего более 190 пусков). В каждом пуске изображения регистрировались не только на заданных режимах,

но также на малых оборотах во время остановки винтового прибора и без потока в трубе. Эти кадры были использованы, во-первых, для автокалибровки измерительной системы, во-вторых, для контроля результатов измерений в предположении, что на малых оборотах без набегающего потока лопасти практически не деформированы.

Обработка изображений производилась после эксперимента в пакетном режиме с помощью комплекта специализированных программ. Она включала следующие основные процедуры: фильтрацию изображений, определение координат и, V центров маркеров на изображениях, преобразование координат и, V согласно рабочей характеристике (1) в координаты х, у локальной системы координат. Полученные результаты группировались по сечениям и привязывались к конструктивной оси лопасти, в результате чего определялись наблюдаемые линейные смещения и угол поворота каждого сечения на заданном режиме. После выполнения процедуры исключения влияния «проскальзывания» получались результирующие значения деформации изгиба Лу и кручения Ла в сечениях относительно неподвижного состояния Лф = 0 при разметке угловых положений лопастей.

Обработка режимов малых оборотов в 187 пусках показала, что среднеквадратическое отклонение от нуля результатов измерений изгиба не превышало 0.07 мм, а кручения — 0.08 градуса.

На рис. 5 для примера приведены графики выборочных результатов измерений деформации изгиба лопастей переднего (а) и заднего (б) роторов для одного пуска в аэродинамической трубе Т-107 (М = 0.72, 0.75, 0.78 и п1 = п2 = 7132 об/мин), а на рис. 6 — деформации кручения лопастей на тех же режимах. На графиках отдельной точкой представлены также результаты расчета статической деформации задней лопасти в концевом сечении. Если принять во внимание, что измеренная деформация включала помимо статической, еще и динамическую составляющую,

АУ,

мм о

-0.5 -]

-1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5

\

N

и = 7132 об/мин

— — М-0.72 .- М = 0.75 — М = 0.78 • Расчет 1 1

а)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 г, ММ

Рис. 5. График деформации изгиба лопастей переднего (а) и заднего (б) роторов в аэродинамической трубе Т-107 при частоте вращения 7132 об/мин Да

а)

град

1.2

I

0.8 0.6 0.4 0.2 О -0.2 -0.4

Да, град 0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

0

-0.8

I

-1.2

-1.4

б;

1 1 п - 7132 об/мин

— М - 0.72 -о- М-0.75 М - 0.78 1

20

40

60

80

100

120 140

160

180 г, ММ

я = 7132 об/мин

-* М = 0.72 -О- М = 0.75 М = 0.78 • Расчет

20

40

60

80

100

120

140

160

180 ~ ММ

Рис. 6. График деформации кручения лопастей переднего (а) и заднего (б) роторов в аэродинамической трубе Т-107 при частоте вращения 7132 об/мин

то наблюдаемое соответствие можно считать удовлетворительным. Результаты измерений деформации изгиба и кручения лопастей в аэродинамической трубе Т-104 имеют сходные характер и величины.

Анализ результатов всех режимов испытаний показал, что эпюра мгновенной деформации изгиба передней лопасти имеет саблевидную форму с подъемом до +1.5 мм в сечении г ~ 80 мм и прогибом от -0.5 до -4.5 мм на конце. Деформация изгиба задней лопасти односторонняя и доходит на конце до +3 мм. Деформация кручения передней и задней лопастей в концевом сечении находится в зависимости от режима в диапазоне углов от нуля до +3.3° и от -1.3° до нуля соответственно. Различие в знаках деформаций для передней и задней лопасти обусловлено тем, что обе системы координат правые, в то время как лопасти имеют противоположные конструктивные крутки и направления вращения. В обоих случаях концы лопастей изгибаются в сторону действия силы тяги ротора, а деформация кручения направлена на уменьшение конструктивной крутки лопастей.

В целом, деформации изгиба и кручения лопастей переднего и заднего ротора монотонно возрастают с ростом скорости вращения. При скоростях вращения меньших 5500 об/мин проявляется зависимость от скорости набегающего потока, а при больших — явной зависимости не наблюдается.

В заключение отметим, что в рамках работы был разработан видеограмметрический метод и создана специализированная измерительная система для бесконтактных измерений геометрических параметров мгновенной деформации лопастей быстровращающихся роторов. При этом предложена и впервые опробована на практике процедура автокалибровки видеограмметриче-

ской системы, при которой в качестве тест-объекта использован сам объект исследований, трехмерные координаты маркерных точек на поверхности которого измерены с необходимой точностью. Автокалибровку целесообразно проводить неоднократно в ходе испытаний при малой скорости вращения ротора для того, чтобы отслеживать возможные изменения параметров рабочей характеристики измерительной системы.

Показано, что среднеквадратическая инструментальная погрешность измерений перемещений маркерных точек по каждой из двух координат не превышает 0.1 мм, среднеквадратическая погрешность измерения параметров деформации изгиба 0.07 мм, а кручения — 0.08 градуса.

Также предложена и применена методика компенсации составляющей погрешности, обусловленной непостоянством углового положения ротора на разных скоростях вращения вследствие конечной величиной времени задержки импульса синхронизации.

Следует отметить то, что разработанный метод и измерительная система дают мгновенные значения деформации лопасти, включающие как статическую, так и динамическую составляющие. И разделить эти составляющие, тем более разрешить вопрос о корреляции переменной составляющей с угловым положением ротора, в рамках этой работы не представлялось возможным. Поэтому данную работу следует рассматривать как первый этап в создании методики бесконтактных исследований статической и динамической деформации лопастей вращающихся роторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. КулешВ. П., ФоновС. Д. Измерение параметров движения и деформации модели самолета в аэродинамической трубе методом видеограмметрии // Ученые записки ЦАГИ. 1998. Т. XXIX, № 1 — 2, с. 165 — 176.

2. B o snj ako v S. M., Kul e sh V. P., F o no v S. D. et al. Videogrammetric system for studying of movement and deformation of real-scaled helicopter rotor blades // SPIE. 1999. V. 3516, 0277-786X/99, Part One, p. 196 — 209.

3. Кулеш В. П. Бесконтактные измерения геометрических параметров формы, движения и деформации объектов в экспериментальной аэродинамике // Датчики и системы. — 2004. № 3, с. 22 — 27.

Рукопись поступила 13/VI2012 г.