УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА МЕЖДУ КОНЦАМИ ЛОПАТОК ВРАЩАЮЩЕГОСЯ РОТОРА И СТАТОРОМ ТУРБОМАШИНЫ
DEVICE FOR MEASURING RADIAL CLEARANCE BETWEEN ROTATING ROTOR BLADE TIPS AND STATOR OF TURBINE MACHINE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для измерения радиальных зазоров между торцами лопаток вращающегося ротора и статором турбомашины.
Известные устройства для измерения радиального зазора используют эндоскоп бокового зрения, который через отверстие в статоре вводится в проточную часть турбомашины и формирует изображение зазора между статором и концами рабочих лопаток измеряемой ступени. При этом область зазора освещается через собственный канал подсветки эндоскопа, плоскость фокусировки эндоскопа совпадает с ближними к нему (передними или задними) кромками рабочих лопаток, а изображение зазора регистрируется фотоаппаратом, установленным на окулярной части эндоскопа /см., например, журнал «Авиационная промышленность», №9,1978 г., с.23, «Фотографирование радиального зазора между рабочими лопатками и корпусом турбины ГТД»/.
Однако под влиянием ряда факторов, при вращении, ротор турбомашины смещается относительно статора в осевом направлении. Осевое смещение ротора приводит к изменению расстояния между эндоскопом и рабочими лопатками, что вызывает изменение масштаба изображения. Это вносит дополнительную погрешность при измерении зазора.
Для снижения данной погрешности при измерении зазора с помощью эндоскопа известно также устройство измерения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбомашины /см., например, а.с. №1311359, от 30.08.85 г., опубл. 10.06.2000 г./, в котором применено стробирование рабочей лопатки импульсной подсветкой. При этом определяются размеры изображения зазора возле ее дальней и ближней от эндоскопа кромок. Осевое смещение ротора вызывает различное изменение масштаба в указанных зонах. После обработки размеров изображения по приведенным алгоритмам вычисляется величина радиального зазора с учетом осевого смещения ротора.
Недостатком данного устройства является малая величина масштаба изображения, что не позволяет рационально использовать большую часть формата фоточувствительного элемента фотоаппарата. Поэтому линейное разрешение при измерении зазора данным устройством сравнительно невысокое. Это обусловлено необходимостью обеспечить значительную глубину резко изображаемого пространства, в которое должны попадать как ближняя, так и дальняя кромки рабочей лопатки. Расстояние между ними вдоль оси турбомашины составляет примерно 10-20 мм. Таким образом учет погрешности, возникающей вследствие осевого смещения ротора, сопровождается снижением точности измерений вследствие малой величины масштаба изображения зазора. Кроме того, деформация лопатки (ее кручение и изгиб) под воздействием аэродинамических факторов различным образом изменяет зазор возле ее передней и задней кромок. Вследствие этого при использовании данного устройства появляется новая погрешность измерения.
Как отмечено в описании измерения зазора из первого аналога, для повышения точности измерения радиального зазора желательно получить максимально возможное увеличение его изображения. Однако другое устройство (прототип) не позволяет осуществить это требование из-за необходимости иметь значительную глубину резко изображаемого пространства.
Целью изобретения является повышение точности измерения радиального зазора и исключение погрешности осевого смещения зазора ротора.
Поставленная цель достигается тем, что оно дополнительно содержит зонд с источником света, установленный в отверстие статора над концами лопаток для их освещения узким световым пучком, ось которого расположена в плоскости фокусировки эндоскопа и направлена в торцы рабочих лопаток.
На фиг.1 представлена схема заявленного устройства для измерения радиального зазора, на фиг.2 представлено изображение, зарегистрированное фотоаппаратом.
Устройство содержит дополнительный зонд 1 с источником света 2, который установлен в дополнительном отверстии в статоре 3, не выступая в проточную часть над рабочими лопатками 4, и освещает их концы тонким световым пучком 5, ось которого находится в плоскости фокусировки эндоскопа 6.
Свет, выходя из дополнительного зонда через отверстие в торце, рассеивается на его краях и, попадая во входной зрачок 7 эндоскопа, формирует в фотоаппарате 8 изображение этого отверстия в виде эллипса, т.к. указанное отверстие располагается под острым углом к линии визирования эндоскопа. Основная часть света проходит через отверстие без помех и попадает в проточную часть турбомашины. При вращающемся роторе рабочие лопатки пересекают световой пучок. В моменты пересечения пучка на их боковой поверхности и фасках, прилегающих к торцевой поверхности, происходит зеркально-диффузное отражение света. Некоторая его часть попадает во входной зрачок эндоскопа и формирует в фотоаппарате 8 изображение узкой освещенной зоны на рабочих лопатках. Расстояние от центра эллипса до края освещенной зоны на рабочих лопатках «В» является размером изображения зазора между их концами и торцом дополнительного зонда. Если последний установлен заподлицо с внутренней поверхностью статора, то указанное расстояние будет размером изображения радиального зазора.
0
0
Иногда на внутреннюю поверхность статора, обращенную к рабочим лопаткам, наносят покрытие из легко истираемого материала, что позволяет допустить возможность касания их торцов о статор. В этом случае торец дополнительного зонда подсветки должен быть утоплен в тело статора на величину (порядка 0,4-0,6 мм), гарантирующую отсутствие касания концов лопаток о зонд (даже если они касаются статора). Смещение торца дополнительного зонда подсветки «b» относительно внутренней поверхности статора предварительно должно быть точно измерено. При определении радиального зазора величина «b» вычитается из измеренной величины зазора между концами рабочих лопаток и дополнительным зондом подсветки.
0
м
м
м
М
0
Процедура измерения радиального зазора с помощью заявляемого устройства следующая. На этапе сборки турбомашины на статоре устанавливается дополнительный зонд подсветки. Индикатором либо  другим точным инструментом измеряется смещение торца зонда относительно статора «b». Затем определяется масштабный коэффициент увеличения эндоскопа «К». Для этого эндоскоп с фотоаппаратом устанавливается на таком же расстоянии «С» от эталонной шкалы, на котором будет удалена от него ось дополнительного зонда подсветки при проведении измерений зазора в турбомашине. При этом эталонная шкала располагается параллельно эндоскопу и находится в его плоскости фокусировки. После регистрации изображения эталонной шкалы фотоаппаратом производится его измерение и вычисление «К». К=Х/χ, где «χ» - размер эталонной шкалы, «Х» - размер ее изображения. Далее можно проводить измерения. Эндоскоп с фотоаппаратом устанавливают на статоре турбомашины и регистрируют изображение зазора между торцом дополнительного зонда подсветки и концами рабочих лопаток при вращающемся роторе. Затем измеряют величину этого изображения «В». Величина радиального зазора «b» определяется по формуле b=B/K-b.
Введение в состав измерительного устройства дополнительного зонда для подсветки радиального зазора решает обе поставленные задачи. Во-первых, при осевом смещении ротора «d» масштаб изображения радиального зазора не изменяется, т.к. расстояние между эндоскопом и наблюдаемой через него освещенной областью радиального зазора - т.е. расстояние между эндоскопом и узким световым пучком от дополнительного зонда - является постоянной величиной. Во-вторых, существенно (более чем в 10 раз) уменьшается необходимая глубина резко изображаемого пространства, которая теперь определяется диаметром светового пучка от дополнительного зонда и диаметром отверстия в его торце (и то и другое не более чем ⌀1 мм). Это дает возможность использовать не менее 50% формата фоточувствительного элемента фотоаппарата (в прежнем методе, прототип, не более 10%). Таким образом, разрешающая способность при измерении радиального зазора увеличивается не менее чем в 5 раз.