СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА МЕЖДУ ТОРЦАМИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК И СТАТОРОМ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF MEASURING RADIAL GAP BETWEEN THE ENDS OF IMPELLER BLADES AND GAS-TURBINE ENGINE STATOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения радиального зазора (РЗ) между торцами лопаток рабочего колеса (РК) и статорной оболочкой газотурбинного двигателя (ГТД) преимущественно при доводочных испытаниях в условиях высокой температуры среды в проточной части в процессе вращения РК на тех ступенях, где отсутствует осевое смещение РК или его влияние пренебрежимо мало.
Известна система измерения РЗ в компрессоре ГТД, в которой для уменьшения влияния изменений температуры окружающей среды в зоне размещения датчика реализован способ, предусматривающий размещение в каждой точке измерения двух одновитковых вихретоковых датчиков (ОВТД) с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника, включенных в дифференциальную измерительную цепь. Один из датчиков является рабочим и по изменению его информативного параметра в момент прохождения торца лопатки с номером k зоны чувствительности датчика определяется РЗ. Второй датчик является компенсационным и смещен на минимальное расстояние относительно рабочего датчика в направлении вращения лопаточного колеса так, чтобы в момент нахождения торца одной из лопаток под центром ЧЭ рабочего датчика центр ЧЭ компенсационного датчика находился в центре межлопаточного промежутка. Компенсационный и рабочий датчики имеют одинаковое конструктивное исполнение, что позволяет в дифференциальной измерительной цепи получить снижение воздействия температуры на датчики и в конечном итоге на результат измерения. (Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. - Самара, Самарский научный центр РАН, 2001, 188 с., стр. 127-130 и 65-72.)
Рассмотренный способ используется и в более современных средствах измерения РЗ. В них измерительная цепь и аналого-цифровой преобразователь объединены в один блок и размещены на предельно малом расстоянии от датчиков (С.Ю. Боровик, М.М. Кутейникова, Б.К. Райков, Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев. Измерение радиальных зазоров между статором турбины и торцами лопаток сложной формы с помощью одновитковых вихретоковых датчиков // Мехатроника, автоматизация, управление, 2013, - №10, с. 38-46).
Недостатками способа являются необходимость установки в каждой точке контроля для измерения радиального зазора двух корпусов датчиков - рабочего и компенсационного, и, как следствие, ослабление прочности статорной оболочки ГТД в точке контроля за счет двух установочных отверстий. В ГТД, предназначенных для авиации, статорная оболочка в связи с необходимостью минимизации веса имеет предельно малую толщину, следовательно, не предусмотренные при проектировании и необходимые лишь при доводочных испытаниях дополнительные отверстия для установки датчиков РЗ ослабляют расчетную прочность статорной оболочки.
Целью изобретения является измерение радиальных зазоров в двух точках контроля при сохранении снижения воздействия температуры одновитковых вихретоковых датчиков на результат преобразования, а также сокращение числа датчиков и установочных отверстий в каждой точке контроля.
Указанная цель достигается новым размещением ОВТД на статоре ГТД и дополнительными операциями обработки сигналов с измерительной цепи.
Для измерения радиальных зазоров между торцами лопаток рабочего колеса и статором газотурбинного двигателя, первый и второй одновитковые вихретоковые датчики, включенные в дифференциальную измерительную цепь, размещают раздельно в двух точках контроля над лопаточным венцом рабочего колеса на статорной оболочке газотурбинного двигателя со сдвигом в угловом направлении, благодаря чему датчики выполняют рабочие и компенсационные функции поочередно; фиксируют экстремальные значения выходного напряжения измерительной цепи при прохождении центров чувствительных элементов первого и второго датчиков торцом контролируемой лопатки; радиальный зазор между статором и торцом контролируемой лопатки вычисляют в точках контроля по зафиксированным экстремальным значениям напряжения измерительной цепи и заранее снятым градировочным характеристикам.
Измерение радиальных зазоров проводится в двух точках контроля с минимальным числом датчиков и установочных отверстий в статоре двигателя при сохранении снижения влияния температуры на процесс преобразования, свойственного дифференциальной измерительной цепи, а по результатам измерения судят об изменении положения статорной оболочки относительно рабочего колеса.
1
2
1
1
1
Для измерения используют два одновитковых вихретоковых датчика с чувствительными элементами в виде отрезка проводника Д и Д, включенные в дифференциальную измерительную цепь, которые размещают раздельно в двух точках контроля над лопаточным венцом контролируемого рабочего колеса. Угловое положение по окружности статора β первого датчика Д принимается за начальное (β равно 0).
2
1
Второй датчик Д устанавливают относительно первого Д со смещением в направлении вращения лопаточного колеса на заданный угол β (фиг. 1), отвечающий условию
β=Δβ(Р+0,5),
где Δβ - угловой шаг лопаток на контролируемом колесе;
2
1
Р - заданное число шагов, на которое смещается Д относительно Д.
Процесс преобразования выполняется во время перемещения лопаток Л относительно одновитковых вихретоковых датчиков при вращении колеса и включает подачу последовательности одиночных импульсов питания амплитудой Е (фиг. 2 эпюры 1, 2, 3) на измерительную цепь, формирование выходного сигнала U измерительной цепи в ответ на каждый импульс питания
1
где L - величина индуктивности первого датчика;
2
L - величина индуктивности второго датчика.
В общем случае индуктивность любого из датчиков определится выражением
0
k
T
L=L-ΔL+ΔL,
0
где L - индуктивность датчика при отсутствии лопатки под датчиком (ЧЭ находится в межлопаточном промежутке);
k
k
ΔL - величина изменения индуктивности датчика от влияния зазора между торцом контролируемой лопатки Л с номером k и чувствительным элементом;
T
ΔL - величина изменения индуктивности датчика от изменения температуры.
k max
Индуктивность одновиткового вихретокового датчика уменьшается по мере прохождения торцом лопатки зоны его чувствительности и в момент нахождения торца лопатки под центром ЧЭ зависимость L(t) имеет экстремум, при этом изменение индуктивности датчика от взаимодействия с лопаткой достигает наибольшей величины ΔL.
k
1
2
K-(k+P+1)
K-(k+P)
1
2
K-(k+P)
2
1
k
k+1
2
1
С учетом принятого размещения датчиков, если Л находится в зоне чувствительности Д, то ЧЭ датчика Д находится между лопатками Л и Л (К - количество лопаток, установленных на рабочем колесе) и, следовательно, Д выполняет роль рабочего, а Д - компенсационного датчиков. Через половину шага лопатка Л войдет в зону чувствительности Д, а Д будет находиться между Л и Л, при этом Д будет выполнять роль рабочего, а Д - компенсационного датчиков.
1
k
k+1
2
K-(k+P+1)
K-(k+Р)
2
1
Последовательность значений выходных сигналов U в ответ на импульсы питания Е при прохождении лопаток Л и Л, показанных на фиг. 2, эпюра 4, находится в положительной области. Выходные сигналы U, соответствующие прохождению лопаток Л и Л под датчиком Д, сдвинуты относительно сигналов U на половину шага лопаток и находятся в отрицательной области.
k
В качестве информационных сигналов с измерительной цепи используются экстремальные значения Uэ(t). В момент прохождения торцом контролируемой лопатки Л с номером k под центром чувствительного элемента первого датчика индуктивности датчиков будет иметь следующие значения:
1kmax
k
где ΔL - величина изменения индуктивности датчика от влияния зазора между торцом контролируемой лопатки Л и чувствительным элементом;
1T
ΔL - величина изменения индуктивности первого датчика от изменения температуры;
2T
ΔL - величина изменения индуктивности второго датчика от изменения температуры.
k
В момент прохождения торцом контролируемой лопатки Л под центром ЧЭ второго датчика индуктивности датчиков будет иметь следующие значения:
В связи с идентичностью ОВТД, а также одинаковой температурой в зоне лопаточного венца при вращении колеса, можно принять
1
2
В результате экстремальные значения сигналов с измерительной цепи при прохождении лопатки с номером k центров чувствительных элементов Д и Д определятся следующими выражениями:
1k
2k
По величине Uэ, Uэ и имеющемуся заранее снятому семейству градуировочных характеристик как функции двух переменных
1
1
Э1k
Э2k
y=ƒ(U, U)
2
2
Э1k
Э2k
y=ƒ(U, U)
1
2
1
2
вычисляются радиальные зазоры y и y между внутренней поверхностью статора и торцом контролируемой лопатки k в точках установки датчиков Д и Д.
T
0
T
Таким образом, достигнуто измерение зазоров в двух точках контроля с минимальным числом одновитковых вихретоковых датчиков и, соответственно, установочных отверстий в статоре ГТД при сохранении снижения влияния температуры, свойственного дифференциальной измерительной цепи. Так как ΔL много меньше L, то оставшаяся в знаменателе составляющая ΔL оказывает незначительное влияние на выходной сигнал, которое устраняется градуировкой датчиков с учетом температуры.
1k
2k
Кроме того, возможность измерять РЗ в двух точках без увеличения технических средств прототипа позволяет расширить число контролируемых параметров при испытаниях ГТД. В частности, при установке датчиков по двум координатным осям (β приблизительно равен 90 градусов), по величине радиальных зазоров y и y для лопатки с номером k на различных режимах работы двигателя можно оценить не совпадение осей ротора и статора, прецессию ротора, определить вектор биения ротора и др.