УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЗДУШНОГО ПОТОКА
DEVICE FOR MEASURING AIRFLOW CHARACTERISTICS

Область применения изобретения
[001] Данное изобретение относится к устройству для измерения характеристик воздушного потока в турбомашине, такой как испытательная турбомашина.
Уровень техники
[002] Как правило, двухконтурный турбовентиляторный двигатель 10, как показано на Фиг. 1, содержит газовую турбину 12 с осью 14 вращения, предназначенную для приведения во вращение колеса 16 вентилятора в кожухе, причем указанное колесо в целом расположено выше по потоку от турбовентиляторного двигателя. Масса воздуха, всасываемого указанным двигателем, разделяется на первичный воздушный поток (стрелка А), который протекает через газовую турбину 12 или внутреннюю часть двигателя, и вторичный воздушный поток (стрелка В), образуемый вентилятором 16 и окружающий внутреннюю часть двигателя, причем первичный и вторичный воздушные потоки являются концентрическими и циркулируют в первичном кольцевом канале 18 и вторичном кольцевом канале 20, соответственно 8.
[003] Как известно, первичный воздушный поток (стрелка А) в целом подвергается сжатию с помощью компрессора 22 низкого давления и затем с помощью компрессора 24 высокого давления, каждый из которых содержит как неподвижные 26, так и подвижные лопатки, расположенные с чередованием в направлении перемещения потока. Вал компрессора низкого давления соединен с колесом 4 вентилятора и выполнен с возможностью вращения посредством вала турбины низкого давления, расположенной ниже по потоку (не показана). Вал компрессора низкого давления выполнен с возможностью приведения во вращение посредством вала турбины высокого давления, расположенной на выпуске камеры сгорания, выше по потоку от турбины низкого давления (обе турбины не показаны).
[004] В двухкорпусном турбовентиляторном двигателе данного типа кожух вентилятора обычно представляет собой внешнюю кольцевую стенку 28, окружающую колесо 16, а промежуточный кожух 30 представляет собой конструктивный элемент турбомашины, который расположен в осевом направлении между компрессором 22 низкого давления и компрессором 24 высокого давления и проходит через первичный 18 и вторичный 20 кольцевые каналы. Этот промежуточный кожух 30 имеет две кольцевые стенки, радиально внутреннюю 32 и радиально внешнюю 34, соответственно ограничивающие, изнутри и снаружи, кольцевой канал 18 для первичного воздушного потока, и две кольцевые стенки, радиально внутреннюю 36 и радиально внешнюю 38, ограничивающие соответственно изнутри и снаружи вторичный кольцевой канал 20.
[005] При разработке турбовентиляторного двигателя для его сертификации необходимо протестировать его эксплуатационные характеристики. Для этого используют экспериментальные турбомашины. На таких турбомашинах проводят множество измерений. Характеристики аэродинамического потока, в частности, измеряют в различных осевых положениях или измерительных плоскостях 40а, 40b, 40с. Кроме того, необходима возможность проведения измерений в нескольких точках на измерительной плоскости.
[006] Для этого измерительные элементы, известные как измерительные датчики, которые располагают в измерительных плоскостях, обычно используют для определения характеристик аэродинамического потока путем измерения параметров, таких как давление и температура, к примеру, во время работы. Такое устройство 42а, 42b, 42с содержит стержень 44, на котором удерживается средство для измерения характеристик воздушного потока. Устройство также имеет радиально внешний конец и радиально внутренний конец относительно оси вращения 14 турбомашины. Радиально внешний конец компонента 42а, 42b, 42с удерживается кожухом турбомашины, а радиально внутренний конец, размещенный на пути потока, является свободным и расположен в воздушном потоке турбомашины, характеристики которого необходимо измерить.
[007] Более конкретно, радиально внешний конец присоединен к установочному основанию корпуса для поддерживания стержня 44 в заданном постоянном радиальном направлении. При необходимости проведения измерений в разных радиальных местоположениях требуется остановить турбомашину, переместить основание стержня в другое положение и перезапустить турбомашину. Как показывает практика, эти этапы являются длительными и усложняют фазы тестирования. Кроме того, при определенных скоростях вращения вентилятора, особенно когда измерительный стержень 44 проходит в кольцевом вторичном воздушном потоке, стержень 44 может войти в резонанс, что может привести к появлению в нем трещин и может повлиять на его механическую целостность. В крайних случаях образование разрывов или трещин в результате вибраций может привести к частичному или полному смещению стержня 44. Отделившиеся таким образом частицы циркулируют в указанном канале и могут повредить компоненты турбомашины, которые расположены ниже по потоку.
[008] В известных системах предложено, к примеру, устанавливать стержень на радиально скользящем средстве перемещения и на средстве перемещения в угловом или окружном направлении. Однако такой вариант установки не обеспечивает оптимальную герметичность воздушного потока, так что измерение влияет на характеристики измеряемого воздушного потока.
[009] Целью данного изобретения является в частности обеспечение простого, эффективного и экономичного решения описанных выше проблем уровня техники.
Сущность изобретения
[0010] Таким образом, согласно данному изобретению предложено устройство для измерения характеристик воздушного потока в кольцевом потоке турбомашины, причем указанное устройство содержит стержень, который проходит вдоль первой заданной оси и на котором удерживается средство для измерения характеристик воздушного потока, при этом указанный стержень установлен с возможностью герметичного скольжения в первой трубчатой части, проходящей во вторую трубчатую часть, которая герметично проходит вдоль указанной первой оси через ползун, установленный с возможностью скольжения в направляющей вдоль второй оси, перпендикулярной указанной первой оси, причем указанный стержень установлен в указанной второй трубчатой части с кольцевым зазором.
[0011] В соответствии с данным изобретением уплотнение выполнено в двух разных местоположениях на двух разных осях перемещения стержня, что упрощает конструкцию измерительного устройства. В частности, уплотнение для направляющей выполнено в указанной второй трубчатой части, а уплотнение относительно воздуха, протекающего в указанной второй трубчатой части, выполнено непосредственно на самом стержне.
[0012] Другой признак данного изобретения состоит в том, что ползун является предпочтительно цилиндрическим и содержит первую телескопическую трубчатую часть и вторую телескопическую трубчатую часть, причем указанные первая и вторая телескопические трубчатые части герметично прикреплены одним осевым концом к указанной второй трубчатой части.
[0013] Благодаря использованию телескопических трубчатых ползунов давление воздуха, поступающего через кольцевой зазор между стержнем и указанной второй трубчатой частью, распределяется равномерно по отдельным трубкам, образующим первую и вторую части ползуна.
[0014] Указанная первая трубчатая часть может содержать первую опорную пластину, на которую при вращении вокруг указанной первой оси опирается первое исполнительное средство для обеспечения поступательного перемещения стержня вдоль указанной первой оси.
[0015] Для охлаждения указанной первой пластины такая пластина может содержать контур, в котором обеспечена циркуляция воздуха и который выполнен с возможностью соединения со средством подачи воздуха. Таким образом, терморегулирование указанной первой пластины ограничивает нагревание прикрепленных к ней частей. Следует понимать, что указанная первая пластина предпочтительно также является трубчатой, т.е. имеет по меньшей мере одно центральное отверстие для прохождения указанного стержня.
[0016] В конкретной конфигурации первая и вторая трубчатые части, расположенные соосно с указанной первой осью, установлены вокруг стержня, причем первая трубчатая часть окружает вторую трубчатую часть и вместе с ней ограничивает контур, в котором обеспечена циркуляция охлаждающей жидкости и который выполнен с возможностью соединения со средством подачи охлаждающей жидкости. Такая конструкция в сочетании с контуром для охлаждающего воздуха обеспечивает еще более эффективное регулирование температуры указанного устройства.
[0017] Преимущественно, первая трубчатая часть вставлена в отверстие в указанной первой пластине и выполнена в виде единого целого с указанной первой пластиной.
[0018] Для обеспечения непроницаемого направленного перемещения стержня и ограничения перемещения вверх горячих газов в первой трубчатой части внутри указанной части может быть размещена направляющая трубка, в которой указанный стержень установлен со скользящей посадкой с очень малым зазором.
[0019] Направляющая трубка может содержать кольцевой фланец, зажатый между кольцевым выступом у первого конца указанной второй трубчатой части и зажимной гайкой, навинченной на второй конец указанной второй части.
[0020] Преимущественно, вокруг стержня может быть установлено уплотнение, зажатое вдоль указанной первой оси между двумя кольцами, причем указанные два кольца и уплотнение размещены между указанным фланцем направляющей трубки и указанной гайкой.
[0021] Для перемещения указанных второй и первой частей вдоль второй оси указанная вторая трубчатая часть выполнена в виде единого целого со второй пластиной, которая установлена с возможностью перемещения вдоль второй оси с помощью системы реечной передачи.
[0022] Основание может быть неподвижно прикреплено к поверхности направляющей, противоположной той, на которую опирается указанная первая трубчатая часть, причем указанное основание имеет отверстие, через которое проходит указанный стержень, и содержит контур, в котором обеспечена циркуляция охлаждающей жидкости и который выполнен с возможностью соединения со средством подачи охлаждающей текучей среды.
[0023] Преимущественно, направляющая содержит контур, в котором обеспечена циркуляция воздуха и который соединен со средством подачи охлаждающего воздуха.
[0024] Настоящее изобретение также относится к воздуховоду для турбомашины, который содержит две соосные кольцевые стенки, внутреннюю и внешнюю, и описанное выше устройство, причем направляющая неподвижно прикреплена к радиально внешней поверхности внешней кольцевой стенки, а стержень проходит через указанную внешнюю кольцевую стенку так, что его свободный конец расположен между указанными двумя кольцевыми стенками, внутренней и внешней.
[0025] Данное изобретение станет более понятным, и другие его подробности, характеристики и преимущества станут очевидными после прочтения следующего описания, которое приведено в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1, описанная выше, схематично изображает половину осевого разреза авиационного турбовентиляторного двигателя известного типа;
Фиг. 2 схематично изображает в аксонометрии устройство согласно данному изобретению, предназначенное для проведения измерений характеристик воздушного потока в кольцевом проходе для воздушного потока;
Фиг. 3 схематично изображает разрез устройства согласно данному изобретению;
Фиг.4 изображает в увеличении область, ограниченную пунктирными линиями на Фиг. 4А;
Фиг. 3 схематично изображает в аксонометрии часть устройства согласно данному изобретению в разобранном виде;
Фиг. 6 схематично изображает в аксонометрии стержень и уплотнительное средство, с помощью которого обеспечено скольжение стержня в радиальном направлении;
Фиг. 7 схематично иллюстрирует деформацию уплотнения при скольжении стержня;
Фиг. 8А, 8В и 8С схематично изображают средство перемещения измерительного стержня в тангенциальном направлении;
Фиг. 9А, 9В и 9С схематично изображают продольные разрезы направляющей и цилиндрического ползуна, выполненных с возможностью перемещения в тангенциальном направлении;
Фиг. 10А, 10В, 11А и 11В схематично изображают разрезы в плоскости, перпендикулярной радиальному направлению, на которых показана внутренняя часть направляющей;
Фиг. 12А, 12В и 12С схематично изображают в аксонометрии и в разных секущих плоскостях в радиальном направлении средство для жидкостного охлаждения;
Фиг. 13 схематично изображает в аксонометрии средство охлаждения опорной пластины с помощью циркуляции воздуха при радиальном перемещении измерительного стержня.
Подробное описание
[0026] На Фиг. 2 показано устройство 46 согласно данному изобретению, удерживаемое на внешнем кожухе 48 турбомашины и содержащее три исполнительных средства 50, 52, 54, причем первое исполнительное средство 52 обеспечивает перемещение измерительного стержня 44 вдоль первой оси 56, проходящей в радиальном направлении, второе исполнительное средство 54 обеспечивает поворотное перемещение стержня 44 вокруг указанной первой оси 56, а третье исполнительное средство 54 обеспечивает перемещение стержня 44 вдоль второй оси 58, перпендикулярной первой оси 56. Вторая ось 58 проходит в направлении, перпендикулярном радиальному направлению, которое соответствует первой оси 56, и перпендикулярно продольному направлению 60, параллельному оси 14 вращения турбомашины, причем воздушный поток протекает в одном направлении по указанному продольному направлению.
[0027] Фиг. 3 изображает устройство 46. На Фиг. 3 показан разрез в плоскости, в которой проходят первая ось 56 и вторая ось 58. Устройство 46 содержит первую трубчатую часть 62, которая проходит вдоль первой оси 56 и от которой отходит вторая трубчатая часть 64, герметично пересекающая цилиндрический ползун 66, установленный с возможностью скольжения в направляющей 68, причем ползун 66 выполнен с возможностью перемещения вдоль второй оси 58.
[0028] Если точнее, первая трубчатая часть 62 содержит трубчатый корпус 70, образованный у ее радиально внутреннего конца и выполненный в виде единого целого с первой пластиной 72, которая поддерживает измерительный стержень 44 при перемещении вдоль первой оси 56 и при вращении вокруг первой оси 56 (Фиг. 4). Первая пластина 72 имеет отверстие с центром на первой оси 56, в котором первая трубчатая часть 74а и вторая трубчатая часть 74b установлены соосно с первой осью 56, причем первая трубчатая часть 74а окружает вторую трубчатую часть 74b. Как видно на Фиг. 4, на радиально внутреннем конце первой трубчатой части 74а имеется кольцевой фланец 76, зажатый между трубчатым корпусом 62 и первой пластиной 72. Кроме того, первая трубчатая часть 74а имеет радиально внутренний кольцевой выступ 78, на котором радиально внутренний конец или первый конец второй трубчатой части 74b установлен с радиально внутренним упором. Аналогичным образом, этот первый конец второй трубчатой части 74b имеет кольцевой выступ 80, на котором с радиально внутренним упором установлен радиальный кольцевой фланец 82 направляющей трубки 84, с помощью которого обеспечена скользящая посадка стержня 44 вдоль первой оси 56 и в котором установлен стержень 44. Как лучше видно на Фиг. 6, направляющая трубка 84 выполнена из двух частей 84а, 84b для установки направляющей трубки 84 вокруг стержня 44, поскольку стержень содержит средство для измерения характеристик воздушного потока, выполненное на его радиально внутренней части, предназначенной для установки внутри трубы. Каждая часть 84а, 84b трубки 84 содержит полуцилиндрическую часть 85а, 85b, один конец которой соединен с радиальным полукольцевым фланцем 82а, 82b. Фланцы 82а, 82b вместе образуют кольцевой фланец 82, а полуцилиндрические части 85а, 85b образуют цилиндрическую часть 87. На втором конце или радиально внешнем конце второй трубчатой части 74b размещена гайка 86, с помощью которой затягивается соединитель 88, размещенный между двумя кольцами 90а, 90b. Два кольца 90а, 90b, уплотнение 88 и гайка 86 размещены соосно с первой осью 56 и установлены вокруг стержня 44. Стержень 44 установлен со скользящей посадкой с очень малым зазором, т.е. без зазора в направляющей трубке 84, что обеспечивает возможность его свободного скольжения, но предотвращает поступление горячего воздуха из кольцевого воздушного потока.
[0029] Как показано на Фиг. 7, уплотнение 88 является по существу плоским в состоянии покоя и имеет две по существу плоские противоположные поверхности. Каждое из двух колец 90а, 90b имеет одну поверхность 92а, 92b, проходящую под наклоном относительно первой оси 56, причем указанные две поверхности 92а, 92b наклонены аналогичным образом, т.е. так, что угол между ними близок к нулю. Благодаря такой конфигурации колец 90а, 90b обеспечено оптимальное сжатие уплотнения 88, что соответственно улучшает плотность посадки.
[0030] На первую пластину 72 опирается несущая пластина 94, установленная с возможностью вращения на первой оси 56. Эта несущая пластина 94 обеспечивает опору для первого исполнительного средства 50, на котором удерживается стержень 44 и которое обеспечивает его поступательное перемещение в первой трубчатой части 62. На первую пластину 72 опирается второе исполнительное средство 52, обеспечивая возможность вращения основания 94 вокруг первой оси 56. Таким образом, обеспечена возможность оптимального регулирования положения измерительного оборудования измерительного стержня 44 в направлении воздушного потока в кольцевом воздушном потоке.
[0031] Вторая трубчатая часть 64 содержит трубку 96, установленную с радиально наружным упором в трубчатой части 98 второй пластины 100, выполненной с возможностью перемещения вдоль второй оси 58. На второй пластине 100 удерживается третье исполнительное средство 54, с помощью которого обеспечено перемещение второй трубчатой части 64 вдоль второй оси 58 (Фиг. 8 и 9) посредством системы 102 реечной передачи. В данном примере система 102 реечной передачи опирается на направляющую 68.
[0032] Цилиндрический ползун 66 установлен в направляющей 68, которая также имеет цилиндрическую форму, и содержит первую часть 104а и вторую часть 104b с телескопическими цилиндрическими трубками, т.е. составные трубки 106а, 106b вставлены друг в друга с возможностью скольжения. Каждая часть 104а, 104b содержит три трубки 106а, 106b, вставленные друг в друга. Две части 104а, 104b телескопического трубчатого ползуна прикреплены одним концом к трубке 96, которая расположена соосно с первой осью 56, с обеспечением воздухонепроницаемого уплотнения для кольцевого канала. Как видно на Фиг. 3, трубка 96 имеет такие размеры, что стержень 44 окружен трубкой 44 с зазором. Использование ползунов с телескопическими трубками имеет преимущество, состоящее в том, что обеспечено лучшее распределение давления кольцевого воздушного потока, при этом его влияние на скользящее перемещение отдельных трубок 106а, 106b каждой части 104а, 104b ползуна относительно друг друга значительно снижено. В одном варианте выполнения трубки 106а, 106b выточены с зазором от 8 до 15 мкм, чтобы обеспечить возможность скольжения и предотвратить протечки во время работы.
[0033] Для ограничения повышения рабочей температуры устройства 46 предусмотрены первый контур охлаждения, в котором используется воздух (Фиг. 10А и 10В), и первый контур охлаждения, в котором используется жидкость, например, вода (Фиг. 11А и 11В). Таким образом, направляющая 68 содержит, в своей средней части, первый контур 108 воздушного охлаждения с четырьмя каналами 108а, 108b, 108с, которые проходят вдоль второй оси 58. По факту воздушный контур содержит два гидравлически независимых подконтура. Первый подконтур содержит каналы 108а и 108с, а второй подконтур содержит каналы 108b и 108d. Каналы 108а и 108b одним концом соединены со средством 109 подачи сжатого воздуха и соединены соответственно с каналами 108с и 108d, которые сообщаются с внешней средой через отверстия 110, выполненные в направляющей 68 (Фиг. 10А и 10В). Таким образом, обеспечена возможность охлаждения направляющей 68 во время работы.
[0034] Устройство 46 согласно данному изобретению в виде единого целого опирается на основание 112 для прикрепления к корпусу, причем его болтовые элементы 114 показаны на Фиг. 11А и 11В. Это основание 112 имеет центральное отверстие 116 для прохождения стержня 44 с инструментами. Первый контур 118 водяного охлаждения содержит четыре канала 118а, 118b, 118с, 118d, которые выполнены в толще основания 112 и проходят вдоль второй оси 56. Первый канал 118а и второй канал 118b выполнены в одной и той же первой плоскости, перпендикулярной к первой оси 54. Третий канал 118с и четвертый канал 118d выполнены в одной и той же второй плоскости, перпендикулярной к первой оси 54. Указанная первая плоскость проходит радиально снаружи относительно указанной второй плоскости. Первый канал 118а соединен со средством 120 для подачи охлаждающей воды к основанию 112, после чего вода протекает в третий канал 118с, далее в четвертый канал 118d и, наконец, во второй канал 118b и выходит из одного его конца. Таким образом, обеспечено охлаждение основания 112 во время работы, что способствует осуществлению фаз испытания турбомашины.
[0035] Как видно на Фиг. 10A, 10В, 11А и 11В, первый контур 108 воздушного охлаждения используется без первого контура 118 водяного охлаждения. Для этого достаточно не вставлять основание 112 между корпусом 48 и первым контуром 108. Очевидно, что добавление первого контура 118 водяного охлаждения позволяет дополнительно ограничить нагревание устройства 48 согласно данному изобретению, в частности, благодаря большей теплопроводности воды по сравнению с воздухом.
[0036] Устройство 46 также содержит второй контур 122 воздушного охлаждения и второй контур 124 охлаждения жидкостью, например, водой. Второй контур 124 водяного охлаждения выполнен у первой 74а и второй 74b трубчатых частей, как видно на Фиг. 12А, 12В и 12С. Первая трубчатая часть 74а содержит впускной боковой элемент 126 для охлаждающей среды, соединенный со средством 128 подачи охлаждающей среды, и выпускной боковой элемент 130 для жидкости. Впускной элемент 126 расположен под выпускным элементом 128 для обеспечения протекания жидкости снизу-вверх. Как видно на Фиг. 12С, вторая трубчатая часть 74b имеет нижнюю кольцевую выемку 132а и верхнюю кольцевую выемку 132b, которые соединены друг с другом осевыми канавками 132с. Эти выемки 132а, 132b и канавки 132с вместе с внутренней поверхностью первой трубчатой части 74а ограничивают контур, в котором обеспечена циркуляция охлаждающей среды. Таким образом, охлаждающая среда протекает из впускного элемента 126 в нижнюю кольцевую выемку 132а, затем по канавкам 132с, далее в верхнюю кольцевую канавку 132b и наружу через верхний элемент 130.
[0037] На Фиг. 13 показана первая секция 72 в плоскости сечения, перпендикулярной первой оси 54. Как видно на чертеже, на первой пластине 72 выполнен первый впускной элемент 134 для воздуха и второй впускной элемент 136 для воздуха, которые проходят от противоположных краев первой пластины 72, и каждый из них соединен со средством 137 подачи воздуха. Первый впускной элемент 134 для воздуха сообщается по соединительному каналу 138 с кольцевой канавкой 142, которая проточно соединяет отверстия 140, выполненные в толще стенки первой трубчатой части 74а, и открывается вдоль первой оси 54 и вверх в кольцевое пространство между элементом 94 и стержнем 44. Второй впускной элемент 136 для воздуха сообщается с осевыми каналами 144а, 144b, 144с, 144d, которые соединены друг с другом и вместе образуют форму квадрата. Высверленные отверстия 146 выполнены в толще первой пластины 72 и открываются в первом направлении от первой оси 54 на нижней стороне первой пластины 72 и во втором направлении в каналы 144а, 144b, 144с, 144d. Таким образом, воздух, поступающий через второй элемент 136, протекает по каналам 144а, 144b, 144с, 144d, охлаждает первую пластину 72 и выходит через отверстия 146.
[0038] В конкретном варианте выполнения описанного выше устройства оно может содержать только одно или по меньшей мере одно из первого контура 108 воздушного охлаждения, первого контура 118 жидкостного охлаждения, второго контура 122 воздушного охлаждения, второго контура жидкостного охлаждения и второго контура 124 жидкостного охлаждения.