СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ МЕЖДУ ТОРЦАМИ ЛОПАСТЕЙ ВИНТА И ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ СТАТОРНОЙ ОБОЛОЧКИ ЗАКАПОТИРОВАННОЙ ВИНТОВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2008 года по МПК G01B7/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки при испытаниях турбовинтовентиляторного двигателя на стенде, оборудованном системой измерения силы тяги и частоты вращения вала винта.

Известен способ измерения параметров движения лопастей винтовентилятора с помощью одновиткового вихретокового датчика с чувствительным элементом в виде линейного отрезка проводника [Патент №2146038 РФ от 01.11.1996, МКИ G01В 7/14, G01H 11/00, Способ измерения параметров движения лопастей винтовентилятора / Игонин С.Н., Райков Б.К., Секисов Ю.Н. и др., опубл. 27.02.2000, Бюл. №6], который позволяет измерять радиальные зазоры между торцами лопастей винта и статорной оболочкой, а также углы установки лопастей. Недостатком указанного способа является низкая точность измерения, обусловленная отсутствием учета деформаций лопастей винта из-за создаваемой силы тяги, что приводит к смещению центра торцевой части контролируемой лопасти относительно начала координат и возникновению дополнительной погрешности, а также необходимость использования двух вихретоковых преобразователей и соответствующего числа установочных отверстий в статорной оболочке, что негативно сказывается на прочности и надежности силовой установки в целом.

Известен кластерный способ измерения радиальных смещений торцов лопастей винтовентилятора [С.Ю. Боровик, Б.К. Райков, Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев, В.В. Тулупова Метод измерения радиальных смещений лопастей винтоветилятора с использованием каналов физической и виртуальной коррекции // Проблемы управления и моделирования в сложных системах / Труды V Международной конференции, Самара, Россия, 17-21 июня 2003. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2003. - С.512-520], который при вычислении радиальной составляющей перемещения торца лопасти (радиальных зазоров) позволяет учитывать разворот лопасти вдоль своей оси, а также осевые и изгибные смещения торца лопасти под действием силы тяги. Недостатком указанного способа является необходимость как минимум четырех установочных отверстий в статорной оболочке для размещения одновитковых вихретоковых преобразователей, что, тем более, негативно сказывается на прочности и надежности конструкции силовой установки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения радиальных зазоров в закапотированной винтовентиляторной установке с помощью одного одновиткового вихретокового преобразователя [Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев Измерение составляющих многокоординатных смещений элементов конструкций силовых установок с моделированием неизмеряемых составляющих. (Концепция и реализующие ее методы измерения) // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2004. - №7. С. - 29-34] по выходному параметру и соответствующему цифровому коду в измерительном канале этого преобразователя, регистрируемому один раз за оборот каждой лопасти в момент времени, когда центр ее основания находится под центром рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя, принятым за начало системы отсчета, и результатам моделирования изгибных смещений торца лопасти в осевом направлении и в направлении вращения вала винта под действием тяговых усилий, произведенного на основе измерительной информации об угле разворота лопасти и частоте вращения ротора винта с учетом эмпирических коэффициентов, характеризующих форму лопасти исследуемого винта, а также вычисления радиального зазора (радиального смещения) с помощью функции, обратной полиномиальной или кусочно-линейной, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик, полученных экспериментально при подготовке к испытаниям. Недостатком указанного способа является необходимость использования измерительного канала потенциометрического датчика угла поворота, входящего в систему управления силовой установкой, низкая надежность подвижного контакта этого датчика и контактного токосъемника для передачи сигнала с вращающегося потенциометрического датчика.

Целью предлагаемого изобретения является сокращение числа используемых одновитковых вихретоковых преобразователей зазора и повышение надежности результата измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что с торцами лопастей винта работающей закапотированной винтовентиляторной установки вводят во взаимодействие вихретоковый преобразователь с чувствительным элементом в виде отрезка проводника (обязательным условием применения вихретокового преобразователя остается высокая электропроводность торца лопасти; если лопасти выполнены из неэлектропроводного материала, то на их торцевой поверхности должны быть установлены метки, например, в виде ленты из высокоэлектропроводного материала; в экспериментах на торцы лопастей из углепластика была наклеена метка из медной фольги); по выходным параметрам преобразователя и соответствующим цифровым кодам, регистрируемым один раз за оборот каждой лопасти в момент времени, когда центр основания лопасти находится под центром рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя, принятым за начало системы отсчета, и результатам моделирования смещений торца лопасти в осевом направлении и в направлении вращения вала винта, произведенного на основе измерительной информации об угле разворота лопасти и частоте вращения ротора винта с учетом эмпирических коэффициентов, характеризующих форму лопасти исследуемого винта, а также в соответствии с функцией, обратной полиномиальной или кусочно-линейной функции, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик, полученных при подготовке к испытаниям, вычисляют радиальные зазоры между торцами лопастей и внутренней поверхностью статора, вводят новые операции: с помощью аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования, получают измерительную информацию о силе тяги двигателя и на ее основе, а также информации о частоте вращения вала винта моделируют угол разворота лопасти винта. По значениям цифрового кода, соответствующего выходному параметру вихретокового преобразователя, и рассчитанным с помощью моделей значениям угла поворота лопасти и смещений торца лопасти относительно начала системы отсчета в осевом направлении и в направлении вращения винта, с помощью функции, обратной полиномиальной или кусочно-линейной функции, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик измерительного канала, определяют значение радиального зазора между торцом каждой лопасти и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки.

На фиг.1 представлена схема, поясняющая размещение вихретокового преобразователя на статорной оболочке закапотированной винтовентиляторной установки, где показаны: 1 - вихретоковый преобразователь, 2 - статорная оболочка закапотированной винтовентиляторной установки, 3 - лопасть винта. Здесь же приведена выбранная система отсчета, причем ось Х направлена перпендикулярно плоскости чертежа.

На фиг.2 представлена диаграмма, поясняющая этапы получения информации о радиальных зазорах между торцом лопасти винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки, где τ_в - период вращения вала, t_ц1, t_ц2,..., t_цnл - моменты времени, соответствующие прохождению центрами оснований лопастей винтовентиляторной установки под центром рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя.

На фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие опрос вихретокового преобразователя, где SYNC - импульс синхронизации, поступающий от стандартного датчика частоты вращения, входящего в состав стендового оборудования, С - код, полученный в результате аналого-цифрового преобразования естественного выходного сигнала (индуктивности) вихретокового преобразователя, t_ц1, t_ц2,..., t_цnл - моменты времени, соответствующие прохождению центрами оснований лопастей 1, 2,..., i,..., n_л винтовентиляторной установки под центром рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя.

На фиг.4 представлены зависимости угла разворота лопасти ϕ_л от силы тяги силовой установки для двух значений скорости вращения винта, поясняющие пример определения радиального зазора между торцом лопасти винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки.

На фиг.5 в графическом виде представлен фрагмент экспериментально полученного семейства градуировочных характеристик измерительного канала для различных смещений торца лопасти вдоль осей Х и Z при ϕ_л=24 град.

Измерение радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки предлагаемым способом осуществляется следующим образом. После подачи команды, инициирующей процесс измерения, по временному интервалу между двумя соседними импульсами датчика частоты вращения, входящего в состав стендового оборудования, определяют период вращения вала винта τ_в и рассчитывают моменты времени фиксации результатов преобразования вихретокового преобразователя, соответствующие моментам прохождения центрами оснований лопастей t_ц1, t_ц2,..., t_цnл (n_л - число лопастей закапотированной винтовентиляторной установки) центра рабочего чувствительного элемента вихретокового преобразователя.

Каждый импульс опроса обеспечивает питание измерительной цепи вихретокового преобразователя и запускает процесс преобразования его выходного параметра в напряжение и далее - в цифровой код С.

Учет не измеряемых величин, влияющих на результат измерения зазоров - углов разворота лопастей (ϕ_л), смещений торца лопасти в осевом направлении (Х_л) и в направлении вращения винта (Z_л), осуществляется путем моделирования их по функционально связанным с ними параметрам, которые измеряют с помощью аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования. В качестве опорных параметров выбирается сила тяги и частота вращения винта.

По результатам измерения силы тяги двигателя (F) и частоты вращения вала винта датчиками (в составе стендового оборудования) с учетом значений эмпирических коэффициентов, характеризующих форму лопасти исследуемого винта, моделируют угол разворота лопасти винта (угловую координату) - ϕ_л.

Рассчитывают значения силы, приходящейся на одну лопасть винта закапотированной винтовентиляторной установки (F_л).

Смещение торца лопасти относительно начала выбранной системы координат в осевом направлении - Х_л и в направлении вращения винта - Z_л определяют с помощью модели упругих изгибных деформаций лопасти под действием силы F_л при заданном значении угла разворота ϕ_л.

По результатам преобразования выходного параметра вихретокового преобразователя в цифровой код С и для полученных в ходе моделирования значений Х_л, Z_л и ϕ_л в соответствии с функцией, обратной полиномиальной или кусочно-линейной функции, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик, снятых в процессе подготовки к испытаниям, находят искомое значение радиального зазора (Y_л=f_обр (С, Х_л, Z_л, ϕ_л)).

Проверку работоспособности указанного способа рассмотрим на примере измерения радиального зазора между одной из лопастей винта и внутренней поверхностью статора закапотированной винтовентиляторной установки. Предполагается, что лопасть выполнена из композитного материала с модулем упругости Е=15 ГПа, имеет длину L=1 м, толщину возле комля (основания) h₀=0.044 м, толщину возле торца h_m=0.008 м, ширину возле комля b₀=0.44 м и ширину возле торца b_m=0.36 м. Предполагается, что винт установки вращается с частотой 950 об/мин. Сила тяги двигателя на указанном режиме равна 2 тоннам-силам.

Зависимость угла разворота лопасти ϕ_л от силы тяги двигателя была определена эмпирически путем аппроксимации экспериментальных данных, полученных в процессе стендовых испытаний установки, с помощью линейных функций и представлена на фиг.4 семейством ϕ_л(F) при постоянных оборотах вала n₁=950 об/мин и n₂=1650 об/мин. Как видно из фиг.4, для заданного режима работы закапотированной винтовентиляторной установки угол разворота лопасти равен 24 угловых градусов.

Моделирование изгиба лопасти под действием упругих деформаций проводилось с учетом упрощенных допущений в отношении геометрии лопасти и распределения тягового усилия по ее поверхности. В частности, предполагалось, что лопасть имеет плоскую поверхность, равномерно уменьшающуюся по толщине (h) по всей длине лопасти (L) от комля (основания - толщина h₀) до торца (толщина h_m). Форма лопасти на длине от основания до L/2 - прямоугольная (ширина лопасти - b₀), далее до торца - трапецеидальная (с шириной в торце - b_m). Распределение силы вдоль оси лопасти - нарастающее от основания до ее торца по биквадратичному закону. Расчет деформаций для заданных значений сил велся методом конечных элементов [Галлагер Р. МКЭ: Основы / Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 215 с.] и для приведенных исходных данных составил 13 мм.

Полагая, что упругая деформация лопасти (d_л) происходит в плоскости, параллельной плоскости XZ (фиг.1), определялись смещения лопасти вдоль оси Х (Х_л=d_л·cos(ϕ_л)≈12 мм) и оси Z (Z_л=d_л·sin(ϕ_л)≈6 мм).

Пусть в результате преобразования сигнала вихретокового преобразователя было получено значение кода С=1722. Тогда, в соответствии с семейством градуировочных характеристик, представленных на фиг.5, и для рассчитанных значений ϕ_л=24 град, Х_л=12 мм и Z_л=6 мм была выбрана характеристика 1, и искомое значение радиального зазора Y_л составило 3 мм.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки. Способ заключается в установке на внутренней поверхности статорной оболочки одновиткового вихретокового преобразователя с рабочим чувствительным элементом в виде отрезка проводника, обращенным к торцу лопасти. При этом торец лопасти имеет высокую электропроводность. Преобразователь располагают таким образом, чтобы рабочий чувствительный элемент оказался в плоскости вращения лопасти винта при нулевом значении угла ее установки в статике. Вихретоковый преобразователь включают в мостовую измерительную цепь канала измерения. Фиксируют выходной цифровой код канала измерения. С помощью аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования, регистрируют силу тяги двигателя и частоту вращения вала винта. На основе измеренного значения силы тяги и частоты вращения моделируют угол разворота лопасти винта (ϕ_л). С помощью модели упругих изгибных деформаций лопастей винтовентиляторной установки по измеренной силе тяги определяют значения составляющих осевого смещения лопастей винта (Х_л) и смещения в направлении вращения (Z_л). По результату преобразования в цифровой код измерительного канала с вихретоковым преобразователем С и результатам моделирования Х_л, Z_л и ϕ_л с помощью функции, обратной семейству градуировочных характеристик измерительного канала, определяют искомое значение радиального зазора (Y_л). Технический результат заключается в сокращении числа используемых первичных преобразователей и повышении надежности результата измерения. 5 ил.

Способ измерения радиальных зазоров между торцами лопастей винта и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки, заключающийся в том, что с торцами лопастей винта работающей закапотированной винтовентиляторной установки вводят во взаимодействие одновитковый вихретоковый преобразователь с чувствительным элементом в виде отрезка проводника, устанавливаемый на статорной оболочке закапотированной винтовентиляторной установки; по выходному параметру преобразователя и соответствующему цифровому коду, регистрируемому один раз за оборот каждой лопасти в момент времени, когда центр ее основания оказывается под центром рабочего чувствительного элемента, принятым за начало системы отсчета, и результатам моделирования смещений торца лопасти в осевом направлении и в направлении вращения вала винта, произведенного на основе измерений угла разворота лопасти и частоты вращения ротора винта с учетом эмпирических коэффициентов, характеризующих форму лопасти исследуемого винта, в соответствии с функцией, обратной полиномиальной или кусочно-линейной функции, аппроксимирующей семейство градуировочных характеристик, полученных экспериментально при подготовке к испытаниям, вычисляют радиальный зазор между торцом каждой лопасти и внутренней поверхностью статора, отличающийся тем, что измеряют силу тяги двигателя с помощью аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования; моделируют угол разворота лопастей винта на основе результата измерения силы тяги и частоты вращения вала винта; значение радиального зазора между торцом каждой лопасти и внутренней поверхностью статорной оболочки закапотированной винтовентиляторной установки определяют по результату преобразования, полученному в канале измерения с вихретоковым преобразователем, значениям угла поворота лопасти, смещения ее торца относительно начала системы отсчета в осевом направлении и в направлении вращения винта, рассчитанных с помощью моделей.