СПОСОБ ОЦЕНКИ ДЕФОРМАЦИИ СТАТОРНОЙ ОБОЛОЧКИ ВИНТОВЕНТИЛЯТОРА АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК G01B7/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки деформации статорной оболочки (ДСО) винтовентиляторной силовой установки (ВВСУ) авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) в местах установки кластерных одновитковых вихретоковых датчиков (КОВТД) и смещений геометрического центра оболочки относительно центра вращения винта.

Известны способы измерения радиальных смещений лопастей винтовентилятора, которые предусматривают использование кластерных одновитковых вихретоковых датчиков (КОВТД) с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника. Количество и расположение ЧЭ зависит от характера измеряемых многомерных перемещений торцов лопастей и определяется видом и числом координатных составляющих (КС) многомерных перемещений (МП) в выбранной системе отсчета. При этом измерительную информацию по всем КС получают путем совокупной обработки сигналов датчика на основе экспериментальных градуировочных характеристик измерительных каналов, в которые включены ЧЭ датчика [Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Обобщенное представление методов получения измерительной информации о координатах смещений торцов лопаток и лопастей // Мехатроника, автоматизация, управление №3, 2007. Приложение с.19-24].

Вместе с тем необходимо отметить, что найденные значения КС МП и, в частности радиальные зазоры (РЗ), зависят не только от смещений торцов лопастей в радиальном направлении, но и от ДСО в месте установки датчика, т.е. в значении РЗ содержится информация о ДСО, представляющая самостоятельный интерес для разработчика ВВСУ.

Важность оценки ДСО с позиций надежности ВВСУ очевидна. Статорная оболочка (СО) ВВСУ подвержена внешним температурным воздействиям, влиянию повышенного давления, создаваемого вращающимися винтами внутри нее, силовому влиянию инерции винтов и воздушных потоков при эволюциях самолета, ударным нагрузкам в процессе его посадки и т.п. При увеличении ДСО и смещения геометрического центра СО относительно центра вращения винта растет вероятность касания СО торцом лопасти винта, что чревато разрушением ВВСУ. Относительно размера винта ДСО незначительна и может быть сведена, как правило, либо к искажению формы и превращению ее из окружности в эллиптическую, и/или к смещению центра СО относительно центра вращения винта. Известные способы не позволяют получить подобную информацию.

Целью изобретения является обнаружение и количественная оценка ДСО и смещения геометрического центра СО относительно центра вращения винта по совокупности результатов измерений КОВТД и модельных расчетов.

Указанная цель достигается тем, что в известный способ введены дополнительные измерительные и расчетные операции, которые позволяют получить оценки ДСО и смещения геометрического центра оболочки относительно центра вращения винта по совокупности результатов измерений и численного моделирования. Измеряют РЗ между торцами лопастей винта и ЧЭ КОВТД в режиме «холодной прокрутки» (от стартера) перед испытаниями и в рабочих режимах. Для этого КОВТД в количестве не менее четырех штук устанавливают симметрично по осям прямоугольной системы координат. Располагают ЧЭ датчиков на уровне внутренней поверхности в пределах зоны взаимодействия электромагнитного поля ЧЭ с торцом лопасти винта. Направления осей системы координат совмещают с направлениями наиболее вероятных ДСО и смещения геометрического центра статорной оболочки относительно центра вращения винта. Модельные расчеты упругих и температурных деформаций проводят по регулярно измеряемым значениям частоты вращения и температуры среды, в которой находится винт, геометрическим параметрам лопасти и физическим параметрам материала, из которого она выполнена.

При увеличении числа контрольных точек (датчиков Д) на СО процедуры вычислений ДСО сохраняются, при этом может быть повышена точность оценки.

На чертеже показан вариант размещения четырех датчиков по статорной оболочке, где 7, 2, 3, 4 - места размещения кластерных датчиков (Д₁, Д₂, Д₃, Д₄). В соответствии со способом регистрируют результаты измерения в режиме «холодной прокрутки». После обработки измерительной информации в системе определяют РЗ - С_1.0, С_2.0, С_3.0, С_4.0 (чертеж). Длина каждой лопасти винта и свойства материала, из которого она изготовлена, известны. Примем, для простоты рассуждений, что все лопасти винта одинаковы по размерам и свойствам (в противном случае следует учесть их индивидуальные особенности). Торцы лопастей при вращении движутся по окружностям с центром О. С учетом малости ΔХ₀ и ΔY₀ по отношению к диаметру винта (D_в.0), расстояния между датчиками Д₁ и Д₃ (D_у.0), как и между датчиками Д₂ и Д₄ (D_х.0) можно представить соответственно в виде:

В общем случае радиальные зазоры С_1.0...С_4.0 различны, расстояния D_у.0 и D_х.0 не равны, т.е., сечение оболочки имеет овальную форму. В оболочку может быть вписана окружность (на чертеже она показана пунктиром), представляющая собой идеализированную СО диаметром D₀, равным наименьшему из двух размеров D_у.0 или D_х.0. Характер и размер отклонения формы СО от окружности и смещение геометрического центра оболочки от центра вращения винта связаны с технологией изготовления, сборки и способа монтажа на стенде или летающей лаборатории. Центр окружности О₀ находится на пересечении линий, делящих отрезки D_у.0 и D_х.0 пополам и, по сути, является геометрическим центром реальной оболочки. Контур идеализированной оболочки определяет диаметр винта, при котором произойдет касание торцом лопасти внутренней поверхности оболочки. Радиус-вектор r₀, проведенный из точки О в точку O₀, определяет размер и направление смещения между геометрическим центром СО и осью вращения винта. Вычисленные РЗ позволяют найти составляющие смещения O₀ относительно О соответственно в направлении осей X и Y (ΔX₀ и ΔY₀) и, следовательно, направление (ϕ₀) вектора r₀:

ΔX₀=(C_4.0-C_2.0)/2;

ΔY₀=(C_1.0-C_3.0)/2;

ϕ₀=arctg(ΔX₀/ΔY₀);

В рабочем режиме воздействие рабочих процессов и внешних факторов вызывает дополнительную ДСО, приводит к изменяющемуся во времени смещению осей винта, а также удлинению лопастей под действием изменений температуры воздушного потока и центробежных сил от вращения винта. Удлинение (Δl_л) (удлинение лопасти, как и ее длина, предполагаются одинаковыми для всех лопастей винта) зависит от геометрических размеров лопасти и физических свойств (параметров) материала, из которого она сделана (Р_г, Р_ф), температуры среды окружающей винт (θ) и частоты его вращения (ω_л).

После обработки измерительной информации в системе регистрируют значения РЗ в рабочем режиме, которые можно представить в виде:

где Δd_co1, Δd_co2, Δd_co3, Δd_co4 - деформации СО в точках 1, 2, 3, 4.

Удлинение Δl_л определяют с помощью одной из известных моделей вида: Δl_л=f(Р_г, Р_ф, θ, ω_л), задавая соответствующие значения параметров лопасти Р_г, Р_ф, и используя текущие значения θ и ω_л, получаемые в ходе эксперимента (датчики температуры и частоты вращения на чертеже не показаны) [Кузнецов Н.Д., Данильченко В.П., Резник В.Е. Управление радиальными зазорами в турбокомпрессорах авиационных ГТД. - Самара; САИ, 1991. - 108 с.].

Деформации оценивают в соответствии с выражением:

Для любого режима работы ГТД определяют диаметр D_p и его изменения во времени в соответствии с выражением (1). Отклонения D_p от диаметра неработающего двигателя находят в соответствии с выражением: ΔD_p-0=D_p-D₀

В процессе работы ГТД под действием потоков воздуха, возможны смещения r_p центра СО относительно оси вращения винта. Они имеют случайный характер, как в отношении направления, так и размера этого смещения:

Смещения геометрического центра СО относительно оси винта во времени, в процессе испытаний относительно их значений на неработающем двигателе находят в соответствии с выражением:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки деформации статорной оболочки (ДСО) винтовентиляторной силовой установки (ВВСУ) авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) в местах установки кластерных одновитковых вихретоковых датчиков (КОВТД) и смещений геометрического центра оболочки относительно центра вращения винта. Целью изобретения является обнаружение и количественная оценка ДСО и смещения геометрического центра (СО) относительно центра вращения винта. Указанная цель достигается тем, что оценки ДСО и смещения геометрического центра оболочки относительно центра вращения винта получают путем совокупной обработки результатов: 1) измерений радиальных зазоров (РЗ) между торцами лопастей винта и чувствительными элементами (ЧЭ) КОВТД, которые в количестве не менее четырех штук располагают равномерно по периметру СО на уровне ее внутренней поверхности внутри зоны взаимодействия электромагнитного поля ЧЭ датчика с торцом лопасти винта, полученных в режиме «холодной прокрутки» перед испытаниями; 2) подобных измерений РЗ, но уже в рабочих режимах; 3) численного моделирования упругих и температурных деформаций лопасти по регулярно измеряемым значениям частоты вращения винта и температуры среды, в которой находится винт. 1 ил.

Способ оценки деформации статорной оболочки винтовентилятора авиационного газотурбинного двигателя и смещения геометрического центра статорной оболочки относительно центра вращения винта, заключающийся в том, что с торцами лопастей винта винтовентиляторной силовой установки вводят во взаимодействие кластерный одновитковый вихретоковый преобразователь с группой чувствительных элементов (ЧЭ), размещенных на уровне внутренней поверхности статорной оболочки в зоне взаимодействия электромагнитного поля ЧЭ датчика с торцом лопасти винта, отличающийся тем, что по периметру статорной оболочки устанавливают как минимум четыре кластерных датчика, размещают их симметрично по осям прямоугольной системы координат, направления которых совпадают с направлением наиболее вероятных деформаций статорной оболочки и смещения геометрического центра статорной оболочки относительно центра вращения винта, а центр системы координат совмещают с центром вращения винта; деформацию статорной оболочки в точках размещения кластерных датчиков оценивают в соответствии с выражением: Δd_coi=C_i.p-C_i.o+Δl_л, где Δd_coi - деформация статорной оболочки в точке размещения датчика i, С_i.p - радиальный зазор в рабочих условиях в точке i, C_i.o - радиальный зазор в режиме холодной прокрутки в той же точке, Δl_л - удлинение лопасти под действием центробежных сил и температуры, которое определяют по известным моделям вида: Δl_л=f(Р_г, Р_ф, θ, ω_л), задавая соответствующие значения геометрического параметра Р_г, физического параметра материала лопасти Р_ф, а также значения частоты вращения винта ω_л и температуры воздушного потока θ, обтекающего лопасти, которые измеряют регулярно в ходе эксперимента; составляющие смещения по осям геометрического центра статорной оболочки относительно центра вращения винта оценивают в соответствии с выражениями:

ΔХ=(С_x.4-С_x.2)/2,

ΔY=(С_y.1-С_y.3)/2,

ϕ=arctg(ΔX/ΔY),

где ΔХ и ΔY составляющие смещения по осям, ϕ - угол, определяющий направление смещения.