RU2593427C2 - Устройство и способ измерения времени прохождения вершин лопаток в турбомашине - Google Patents

Устройство и способ измерения времени прохождения вершин лопаток в турбомашине Download PDF

Info

Publication number
RU2593427C2
RU2593427C2 RU2014103480/28A RU2014103480A RU2593427C2 RU 2593427 C2 RU2593427 C2 RU 2593427C2 RU 2014103480/28 A RU2014103480/28 A RU 2014103480/28A RU 2014103480 A RU2014103480 A RU 2014103480A RU 2593427 C2 RU2593427 C2 RU 2593427C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
blades
electrode
blade
edges
relative
Prior art date
Application number
RU2014103480/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2014103480A (ru
Inventor
Андре ЛЕРУ
Original Assignee
Снекма
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Снекма filed Critical Снекма
Publication of RU2014103480A publication Critical patent/RU2014103480A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2593427C2 publication Critical patent/RU2593427C2/ru

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003Arrangements for testing or measuring
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/14Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • G01H1/006Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines of the rotor of turbo machines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/30Arrangement of components
    • F05D2250/31Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/314Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being inclined in relation to each other
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00Control
    • F05D2270/80Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges
    • F05D2270/821Displacement measuring means, e.g. inductive

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам контроля лопаток турбин компрессора. Устройство содержит емкостный датчик, установленный на корпусе перпендикулярно к траектории прохождения вершин лопаток подвижного рабочего колеса. Датчик представляет собой продолговатый электрод, закрепленный на внутренней стороне корпуса и ориентированный по диагонали относительно траектории вершин лопаток таким образом, чтобы проходить вдоль оси вращения рабочего колеса поперек траекториям кромок лопаток. При этом расположенный ниже по потоку конец электрода смещен по окружности относительно его расположенного выше по потоку конца в том же направлении, что и задние кромки лопаток относительно передних кромок лопаток. На основе изменения электрической емкости во времени и соответствующего сигнала определяют время прохождения лопаток. Технический результат - повышение точности контроля. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к устройству и способу измерения времени прохождения вершин лопаток в ступени турбомашины, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель.
Известно, что двухконтурная турбомашина содержит вентилятор, на выходе которого поток воздуха делится на поток первичного воздуха, циркулирующий внутри турбореактивного двигателя - в компрессоре, камере сгорания и турбине, и поток вторичного воздуха, циркулирующий вокруг турбореактивного двигателя.
Компрессор содержит множество рядов подвижных лопаток, установленных поочередно с рядами неподвижных лопаток и окруженных корпусом. Для исключения возможности прохождения воздуха в вершине лопатки, которое бы уменьшило коэффициент полезного действия турбомашины, на внутренней поверхности корпуса вентилятора нанесено покрытие из истираемого материала, расположенное перпендикулярно к лопаткам вентилятора.
В процессе работы турбомашины важно знать о деформации подвижных лопаток. С этой целью, как известно, на корпусе устанавливаются датчики, чувствительный элемент которых размещен перпендикулярно к лопаткам. Датчики соединены со средствами обработки информации. Чувствительный элемент каждого датчика позволяет определять прохождение вершины лопатки (в английской терминологии - tip timing), и, таким образом, представляется возможным определить путем сравнения теоретического времени прохождения вершины лопатки с измеренным временем прохождения, тип деформации лопатки, т.е. при изгибе, при кручении..., а также степень деформации.
Однако интеграция датчиков осуществляется путем выполнения отверстий в корпусе перпендикулярно к лопаткам, что делает корпус непрочным и образует полости перпендикулярно к радиально внешним концам лопаток, которые являются источником звукового отрицательного воздействия ввиду прохождения лопаток с большой скоростью.
Другой недостаток заключается в том, что трудно точно узнать относительное осевое расположение датчиков к вершинам лопаток. Данная сложность возникает ввиду накопления допусков при изготовлении рабочего колеса и элементов крепления рабочего колеса на его роторе, который, в свою очередь, имеет осевое расположение относительно корпуса, в котором размещены датчики. Аэродинамические, тепловые и механические напряжения турбомашины в процессе эксплуатации также могут оказывать влияние на относительное осевое расположение вершин лопаток относительно электродов.
Знание этих сведений является, однако, основным для выведения на основе времени прохождения лопаток их деформации в процессе эксплуатации. Действительно, для типа кручения, который, например, заключается в деформации лопатки вокруг ее продольной оси, заданное осевое расположение электрода относительно вершин лопаток может привести к определению вершины лопатки, когда вариант кручения проходит через узел (нулевая деформация), в то время как для другого осевого положения электрода относительно лопаток вершина лопатки может быть определена, когда вариант кручения проходит через нижнюю часть (максимальная деформация), что приводит в первом случае к отсутствию определения деформации лопатки, а во втором случае - к ее определению. Однако без точного предварительного знания осевого положения вершин лопаток относительно электродов невозможно знать, соответствует ли деформация схожей или не схожей деформации осевой кромки лопатки, что не позволяет узнать, должна ли деформация считаться малой или большой.
В случае отсутствия сведений об осевом положении датчиков можно размещать множество датчиков в различных осевых положениях, что усложняет конструктивное исполнение турбомашины.
Известные специалистам устройства позволяют измерять осевое расположение лопаток относительно датчиков. Однако данные устройства оказываются сложными в применении, а также малоточными.
Целью изобретения, в частности, является предложить простое, экономически приемлемое и эффективное решение данных различных проблем.
С этой целью в нем предлагается ступень турбомашины, содержащая емкостный датчик, установленный на корпусе перпендикулярно к траектории прохождения вершин лопаток подвижного рабочего колеса, для измерения времени прохождения вершин лопаток, отличающаяся тем, что датчик содержит по меньшей мере один длинный электрод, закрепленный на внутренней стороне корпуса и ориентированный по диагонали относительно траектории вершин лопаток таким образом, чтобы проходить вдоль оси вращения рабочего колеса поперек траекториям, по меньшей мере, передних кромок или задних кромок лопаток, а также тем, что расположенный ниже по потоку конец электрода смещен по окружности относительно его расположенного выше по потоку конца в том же направлении, что и задние кромки лопаток относительно передних кромок лопаток.
Комбинация согласно изобретению емкостного датчика с длинным электродом и его расположение поперек траектории, по меньшей мере, передних кромок или задних кромок вершин лопаток позволяет получать информацию о времени прохождения предварительно определенной зоны лопатки, а именно передних или задних кромок лопаток, и это независимо от относительного осевого расположения вершин лопаток относительно датчика.
Таким образом, более нет необходимости точно знать осевое расположение датчиков относительно вершин лопаток. Вместе с тем следует отметить, что оператор, осуществляющий размещение электрода на внутренней стороне корпуса, должен быть уверен, что он будет хорошо размещен поперек траектории, по меньшей мере, передних кромок или задних кромок лопаток для всех рабочих режимов турбомашины.
Согласно изобретению смещение по окружности расположенного ниже по потоку конца электрода относительно его расположенного выше по потоку конца в том же направлении, что и задних кромок лопаток относительно передних кромок лопаток, позволяет гарантировать, чтобы одновременно только одна вершина лопатки располагалась перпендикулярно к электроду, т.е. размещалась на одной линии в радиальном направлении с электродом. Таким образом, получаемые сигналы на выходе датчика относятся исключительно к одной вершине лопатки, что облегчает их интерпретацию.
Предпочтительно размеры и расположение электрода определены таким образом, чтобы он проходил поперек траекторий передних кромок и задних кромок лопаток, что позволяет измерять одним и тем же электродом время прохождения передних кромок и задних кромок лопаток.
Согласно отличительной особенности изобретения электрод проходит по оси, образуя не равный нулю угол с плоскостью, проходящей через переднюю кромку и заднюю кромку лопатки.
Таким образом, в том случае, когда электрод проходит одновременно поперек передних и задних кромок лопаток, первой перед электродом будет проходить передняя кромка, затем перед электродом пройдет оставшаяся часть вершины лопатки, а задняя кромка будет определена по времени последней.
Согласно частному осуществлению изобретения второй длинный электрод закреплен на внутренней стороне корпуса и ориентирован таким образом, чтобы образовывать не нулевой угол с первым электродом. Такое исполнение позволяет при помощи времени прохождения передней кромки и задней кромки данной лопатки перпендикулярно первому электроду и времени прохождения передней кромки и задней кромки этой данной лопатки перпендикулярно ко второму электроду, сопряженных со скоростью вращения лопаток, знать осевое положение передних и задних кромок лопаток относительно корпуса.
Предпочтительно предусмотрены средства для определения профиля зазора между вершиной лопатки и корпусом на основе выходного сигнала датчика и величин калибровки.
Изобретение также относится к турбомашине, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, содержащей по меньшей мере одну ступень, описание которой было приведено ранее.
Предпочтительно датчик (или датчики) покрыт слоем истираемого материала, нанесенного на внутреннюю сторону корпуса перпендикулярно к вершинам лопаток, что позволяет избежать выполнения отверстий для прохода датчиков, как согласно предшествующему уровню техники, и защитить емкостные датчики влажности.
Изобретение также относится к способу измерения времени прохождения вершин лопаток в турбомашине, отличающемуся тем, что он заключается в том, что:
закрепляют по меньшей мере один емкостной датчик с длинным электродом на внутренней стороне корпуса перпендикулярно к траектории вершин лопаток рабочего колеса компрессора турбомашины; причем данный электрод ориентирован по диагонали относительно траектории вершин лопаток таким образом, чтобы проходить вдоль оси вращения рабочего колеса поперек траекторий, по меньшей мере, передних кромок или задних кромок лопаток; причем расположенный ниже по потоку конец электрода смещен по окружности относительно его расположенного выше по потоку конца в том же направлении, что и задние кромки лопаток относительно передних кромок лопаток;
измеряют изменения электрической емкости электрода в зависимости от времени, которые являются результатом прохождений вершин лопаток против электрода, и
выводят на основе этого время прохождения передних и (или) задних кромок лопаток.
Согласно другой отличительной особенности изобретения способ заключается в измерении изменений разницы времени прохождения лопаток между передними кромками и задними кромками лопаток в течение времени и в выведении на основе этого данных касательно деформации кручения или скручивания лопаток вокруг их продольных осей.
Также представляется возможным вывести амплитуду вибрации лопаток или частоту вибрации лопаток при кручении.
Согласно предпочтительному практическому осуществлению способ заключается в том, что:
закрепляют два датчика с длинным электродом вышеупомянутого типа на внутренней стороне корпуса перпендикулярно к лопаткам, причем два электрода образуют между собой не нулевой угол;
измеряют разницу времени прохождения против двух электродов по меньшей мере одной передней кромки и задней кромки данной лопатки;
выводят из разницы времени и скорости вращения лопаток осевое расположение по меньшей мере одной из передних кромок и задних кромок лопаток относительно электрода.
Другие преимущества и отличительные особенности изобретения станут видны при чтении нижеследующего описания, приводимого в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематический вид осевого сечения половины вентилятора турбореактивного двигателя;
фиг.2 представляет собой схематический вид осевого сечения датчика, установленного на корпусе вентилятора, представленного на фиг.1, согласно известному уровню техники;
фиг.3 схематически изображает деформацию кручения или скручивания лопатки по продольной оси, проходящей через корневую часть и вершину лопатки;
фиг.4 представляет собой график временного определения прохождения вершин лопаток перпендикулярно к датчику на основе известного уровня техники;
фиг.5 представляет собой схематический вид сверху двух вершин, расположенных друг за другом лопаток и длинного датчика согласно изобретению;
фиг.6 представляет собой схематическое изображение перемещения вершины лопатки против длинного электрода согласно изобретению;
фиг.7 представляет собой график изменения электрической емкости, измеренной длинным электродом, в зависимости от времени при прохождении лопаток против электрода, представленного на фиг.5;
фиг.8 представляет собой график, изображающий изменение электрической емкости в зависимости от различного расположения длинного электрода относительно вершин лопаток;
фиг.9 представляет собой схематическое изображение деформации кручения или скручивания лопатки по продольной оси, проходящей через коренную часть и вершину лопатки, и длинного электрода, согласно изобретению;
фиг.10 представляет собой схематический вид сверху двух длинных электродов согласно изобретению и вершины лопатки;
фиг.11 и 12 схематически изображают варианты практического осуществления изобретения.
Вначале ссылка делается на фиг.1, на которой изображен вентилятор 10 турбомашины с осью 12, содержащий рабочее колесо, образованное диском 14, по окружности которого установлено множество лопаток 16, коренные части которых посажены в канавки диска 14, а перья 18 радиально проходят наружу в направлении корпуса 20 вентилятора, удерживающего гондолу 22, окружающую снаружи лопатки 16. Рабочее колесо вентилятора приводится во вращение вокруг оси 12 турбомашины посредством вала 24, прикрепленного болтами 26 к имеющей форму усеченного конуса стенке 28, жестко соединенной с рабочим колесом вентилятора. Вал 24 удерживается и направляется подшипником 30, который удерживается расположенным выше по потоку концом кольцевого кронштейна 32, прикрепленного сзади к промежуточному корпусу (не изображен), расположенному ниже по потоку от компрессора низкого давления 34, ротор 36 которого жестко соединен с рабочим колесом вентилятора посредством соединительной стенки 38.
Корпус вентилятора 20 содержит на внутренней стороне покрытие из истираемого материала 40, нанесенное перпендикулярно к лопаткам 16 вентилятора и предназначенное для истирания во время контакта с радиально внешними концами лопаток 16. Этот слой истираемого материала 40 позволяет уменьшить зазоры между вершинами лопаток 16 и корпусом вентилятора 20 и оптимизировать, таким образом, эксплуатационные характеристики турбомашины.
Компрессор низкого давления 34 содержит чередование неподвижных лопаток 42, закрепленных на внешнем корпусе 44, и подвижных рабочих колес 46, удерживаемых ротором 36. Каждое подвижное рабочее колесо 46 содержит множество лопаток, равномерно распределенных вокруг оси 12 турбомашины, и снаружи окружено слоем 48 истираемого материала, нанесенного на внутреннюю поверхность корпуса 44 компрессора низкого давления.
Для измерения времени прохождения лопаток и выведения на основе этого их деформации в процессе эксплуатации на корпусе 20 вентилятора 10 расположено множество датчиков (фиг.2). Данный корпус 20 содержит бобышки 50, образованные на его внешней поверхности и разнесённые по окружности одни от других. Каждая бобышка 50 содержит отверстие 52, выходящее внутрь корпуса 20 в тракт течения потока воздуха, и заключает в себе датчик 54, по существу, цилиндрической формы, соединенный проводом со средствами обработки 56. Каждый датчик 54 на своем радиально внешнем конце содержит кольцевое основание 57. Между основанием 57 и внешней поверхностью бобышки 50 установлена кольцевая вставка 58. Данная вставка 58 обеспечивает регулировку уровня установки датчика внутри отверстия. Каждый датчик 54 вставляется с внешней стороны корпуса внутрь отверстия 52, а толщина вставки 58 такова, что активная сторона датчика находится смещенной назад внутрь отверстия 52 относительно выхода отверстия в тракт течения воздуха. Слой истираемого материала 40 покрывает внутреннюю поверхность корпуса, за исключением устьев отверстий 52. Таким образом, между радиально внешними концами лопаток 16 и активной стороной или электродом 62 каждого датчика 54 образована полость 60.
Как ранее объяснялось, для определения деформации лопаток в процессе эксплуатации необходимо знать осевое расположение датчиков относительно вершин лопаток.
На фиг.3 схематически изображена вершина 64 лопатки в недеформированном состоянии D0 и два состояния деформация D1, D2 кручения лопатки вокруг продольной оси 65, вытянутой между ее корневой частью и ее вершиной. Лопатка содержит переднюю кромку 66 и заднюю кромку 68.
Предположим, что имеется три возможных осевых положения A, B, C датчика относительно лопатки. Для первого положения A, при переходе лопатки в состояние деформации D1 перед электродом, датчик регистрирует изменение электрической емкости (в произвольной единице измерения, см. фиг.4) в зависимости от времени. Эта кривая проходит через максимальную величину амплитуды, которой соответствует время, представляющее собой время прохождения зоны A1 вершиной лопатки 64 перпендикулярно к электроду.
Путем применения множества датчиков, установленных по окружности вокруг оси корпуса, представляется возможным измерять время перехода лопатки в состояние деформации D2.
Путем сравнения теоретического времени прохождения лопатки, соответствующего нулевой деформации, и моментов времени прохождения лопатки, когда лопатка деформирована в соответствии с состояниями D1 и D2, представляется возможным оценить деформацию лопатки (двусторонняя стрелка 67).
Когда датчик находится в осевом положении B, соответствующем положению, которое ближе к передней кромке, чем положение A, отмечается, что оценка деформации будет предоставлять большую величину деформации (двусторонняя стрелка 69) для идентичной вместе с тем реальной деформации.
Когда датчик находится в положении C, соответствующем положению, очень близкому к передней кромке, отмечается, что производить оценку деформации лопатки не представляется возможным, поскольку лопатка будет проходить перед датчиком, только находясь в состоянии деформации D2.
Таким образом, наблюдается, что для двух расположений A, B представляется возможным оценивать деформацию, а для расположения C это не представляется возможным. Кроме того, в двух первых случаях (A, B) факт невозможности иметь информацию об осевом положении датчиков относительно лопаток не позволяет узнать, измеренная деформация была ли получена на конце лопатки или в срединной части, что не позволяет определить уровень оцененной деформации.
Изобретение, таким образом, предлагает решение данного недостатка, а также ранее указанных отрицательных моментов при помощи по меньшей мер, одного емкостного датчика, содержащего прямой электрод 70, закрепленный на внутренней стороне корпуса.
Электрод 70 проходит вдоль оси вращения 72 и поперек траектории лопаток таким образом, что, по меньшей мере, передние кромки 66 или задние кромки 68 лопаток проходят перпендикулярно к электроду 70, который удерживается корпусом.
Размеры электрода 70 и его расположение на корпусе определены таким образом, что определение передних кромок или задних кромок могло бы быть осуществлено независимо от состояния деформации лопатки. На практике для гарантированного обеспечения такого определения датчик должен достаточно проходить выше по потоку или ниже по потоку от передней кромки или задней кромки соответственно для обеспечения ее гарантированного определения электродом (см. фиг.9, на которой изображено несколько состояний деформации лопатки).
Согласно первому осуществлению изобретения, изображенному на фиг.5, электрод 70 проходит одновременно поперек траекторий передних кромок и задних кромок лопаток. Такое расположение позволяет электроду определить прохождение одновременно передних кромок 66 и задних кромок 68 лопаток.
Расположенный ниже по потоку конец 74 электрода 70 смещен по окружности относительно его расположенного выше по потоку конца 76 в том же направлении, что и задние кромки 68 лопаток относительно передних кромок 66 лопаток.
Предпочтительно, как это показано на фиг.5, когда прямой электрод 70 расположен между двумя вершинами соседних лопаток 79, 81, ось 77 прямого электрода 70 образует не нулевой угол с плоскостями 78, 83, содержащими переднюю кромку 66 и заднюю кромку 68 лопаток 79, 81. Ось 77 пересекает плоскость 78 выше по потоку от передней кромки 66 лопатки 79 и пересекает плоскость 83 ниже по потоку от задней кромки 68 лопатки 81. Таким образом, можно гарантировать, что первым перед прямым электродом 70 будет проходить передняя кромка 66, затем перед электродом пройдет оставшаяся часть вершины лопатки вплоть до задней кромки 68.
На фиг.6 изображены три положения P1, P2 и P3 прямого электрода относительно вершины лопатки 80. Для облегчения представления изображены три положения одного и того же электрода 70, хотя именно лопатка будет смещаться относительно электрода 70.
Первое положение P1 электрода соответствует положению, в котором передняя кромка 66 лопатки расположена перпендикулярно к прямому электроду 70, что соответствует моменту t1 на фиг.7. Второе положение P2 электрода соответствует положению, в котором срединная часть 82 вершины лопатки 80 расположена перпендикулярно к электроду 70, что соответствует моменту t2 на фиг.7. И, наконец, третье положение P3 электрода 70 соответствует положению, в котором задняя кромка 68 лопатки расположена перпендикулярно к прямому электроду 70, что соответствует моменту t3 на фиг.7.
Таким образом, для каждой лопатки, которая проходит перпендикулярно прямому электроду 70, расположенному поперек траекторий передних кромок и задних кромок и частично проходящему по оси вращения, получают выходной сигнал датчика, тип которого представлен на фиг.7, в котором первая максимальная величина, достигаемая в момент t1, соответствует обнаружению передней кромки 66 лопатки, а последняя максимальная величина, достигаемая в момент t3, соответствует обнаружению задней кромки 68 лопатки.
Между моментами t1 и t3 наблюдается изменение электрической емкости, которое отражает изменение зазора между вершиной лопатки 80 и электродом 70 от передней кромки 66 до задней кромки 68.
Перед установкой электрода 70 на корпусе производится калибровка амплитуды электрической емкости в зависимости от расстояния между вершиной лопатки 80 и электродом 70 и в зависимости от положения электрода 70 перпендикулярно к вершине лопатки 80. Для этого передняя кромка 66 лопатки 80 располагается перпендикулярно к электроду 70 и путем приближения вершины лопатки 80 к электроду 70 осуществляется множество измерений электрической емкости электрода 70. Данная операция повторяется для множества последовательных положений Pi электрода 70 перпендикулярно к вершине лопатки 80 до расположения P3 электрода 70 перпендикулярно задней кромке 68 лопатки 80. Посредством таких различных измерений получают кривую калибровки амплитуды электрической емкости в зависимости от расстояния электрода 70 перпендикулярно к вершине лопатки 80 для каждого положения вершины лопатки 80 относительно электрода 70, что позволяет на основе этого вывести изменения зазора вдоль вершины лопатки 80.
Отметим, что калибровка множества положений вершины лопатки 80 перпендикулярно к электроду 70 необходима ввиду того, что поверхность вершины лопатки 80, расположенной перпендикулярно к электроду 70, изменяется. Это схематически изображено на фиг.6, на которой поверхность S1, определенная электродом 70 в положении Pi, слабее, чем поверхность S2, определенная электродом 70 в положении P2.
Зная зазор ji в вершине лопатки для каждого момента ti между моментами t1 и t3, вычисление t i t 1 t 3 t 1 × 100
Figure 00000001
позволяет получить положение зазора ji вдоль вершины лопатки в процентном выражении расстояния между передней кромкой и вершиной лопатки, освобождаясь от скорости вращения лопаток.
Таким образом, в отличие от предшествующего уровня техники, согласно которому можно определить только зазор каждой части вершины лопатки, которая проходит перпендикулярно к электроду, представляется возможным узнать, какая зона вершины лопатки 80 ближе всего к корпусу и будет способна с ним соприкасаться. Изобретение позволяет, таким образом, осуществлять определение зазора ji между вершиной лопатки и корпусом от расположенного выше по потоку конца вершины лопатки 80, соединяющего переднюю кромку 66, до расположенного ниже по потоку конца вершины лопатки 80, соединяющего заднюю кромку 68.
В практическом осуществлении, изображенном на фиг.5, отмечается, что электрод 70 наклонен относительно оси 72 таким образом, что вершина 80 только одной лопатки может располагаться перпендикулярно к электроду в каждый момент времени. Данный тип установки позволяет упростить интерпретацию электрических сигналов, получаемых на выходе датчика.
Однако в случае электрода, ориентированного по оси вращения 72 лопаток, передняя кромка 66 первой лопатки и задняя кромка 68 второй соседней лопатки были бы одновременно обнаружены электродом, что привело бы к увеличению электрической емкости, измеренной датчиком. Была бы получена кривая типа, представленного на фиг.8, содержащая три горизонтальных участка, первый из которых между t1 и t2 соответствует прохождению первой лопатки перпендикулярно к электроду, второй горизонтальный участок кривой между t2 и t3 соответствует одновременному определению вершины первой лопатки и вершины второй лопатки, третий горизонтальный участок кривой между t3 и t4 соответствует определению вершины только второй лопатки.
С таким размещением можно в полной мере получить время прохождения передних кромок 66 и задних кромок 68 каждой из лопаток. Однако оценка зазоров в вершинах лопаток считается более сложной ввиду аддитивности электрических емкостей, источником которых являются две лопатки, перпендикулярные к электроду, не позволяющая отличить, какая из двух частей каждой лопатки, определенных в один и тот же момент, расположена ближе или дальше от электрода.
Фиг.9 представляет собой вид, аналогичный изображенному на фиг.3 согласно предшествующему уровню техники, в который добавлен прямой электрод 84, ориентированный по оси вращения 72 лопаток. Когда лопатка находится в своем недеформированном состоянии Do, она проходит перпендикулярно к электроду 84 между моментами t1 и t2. В состоянии деформации D1 она проходит перпендикулярно к электроду между моментами t1 и t2′. И, наконец, в своем состоянии деформации D2 она проходит перпендикулярно к электроду между моментами t1′′ и t2′′. Моменты времени t1, t1′ и t1′′ соответствуют моментам времени прохождения передних кромок 66 лопатки, а моменты времени t2, t2′ и t2′′ соответствуют моментам времени прохождения задних кромок 68 лопатки.
Изменение между моментами времени t1, t1′ и t1′′ указывает на вибрационную активность лопатки на уровне ее передней кромки 66, в то время как изменение между моментами времени t2, t2′ и t2′′ указывает на вибрационную активность лопатки на уровне ее задней кромки 68. Изменение между разницами моментов времени t1-t2, t1′-t2′ и t1′′-t2′′ указывает на кручение или скручивание лопатки по ее продольной оси 65.
Таким образом, согласно изобретению представляется возможным получить доступ к информации о времени прохождения передних кромок 66 и задних кромок 68 лопаток, не зная при этом предварительно осевого положения электрода 84 относительно лопаток.
Согласно отдельному практическому осуществлению изобретения второй прямой электрод 86 закреплен на внутренней стороне корпуса и ориентирован таким образом, чтобы образовывать не нулевой угол с первым электродом 84 и плоскостью 78, проходящей через переднюю кромку и заднюю кромку лопатки (фиг.10).
Когда вершина лопатки 80 проходит перпендикулярно к первому электроду 84, то он фиксирует в точке A1 время прохождения t1 передней кромки 66, а в точке A2 - время прохождения t2 задней кромки 68. При прохождении вершины лопатки 80 перпендикулярно ко второму электроду 86 последний фиксирует в точке A3 - время прохождения t3 передней кромки 66, а в точке A4 время прохождения t4 задней кромки 68.
Разница времени t3-t1, умноженная на скорость вращения (rad.s-1) лопаток, позволяет получить оценку длины дуги (в радианах), которую проходит передняя кромка 66, между точками A1 и A3. Данной величине дуги соответствует единственная дуга 88, проходящая в круговом направлении и пересекающая два электрода 84, 86, что позволяет получить реальные положения точек A1 и A3 на электродах и, таким образом, осевое расположение передних кромок 66 относительно корпуса. Аналогичным образом, используя разницу времени t4-t2, представляется возможным получить осевое расположение задних кромок 68 лопаток.
Однако данный способ вычисления предполагает, что амплитуда деформации лопатки является незначительной с учетом длины дуги, которую проходит лопатка, что на практике обычно и случается. В конструкторском исполнении, в котором деформация лопатки не будет незначительной с учетом длины дуги, которую проходит лопатка, представляется возможным выполнить цифровые обработки, такие как, например, средние величины времени t3-t1 и t4-t2, на базе множества оборотов.
В том случае, когда имеется намерение получить данные, связанные исключительно с передними кромками 66 или задними кромками 68 лопаток, представляется возможным определить размеры и расположение электродов 90, 92 таким образом, чтобы они проходили исключительно через передние кромки 66 (фиг.11) или задние кромки 68 (фиг.12) лопаток соответственно.
В описании, выполненном со ссылкой на чертежи, электроды 70, 84, 86, 90, 82 имеют прямую форму. Однако следует понимать, что электроды могут иметь длинную форму, не оставаясь при этом прямыми. В этом случае электроды способны иметь изогнутую форму, адаптированную таким образом, чтобы проходить вдоль оси вращения 72 рабочего колеса поперек траекториям, по меньшей мере, передних кромок 66 или задних кромок 66 лопаток. Возможны также и другие формы электродов, такие как, например, зигзагообразная, представляющая собой чередование изогнутых частей или также чередование прямолинейных частей, расположенных встык.
Если описание изобретения было приведено с привязкой к турбомашине, то понятно, однако, что изобретение применимо к любым узлам механизма, содержащего корпус и рабочее колесо с лопатками, вращающимися внутри корпуса, на котором установлен по меньшей мере один электрод, размеры и размещение которого определены, как описано выше.
В частности, изобретение применимо к вентилятору турбомашины, как это описывалось ранее и изображено на фиг.1.

Claims (10)

1. Ступень турбомашины, такая как ступень сжатия, содержащая емкостный датчик, установленный на корпусе перпендикулярно к траектории прохождения вершин (80) лопаток подвижного рабочего колеса для измерения времени прохождения вершин лопаток, отличающаяся тем, что датчик содержит по меньшей мере один длинный электрод (70, 90, 92), закрепленный на внутренней стороне корпуса и ориентированный по диагонали относительно траектории вершин лопаток (80) таким образом, чтобы проходить вдоль оси вращения (72) рабочего колеса поперек траекториям, по меньшей мере, передних кромок (66) или задних кромок (68) лопаток, а также тем, что расположенный ниже по потоку конец (74) электрода (70) смещен по окружности относительно его расположенного выше по потоку конца (76) в том же направлении, что и задние кромки (68) лопаток относительно передних кромок (66) лопаток.
2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что размеры и расположение электрода (70) определены таким образом, чтобы он проходил поперек траекторий передних кромок (66) и задних кромок (68) лопаток.
3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что электрод (70) проходит согласно оси, образуя не нулевой угол с плоскостью (78), проходящей через переднюю кромку (66) и заднюю кромку (68) лопатки.
4. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что она содержит второй длинный электрод (86), закрепленный на внутренней стороне корпуса и ориентированный таким образом, чтобы образовывать не нулевой угол с первым электродом (84).
5. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что она содержит средства определения профиля зазора между вершиной лопатки (80) и корпусом на основе выходного сигнала датчика и величин калибровки.
6. Турбомашина, такая как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одну ступень по п.1.
7. Турбомашина по п.6, отличающаяся тем, что датчик покрыт слоем истираемого материала, нанесенного на внутреннюю сторону корпуса, перпендикулярно к вершинам лопаток.
8. Способ измерения времени прохождения вершин лопаток в турбомашине, отличающийся тем, что он заключается в том, что:
закрепляют по меньшей мере один емкостной датчик с длинным электродом (70) на внутренней стороне корпуса перпендикулярно к траектории вершин лопаток рабочего колеса компрессора турбомашины; причем данный электрод (70) ориентирован по диагонали относительно траектории вершин лопаток таким образом, чтобы проходить вдоль оси вращения (72) рабочего колеса поперек траекториям, по меньшей мере, передних кромок (66) или задних кромок (68) лопаток; причем расположенный ниже по потоку конец (74) электрода (70) смещен по окружности относительно его расположенного выше по потоку конца (76) в том же направлении, что и задние кромки (68) лопаток относительно передних кромок (66) лопаток;
измеряют изменения электрической емкости электрода (70) в зависимости от времени, являющиеся результатом прохождений вершин лопаток (80) против электрода, и
выводят на основе этого время прохождения передних кромок (66) и/или задних кромок (68) лопаток.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что он заключается в измерении изменений разницы времени прохождения лопаток между передними кромками (66) и задними кромками (68) лопаток в течение времени и в выведении на основе этого данных относительно кручения или скручивания лопаток вокруг их продольных осей (65).
10. Способ по п.8, отличающийся тем, что он заключается в том, что:
закрепляют два датчика с длинным электродом (84, 86) вышеупомянутого типа на внутренней стороне корпуса перпендикулярно к лопаткам, причем два электрода (84, 86) образуют между собой не нулевой угол;
измеряют разницу времени прохождения против двух электродов (84, 86) по меньшей мере одной из передней кромки (66) и задней кромки (68) данной лопатки и
выводят из разницы времени и скорости вращения лопаток осевое расположение по меньшей мере одной из передних кромок (66) и задних кромок (68) лопаток относительно электрода (84, 86).
RU2014103480/28A 2011-07-01 2012-06-27 Устройство и способ измерения времени прохождения вершин лопаток в турбомашине RU2593427C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1155983 2011-07-01
FR1155983A FR2977316B1 (fr) 2011-07-01 2011-07-01 Dispositif et procede de mesure des temps de passage de sommets d'aubes dans une turbomachine
PCT/FR2012/051478 WO2013004951A2 (fr) 2011-07-01 2012-06-27 Dispositif et procede de mesure des temps de passage de sommets d'aubes dans une turbomachine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014103480A RU2014103480A (ru) 2015-08-10
RU2593427C2 true RU2593427C2 (ru) 2016-08-10

Family

ID=46579198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014103480/28A RU2593427C2 (ru) 2011-07-01 2012-06-27 Устройство и способ измерения времени прохождения вершин лопаток в турбомашине

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20140126993A1 (ru)
EP (1) EP2726829A2 (ru)
CN (1) CN103620355B (ru)
BR (1) BR112013033935A2 (ru)
CA (1) CA2839815A1 (ru)
FR (1) FR2977316B1 (ru)
RU (1) RU2593427C2 (ru)
WO (1) WO2013004951A2 (ru)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201004559D0 (en) * 2010-03-19 2010-05-05 Rolls Royce Plc Rotating blade analysis
FR3037135B1 (fr) * 2015-06-03 2020-04-17 Safran Aircraft Engines Dispositif de determination du positionnement d'un arbre dans son logement et turbomachine comportant un tel dispositif
US11517948B2 (en) 2016-07-21 2022-12-06 Siemens Healthcare Diagnostics Inc. Basin and high speed air solution
FR3071919B1 (fr) * 2017-10-03 2019-09-20 Safran Aircraft Engines Systeme et procede de mesure de decalage
FR3095507B1 (fr) * 2019-04-29 2021-04-16 Safran Aircraft Engines Procede de controle dimensionnel d’une piece de turbomachine
CN111043949B (zh) * 2019-12-31 2021-04-30 电子科技大学 一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置
CN114485894B (zh) * 2021-12-17 2023-10-27 武汉科技大学 一种基于叶尖定时的旋转叶片振动测试系统及测试方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3208269A (en) * 1960-10-21 1965-09-28 Bristol Siddeley Engines Ltd Electro-magnetic rotation measuring apparatus
US4813273A (en) * 1987-05-14 1989-03-21 Rolls-Royce Plc Turbomachine tip clearance sensor
US4955269A (en) * 1988-02-04 1990-09-11 Westinghouse Electric Corp. Turbine blade fatigue monitor
US5450760A (en) * 1993-10-18 1995-09-19 Lew; Hyok S. Turbine flowmeter with capacitive transducer
RU2280238C1 (ru) * 2005-02-24 2006-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Способ измерения и контроля радиально-осевых зазоров в турбомашинах и устройство для его осуществления
EP1972884A1 (en) * 2007-03-20 2008-09-24 General Electric Company Multi sensor clearance probe
GB2455968A (en) * 2007-11-21 2009-07-01 Rolls Royce Plc An apparatus to measure the clearance between a first component and a second component
US7582359B2 (en) * 2002-09-23 2009-09-01 Siemens Energy, Inc. Apparatus and method of monitoring operating parameters of a gas turbine
US7625169B2 (en) * 2005-07-02 2009-12-01 Rolls-Royce Plc Variable displacement turbine liner

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4049644A (en) * 1976-06-23 1977-09-20 Wennerstrom Arthur J Device for measuring tip deflection of rotating blades
US4247247A (en) * 1979-05-29 1981-01-27 General Motors Corporation Blade tip clearance control
US4509332A (en) * 1984-04-30 1985-04-09 Westinghouse Electric Corp. Apparatus for monitoring corrosive salt solutions in a low pressure steam turbine
GB2181246B (en) * 1985-10-02 1989-09-27 Rolls Royce Apparatus for measuring axial movement of a rotating member
US4934192A (en) * 1988-07-11 1990-06-19 Westinghouse Electric Corp. Turbine blade vibration detection system
GB2229004B (en) * 1989-03-07 1993-09-29 Rolls Royce Plc Improvements in or relating to gas turbine engine tip clearance sensors
US4951500A (en) * 1989-07-26 1990-08-28 Westinghouse Electric Corp. Method for determining the untwist of turbine blades
US5119036A (en) * 1990-05-29 1992-06-02 General Electric Company Electrical capacitance clearanceometer
US5101165A (en) * 1990-05-29 1992-03-31 General Electric Company Electrical capacitance clearanceometer
US5166626A (en) * 1990-05-29 1992-11-24 General Electric Company Electrical capacitance clearanceometer
US5545007A (en) * 1994-11-25 1996-08-13 United Technologies Corp. Engine blade clearance control system with piezoelectric actuator
FR2811422B1 (fr) * 2000-07-06 2002-08-30 Snecma Moteurs Capteur de mesure de jeux par abrasion multiprofondeur
GB2374123B (en) * 2001-04-05 2004-09-08 Rolls Royce Plc Gas turbine engine system
US6700393B2 (en) * 2001-10-17 2004-03-02 Delphi Technologies, Inc. Capacitive sensor assembly for use in a non-contact obstacle detection system
US6955461B2 (en) * 2003-01-24 2005-10-18 Dow Global Technologies, Inc. Tickler for slurry reactors and tanks
US8742944B2 (en) * 2004-06-21 2014-06-03 Siemens Energy, Inc. Apparatus and method of monitoring operating parameters of a gas turbine
US7341428B2 (en) * 2005-02-02 2008-03-11 Siemens Power Generation, Inc. Turbine blade for monitoring torsional blade vibration
US8591188B2 (en) * 2005-04-26 2013-11-26 General Electric Company Displacement sensor system and method of operation
US7215129B1 (en) * 2006-03-30 2007-05-08 General Electric Company Multi tip clearance measurement system and method of operation
DE102007051027A1 (de) * 2007-10-25 2009-04-30 Mtu Aero Engines Gmbh Strömungsmaschine, Spaltmesssystem und Verfahren zum Ermitteln eines Rotorspaltes
US20090142194A1 (en) * 2007-11-30 2009-06-04 General Electric Company Method and systems for measuring blade deformation in turbines
US8126662B2 (en) * 2008-09-24 2012-02-28 Siemens Energy, Inc. Method and apparatus for monitoring blade vibration with a fiber optic ribbon probe
US8151647B2 (en) * 2008-09-24 2012-04-10 Siemens Energy, Inc. Apparatus for monitoring blade vibration with an imaging fiber optic ribbon probe
FR2986864B1 (fr) * 2012-02-14 2014-02-28 Snecma Methode de mesure de la deformation d'une aube de turbomachine au cours du fonctionnement de la turbomachine
US8687206B2 (en) * 2012-05-29 2014-04-01 United Technologies Corporation Optical detection of airfoil axial position with NSMS
EP2728128A1 (de) * 2012-10-31 2014-05-07 Siemens Aktiengesellschaft Messverfahren zur Schadenserkennung an einer Turbinenschaufel und Turbine
GB201309622D0 (en) * 2013-05-30 2013-07-10 Rolls Royce Plc Blade tip timing
GB2520247B (en) * 2013-11-12 2015-12-09 Rolls Royce Plc Edge Detector

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3208269A (en) * 1960-10-21 1965-09-28 Bristol Siddeley Engines Ltd Electro-magnetic rotation measuring apparatus
US4813273A (en) * 1987-05-14 1989-03-21 Rolls-Royce Plc Turbomachine tip clearance sensor
US4955269A (en) * 1988-02-04 1990-09-11 Westinghouse Electric Corp. Turbine blade fatigue monitor
US5450760A (en) * 1993-10-18 1995-09-19 Lew; Hyok S. Turbine flowmeter with capacitive transducer
US7582359B2 (en) * 2002-09-23 2009-09-01 Siemens Energy, Inc. Apparatus and method of monitoring operating parameters of a gas turbine
RU2280238C1 (ru) * 2005-02-24 2006-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Способ измерения и контроля радиально-осевых зазоров в турбомашинах и устройство для его осуществления
US7625169B2 (en) * 2005-07-02 2009-12-01 Rolls-Royce Plc Variable displacement turbine liner
EP1972884A1 (en) * 2007-03-20 2008-09-24 General Electric Company Multi sensor clearance probe
GB2455968A (en) * 2007-11-21 2009-07-01 Rolls Royce Plc An apparatus to measure the clearance between a first component and a second component

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014103480A (ru) 2015-08-10
EP2726829A2 (fr) 2014-05-07
US20140126993A1 (en) 2014-05-08
WO2013004951A2 (fr) 2013-01-10
BR112013033935A2 (pt) 2017-02-14
CN103620355B (zh) 2015-09-09
CA2839815A1 (fr) 2013-01-10
FR2977316A1 (fr) 2013-01-04
CN103620355A (zh) 2014-03-05
WO2013004951A3 (fr) 2013-10-24
FR2977316B1 (fr) 2014-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2593427C2 (ru) Устройство и способ измерения времени прохождения вершин лопаток в турбомашине
JP5190464B2 (ja) 非接触ブレード振動測定方法
CN101622516B (zh) 叶片罩振动监测器
EP1813778B1 (en) Method of monitoring blade vibration in a turbine engine
EP2870346B1 (en) Advanced tip-timing measurement blade mode identification
EP2676002B1 (en) Turbine tip clearance measurement
US7424823B2 (en) Method of determining the operating status of a turbine engine utilizing an analytic representation of sensor data
EP2369314B1 (en) Rotating blade analysis
KR0139213B1 (ko) 슈라우드 터빈블레이드 진동 감시기
US20110213569A1 (en) Method and device for detecting cracks in compressor blades
EP2261614B1 (en) Combined amplitude and frequency measurements for non-contacting turbomachinery blade vibration
EP2236977A1 (en) Time-indicating rub pin for transient clearance measurement and related method
EP1883789B1 (en) An instrumentation arrangement
US20140356166A1 (en) Clearance measuring sensor with abradable electrode
CN110662948B (zh) 叶片振动监视装置、叶片振动监视系统、动叶及旋转机械
KR20140007817A (ko) 로터를 모니터링하기 위한 장치 및 방법
EP2012086A1 (en) Displacement measurement arrangement
US20130309063A1 (en) Turbine engine fan or compressor
EP3567215A1 (en) Rotor balancing method and apparatus
US9897431B2 (en) Edge detector
US10641596B2 (en) Systems and methods for pseudo-triaxial capacitance probe assemblies
EP2574734B1 (en) Systems and methods for mode shape identification
CN118043637A (zh) 用于监测涡轮发动机的方法、设备和系统

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190628