А. И. Данилин
Самарский государственный аэрокосмический университет
В статье описывается оптоэлектронный дискретно-фазовый метод измерения деформаций лопаток вращающихся колес турбоагрегатов. Рассматриваются достоинства и недостатки различных вариантов реализации оптоэлектронного дискретно-фазового метода. Вводится критерий, связывающий между собой параметры отражающей поверхности и длину волны излучателя и позволяющий сформулировать необходимые условия для осуществления метода. Приводятся примеры структурных схем устройств, реализующих этот метод.
Стремление к увеличению единичной мощности турбомашин при условии сохранения или повышения их экономичности и надежности сопровождается ростом напряженности ряда деталей, узлов и, в первую очередь, лопаточного аппарата. Поэтому определение деформационного состояния лопаток является актуальной задачей как на стадии экспериментально-доводочных работ, так и при эксплуатации турбоагрегатов.
Среди методов измерения, контроля и регистрации динамических деформационных параметров лопаток известны оптоэлектрон-ные способы реализации дискретно-фазового метода (ДФМ), предназначенные для определения деформаций динамически нагруженных лопаток вращающихся колес турбоагрегатов посредством определения угловых положений торцов лопаток. В их основу положен физический принцип зависимости отражающих свойств поверхностей материалов от качества их обработки и частоты электромагнитного излучения. Сущность метода заключается в том, что торец лопатки, деформированной при вращении лопаточного колеса, отклоняется от первоначального положения на некоторый угол ее. Положение индикатрисы потока, отражённого от торца зеркально, зависит прямо пропорционально от изменения его углового положения, поэтому максимум индикатрисы зеркально отраженного потока отклоняется от первоначального положения на тот же угол а . Индикатриса диффузно отраженного потока имеет практически круговой вид, и поэтому ее положение в малой степени зависит от ориентации
отражающего участка. Таким образом, если зафиксировать во времени положения максимумов индикатрис обоих потоков, отраженных от торца движущейся контролируемой лопатки, то по временному интервалу между ними возможно судить о величине ее деформации, используя связь напряженных состояний деформированных консольно закреплённых лопаток с угловыми положениями их торцов.
Главным достоинством оптоэлектронного дискретно-фазового метода (ОЭДФМ) является то, что определение деформаций лопаток осуществляется при отсутствии корневых датчиков. Это существенно снижает объем препарирования турбомашины и уменьшает трудоемкость проводимых измерений. Установка первичных оптоэлектрон-ных преобразователей (ОЭП) в корпусе турбоагрегата заподлицо с внутренним защитным кольцом практически полностью исключает влияние измерительных средств на процессы внутреннего тракта двигателя.
Оптоэлектронные измерители позволяют расширить функциональные возможности ДФМ при определении деформаций лопаток, получить дополнительную информацию о состоянии лопаточного венца и устранить недостатки, присущие таким реализациям ДФМ, как электроннолучевые устройства регистрации и измерения амплитуд колебаний лопаток (ЭЛУРА и ЭЛИА) [1].
Так, например, при измерении деформаций, вызванных высшими формами колебаний лопаток, диапазон перемещений периферийных кромок уменьшается, соответственно уменьшается и чувствительность традиционных измерительных средств ДФМ [ 1 ], но при этом диапазон угловых положений торцов лопаток увеличивается. Поэтому чувствительность ОЭДФМ при определении подобных деформаций также увеличивается, и вследствие этого становится возможным измерение локальных деформаций, обусловленных кромочными или пластиночными высокочастотными колебаниями верхних частей лопаток. Предложено несколько способов осуществления ОЭДФМ и ряд устройств для их реализации [2-5]. Все реализации ОЭДФМ можно разделить на две группы. В устройствах первой группы на торцах лопаток формируются зеркально и диффузно отражающие участки, в реализациях второй группы измеряют величину микронеровностей на торцах лопаток и выбирают соответствующие излучатели и фотоприемники. Наличие операций формирования отражающих участков на торцах лопаток является сдерживающим фактором использования устройств первой группы на штатных турбомашинах, поскольку подобные операции должны планироваться на стадии разработки технологических процессов изготовления и сборки лопаточного аппарата двигателя. Поэтому ниже будут рассмотрены варианты реализации ОЭДФМ второй группы, как более универсальные.
Способ определения деформаций лопаток с использованием разноволновых источников излучения. В этом способе реализации ОЭДФМ [4] используются различные отражающие свойства материалов, зависящие от размеров микронеровностей поверхности торцов лопаток, их упорядоченности и длины волны излучения, падающего на эту поверхность. Известно, что поверхность обладает зеркальным
отражением в случае, если длина волны Л падающего на нее излучения больше в восемь раз высоты микронеровностей h и отражает падающий на нее поток абсолютно диффузно, если Я равна или меньше h и расположение микронеровностей хаотично [6].
При абсолютно диффузном отражении интенсивность по сечению пучка отраженного потока одинакова во всех направлениях. Это означает, что индикатриса рассеяния (ИР) отраженного потока имеет форму круга, точка касания которого с отражающей поверхностью является местом падения исследуемого луча, а ось ИР совпадает с нормалью, восстановленной из точки падения. Соответственно, ось ИР потока, отраженного не абсолютно диффузно, образует с нормалью, восстановленной из точки падения, уголсс0 Ф 0. Если описанные процессы рассмотреть в пределах фотометрической поверхности, приведенной на рис. 1, то величину отклонения оси ИР от нормали в точке падения луча можно охарактеризовать некоторойбезразмерной величиной: а = sinau.
Рис.1 - Положение ИР отражённых потоков на фотометрической поверхности.
Для получения относительной оценки получаемых отклонений предлагается ввести коэффициент неидеальности отражения
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Следует отметить, что КНО связывает между собой различные виды отражений по отношению к величинам микронеровностей отражающей поверхности и длине волны падающего излучения. В условиях рассматриваемой задачи КНО может служить оценочным критерием ожидаемых результатов. Вид обобщенной зависимости К (а) = f(h/A), часть точек которой получены экспериментальным путем, приведен на рис. 2. Из него следует, что при правильном идеальном зеркальном отражении а„ = а0 и К (а) = 1. При абсолютно диффузном отражении К (а) = 0. Зная отношение hi Л, по этой кривой можно оценить неидеальность зеркального отражения:
К з = 1 - f(h/X) и неидеальность диффузного отражения: К Д = f(h/X).
Структурная схема для определения деформаций лопаток с использованием раз-новолновых источников излучения приведена на рис. 3. Ее составной частью является торец 1 лопатки; корпус 2 турбомашины, в котором установлена светопроводящая система 3 (СПС); источники излучения 4 и 5, длины волн которых, соответственно, Я, и Л2; селективные фотоприемники 6 и 7; компараторы 8 и 9; блоки 10, 11 выделения середин прямоугольных импульсов и блок 12 измерения-регистрации временных интервалов.
При реализации разноволнового способа измеряется средняя высота микронеровностей, характеризуемая в терминах ГОСТ 2789-73 параметром шероховатости R. на торцах уже готовых лопаток.
После этого формируется поток излучения, беспечивающий зеркальное отражение от торцов лопаток, и поток излучения с А, < h, обеспечивающий диффузное отражение от тех же торцов. Затем выбираются селективные отоприемники, имеющие максимальную спектральную чувствительность, оответственно, при А, и А.
При измерении деформаций лопаток потоки излучения от источников 4 и 5 канализируются по СПС 3. Приемо-передающий коллектор (ППК) СПС 3 устанавливается в корпусе 2 турбомашины против траектории движения торцов 1 лопаток вращающегося лопаточного колеса. Потоки излучения с ППК попадают на торцы лопаток и отражаются от них: один - зеркально, второй - диффузно. Отраженные потоки принимаются ППК и с помощью СПС 3 подводятся к селективным фотоприемникам 6 и 7, которые выделяют из общего отраженного потока части, соответствующие Л1 для зеркально отраженного потока и А, для диффузно отраженного потока. Электрические сигналы с фотоприемников обрабатываются в компараторах 8, 9 и по временным интервалам между серединами прямоугольных импульсов компараторов определяются деформации лопаток.
Рис. 2. Зависимость КНО от отношения средней высоты микронеровностей к длине волны излучения
Рис. 3. Структурная схема устройства для определения деформаций лопаток с использованием разноволновых источников излучения
Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.
Полную версию статьи со всеми чертежами, формулами и приложениями см. в печатной версии журнала.
Продолжение следует.