Продолжение статьи за авторством Д. Б. Волов
Ниже приводится оценка конкретного варианта реализации рассмотренного способа при средней высоте микронеровностей на торцах лопаток 3,0 мкм. Такая поверхность получается после чистового шлифования абразивными материалами с зернистостью 20... 16 и соответствует 8 классу чистоты обработки поверхности. Условиям зеркального отражения в определенной степени удовлетворяет излучение полупроводникового лазера на основе PbSe с А, =8,5 мкМ. Для выполнения условий диффузного отражения подходит лазер на основе [7]. Среди селективных фотоприемников диапазону диффузно отраженного излучения соответствуют, например, фотодиоды типа ФД-6, имеющие максимальную спектральную чувствительность, а для зеркально отраженного потока излучения - фотовольтаические приемники с максимальной спектральной чувствительностью [8].
На рис. 4 приведены графики коэффициента неидеальности отражающих свойств рассматриваемой поверхности с использованием выбранных излучателей. Лазер на основе PbSe (h/Я. = 0,352; верхний график) обеспечивает зеркальное отражение потока от торца лопатки.
Рис. 4. Оценка отражающих свойств (КНО) торцов лопаток.
Рассмотренный пример показывает, что действительно существует принципиальная возможность использования разноволновых источников излучения и селективных фотоприемников для реализации ОЭДФМ определения деформаций лопаток.
Измерение средней высоты микронеровностей на торцах серийно изготавливаемых лопаток показало, что их величина лежит в пределах 20...50 мкМ. Поэтому для формирования потока излучения, обладающего зеркальным отражением от таких поверхностей, требуются длинноволновые источники излучения со значениями Л=150...400 мкМ и соответствующие им приёмники для регистрации излучения. По данным [7], такие длины волн способны генерировать газовые лазеры. Например, лазер на основе СН3СН имеет Л=417,8 мкМ. В качестве приемников излучения такого спектрального диапазона возможно использование, например, пироэлектрических детекторов [8], имеющих требуемый рабочий диапазон длин волн и необходимое быстродействие. Однако в настоящее время газовые лазеры длинноволнового диапазона изготавливаются практически только для экспериментальных лабораторных установок и не выпускаются серийно. Кроме того, газовые лазеры, как правило, имеют значительные габаритные размеры и сложную оптику, подверженную влиянию вибраций.
Необходимо также отметить общий недостаток, присущий всем рассмотренным способам осуществления ОЭДФМ. Он связан с тем, что с увеличением расстояния (зазора) между торцами лопаток и ППК СПС увеличивается прямо пропорционально и длина дуги, которую прочерчивает отраженный луч по внутренней поверхности корпуса турбины, соответственно изменяются и временные интервалы между максимумами индикатрис зеркально и диффузно отраженных потоков. Отмеченные недостатки оптоэлектрон-ных разноволновых способов сравнительно легко преодолеваются при выполнении исследовательских и экспериментальных работ, но затрудняют их использование на серийно выпускаемых и находящихся уже в эксплуатации турбомашинах.
Способ определения деформаций лопаток при совместном использовании оптоэлектронных и вихретоковых первичных преобразователей
Структурная схема устройства [5] приведена на рис. 5. Она включает в себя установленные соосно в корпусе 2 турбомашины ППК СПС 3 и обмотку 4 вихретокового преобразователя (ВТП) 5; источник 6 излучения с длиной волны Л, обеспечивающей зеркальное отражение от торца 1 лопатки; фотоприемник 7; компараторы 8 и 9; дифференцирующую цепь 10; пиковый детектор 11; блоки выделения середин электрических импульсов 12 и 13; блок 14 измерения временных интервалов и перемножитель 15 электрических сигналов.
Рис. 5. Структурная схема устройства для определения деформаций лопаток с использованием ОЭП-ВТП
Определение деформаций лопаток при совместном использовании ОЭП-ВТП отличается от ранее рассмотренных способов тем, что вместо опорных импульсов, получаемых при диффузном отражении потока от торцов лопаток, используется электрический сигнал взаимодействия торца лопатки с ВТП. В силу малой чувствительности ВТП к изменению пространственного углового положения торца лопатки временное положение его оказывается более стабильным, что позволяет в несколько раз увеличить точность измерений. Информационный параметр - временной интервал между серединами импульсов фотоприемника и ВТП - связан прямо пропорционально с величиной зазора между торцами лопаток и корпусом турбомашины.
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Схематично работу устройства, реализующего данный способ, можно представить следующим образом. Поток излучения от источника 6 канализируется по одному из световодов СПС 3 к ППК и излучается с него в направлении траектории движения торцов лопаток. Излученный поток, попадая на торцы лопаток, отражается от них и частично попадает на ППК СПС 3, а затем по второму световоду канализируется к фотоприемнику 7. ВТП 5, обмотка 4 которого расположена со-осно с ППК СПС 3 в корпусе 2 турбоагрегата, генерирует электрические импульсы во время прохождения возле обмотки торцов лопаток. Затем электрические импульсы с ВТП и фотоприемника формируются по определённому уровню компараторами 8 и 9, после чего поступают в блоки 12,13 выделения середин импульсов. Временной интервал между ними измеряется и нормируется к максимальной величине в блоке 14. Для фиксации пикового уровня импульсы ВТП поступают на информационный вход пикового детектора 11, выходное напряжение которого после нормировки подается на один из входов перемножителя 15. На его второй вход поступает напряжение, соответствующее измеренному временному интервалу. После выполнения операции перемножения результат подается на выход устройства. Для обеспечения возврата пикового детектора в исходное состояние используется дифференцирующая цепь 10.
При выборе необходимого источника излучения критерием служил коэффициент неидеальности зеркального отражения К3, мощность, габариты и стоимость излучателя. При использовании одного и того же полупроводникового светодиода типа АЛ 107 в режиме излучения и приема, имеющего максимум спектральной характеристики на X = 1,1 мкМ, КНО не превышал 3...5 %. Миниатюрное исполнение корпуса светодиода, достаточная мощность генерируемого в непрерывном режиме излучения (порядка 10 мВт), небольшая стоимость - все это позволяет использовать данный радиоэлемент при построении оптоэлектронных преобразователей.
Рис. 6. Индикатрисы отражения от торца реальной лопатки при облучении под углами: 1 - 20°; 2 - 40°; а - в плоскости, параллельной штрихам; б - в плоскости, перпендикулярной штрихам.
Кажущееся расхождение теоретических соотношений между характером отраженного потока и отношением h/Х объясняется тем, что поверхность торца реальной лопатки, например газотурбинного двигателя НК-12СТ, имеет штрихообразный контур поверхности после выполнения обязательной стандартной технологической операции проточки лопаточного венца в составе ротора турбомаши-ны. Это является причиной своеобразного отражения излучения, падающего на такую поверхность. На рис.ба приведены для примера экспериментальные нормированные индикатрисы отражения от торца реальной лопатки в плоскости, параллельной штрихам, т. е. в плоскости вращения лопаточного колеса.
Наблюдения проводились под углами 20° и 40°, в обоих случаях имело место правильное зеркальное отражение. На рис. 66 приведены экспериментальные нормированные индикатрисы отражения от торца той же лопатки, но в плоскости, перпендикулярной к штрихам. Максимумы отраженного потока наблюдаются вблизи направления зеркального отражения с тенденцией смещения в сторону, противоположную облучателю, и область рассеяния занимает значительно более широкий телесный угол. Полученные результаты подтверждаются результатами работы [10].
Таким образом, совместное комбинированное использование ОЭП и ВТП позволяет реализовать все достоинства ОЭДФМ определения деформаций динамически нагруженных лопаток турбомашин, устранить недостатки, присущие вышеописанным разно-волновым способам и устройствам, выполнить требования ограниченного препарирования корпуса турбоагрегата и исключить дополнительные технологические операции по формированию на торцах лопаток отражающих участков.
Список литературы
1. Заблоцкий И. Е., Коростелев Ю. А., Шипов Р. А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1977. 160 с.
2. А. с. 1256506 СССР, МКИ3 G01B 11/16. Способ определения деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины и устройство для его осуществления/ В. А. Медников, А. И. Данилин (СССР). Опубл. Бюл. «Изобретения. Полезные модели» № 20,2001 г.
3. А. с. 1293483 СССР, МКИ3 G01B 11/16. Способ определения деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины/ В. А. Медников, А. И. Данилин (СССР). Опубл. Бюл. «Изобретения» № 8, 1987 г.
4. А. с. 1383970 СССР, МКИ3 G01B 11/16. Способ определения деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины/ В. А. Медников, А. И. Данилин, Ю. И. Макарычев (СССР). Опубл. Бюл. «Изобретения. Полезные модели» № 20, 2001 г.
5. А. с. 1450531 СССР, МКИ3 GO 1В 11/16. Способ определения деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины и устройство для его осуществления/ В. А. Мед-
ников, А. И. Данилин (СССР). Опубл. Бюл. «Изобретения» № 33, 1998 г.
6. Винокуров В. М. Исследование процесса полировки стекла. М.: Машиностроение, 1967. 168 с.
7. Справочник по лазерной технике /Под ред. Ю. В. Байбородина. Киев: Техника, 1978. 256 с.
8. Полупроводниковые фотоприемники. Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазон спектра/Под ред. В.И.-Стафеева. М., Радио и связь, 1984. 216 с.
9. Данилин А. И., Макарычев Ю. И., Медников В. А. Выбор и оценка влияния факторов, определяющих передаточную характеристику электромагнитных первичных преобразователей: Тез. докл. VII областной НТК. Куйбышев, 1985. С. 109.
10. Топорец А. С. Гониоспектрофотомет-рическая установка //Оптика и спектроскопия, 1959. № 7. С. 20-24
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.