Способ контроля лопаток газотурбинного двигателя и устройство для его осуществления

Авторы патента:

БУРОН Ален Анри Даниэль (FR)

ЭСКЮРЕ Жан Франсуа (FR)

МЕРВИЛЛЬ Дидье (FR)

ВИЛЛЭН Лоран Кристоф Франсис (FR)

G01M15/14 - Испытание машин и двигателей (испытание топливовпрыскивающей аппаратуры F02M 65/00; испытание зажигания двигателей внутреннего сгорания, например проверка синхронизации F02P 17/00; обнаружение стуков в двигателях внутреннего сгорания G01L 23/22)

Владельцы патента RU 2360224:

СНЕКМА (FR)

Настоящее изобретение касается способа и устройства контроля лопаток газотурбинного двигателя, имеющих профиль, включающий скелет, наружную поверхность, внутреннюю поверхность, переднюю кромку ВА и заднюю кромку BF. Способ состоит в

- измерении геометрических координат совокупности точек, расположенных, по крайней мере, на одном сечении лопатки;

- расчете, по крайней мере, одного из аэродинамических параметров сечения лопатки исходя из измеренных координат;

- проверке отклонения величины рассчитанного аэродинамического параметра от допустимого диапазона пригодности, определяемого номинальной величиной аэродинамического параметра эталонной лопатки и соответствующим допуском; и

- признании лопатки годной, если величина аэродинамического параметра находится внутри диапазона пригодности, или отбраковки лопатки, если величина аэродинамического параметра не находится внутри диапазона пригодности. Такие способ и устройство позволят повысить точность контроля лопаток газотурбинного двигателя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

После изготовления и до своего монтажа на диске ротора или корпуса, лопатка газотурбинного двигателя контролируется, или другими словами осматривается, чтобы определить, соответствует ли промышленно изготовленная лопатка эталонной лопатке, то есть той, которую хотели получить теоретически. Этот существенный контроль позволяет проверить основные отклонения по отношению к эталону и санкционировать возможный разброс свойств.

Этот контроль оказывается еще больше значимым для двигателей, находящихся в разработке, в частности демонстрационных моделей или прототипов при их доводке. Действительно, знание геометрии используемых деталей позволяет освободиться от возможных вредных отклонений в функционировании газотурбинного двигателя.

Ранее уже были предложены различные методы контроля лопаток. Основной этап, общий для различных методов контроля, согласно предшествующему уровню техники, заключается в проведении трехмерной съемки в декартовых координатах совокупности точек проверяемой лопатки. Измерения осуществляются автоматически посредством устройства известного специалистам, включающего суппорт, на котором закрепляется измеряемая лопатка, и, по крайней мере, щуп для измерения геометрических координат в различных точках лопатки. Согласно первому варианту суппорт неподвижен, а щуп перемещается механически. Согласно второму варианту наоборот, суппорт перемещается механически, а щуп неподвижен. Согласно третьему варианту и суппорт и щуп - оба перемещаются механически.

В документе US 5047966 описаны различные используемые методы трехмерного геометрического измерения лопаток. Документ US 4653011 описывает контактный метод, в котором конец щупа приводится в контакт с измеряемым предметом. Другие методы - бесконтактные, предполагают использование источников типа рентгеновских лучей (US 6041132) или лазера (US 4724525).

Обычно используемая техника геометрического измерения последовательных точек также описана в документе US 5047966: декартовы координаты точек снимаются соответственно параллельным сечениям лопатки. В приведенном примере 840 дискретных точек определены согласно 28 параллельным сечениям. Исходя из желаемой точности количество точек может меняться. До настоящего времени для единственного сечения могут потребоваться 300 точек. Эти точки измеряемых лопаток затем записываются на магнитный носитель информации.

Для определения соответствия промышленно изготовленных лопаток, лопатку, которую хотели получить теоретически, располагают, с одной стороны, к моделе эталонной лопатки и, с другой стороны, к контрольным допускам.

Эта эталонная модель описывает требуемую лопатку посредством различных геометрических точек, записанных на магнитный носитель. Подобная модель проиллюстрирована в документе ЕР 1498577, описывающем таблицу, содержащую декартовы координаты эталонной лопатки. В этом примере фиксируется отклонение какой-либо точки контролируемой лопатки на ±0,150 дюйма в направлении нормали к ее поверхности. Контролируемая лопатка, отличающаяся от эталонной, может быть таким образом отбракована.

Отклонения могут также касаться смещений в прямолинейном или в угловом направлении, как описано в документе US 6748112, без различия более существенных точек по отношению к другим. Предшествующий уровень техники прибегает, таким образом, к исключительно геометрическим критериям, чтобы подтвердить пригодность или отбраковать проверяемую лопатку.

Требования, касающиеся желаемой точности, сегодня таковы, что объем информации, состоящий главным образом из декартовых координат всех измеренных точек во множестве сечений лопатки, оказывается значительным и что он труден для обобщения. К тому же, геометрические смещения не могут быть прямо пояснены с точки зрения аэродинамики.

Настоящее изобретение имеет целью разрешить вышеперечисленные проблемы. В отличие от способов контроля лопаток газотурбинного двигателя, характерных для предшествующего уровня техники, которые проверяли соответствие лопатки согласно геометрическим критериям для всей ее совокупности, способ контроля лопаток согласно изобретению предлагает проверять лопатки по существенным аэродинамическим параметрам в точках, важных для аэродинамических качеств лопаток.

Другая цель изобретения состоит в том, чтобы обработать объем информации, представляющий собой главным образом декартовы координаты всех измеренных точек, более простым и более быстрым способом.

Настоящее изобретение относится к способу контроля лопаток газотурбинного двигателя, имеющих профиль, включающий скелет, наружную поверхность, внутреннюю поверхность, переднюю кромку (ВА) и заднюю кромку (BF), который характеризуется тем, что содержит:

- измерение геометрических координат совокупности точек, расположенных на профиле, по крайней мере, одного сечения лопатки;

- расчет, по крайней мере, одного аэродинамического параметра сечения лопатки исходя из измеренных координат;

- проверку отклонения величины рассчитанного аэродинамического параметра от диапазона пригодности, определяемого номинальной величиной аэродинамического параметра эталонной лопатки и соответствующим допуском; и

- признание лопатки годной, если величина аэродинамического параметра находится внутри диапазона пригодности, или отбраковку лопатки, если величина аэродинамического параметра не находится внутри диапазона пригодности, при этом аэродинамический параметр выбирается из следующих аэродинамических параметров:

- угла (β_as, β_ае, β_ai, β_fs, β_fe и β_fi), образованного:

- касательной в точке (AS, AE, AI, FS, FE, FI), расположенной вдоль скелета, наружной поверхности или внутренней поверхности на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины скелета, наружной поверхности или внутренней поверхности начиная от передней кромки (ВА) или задней кромки (BF) по криволинейной абсциссе; и

- осью двигателя m;

- величины (VARβ_as, VARβ_ae, VARβ_ai, VARβ_fs, VARβ_fe, VARβ_fi), представляющей максимальное отклонение между:

- значением угла β_as на расстоянии, соответствующем проценту Р3 общей длины скелета, наружной поверхности или внутренней поверхности начиная от передней кромки (ВА) или от задней кромки (BF) по криволинейной абсциссе; и

- совокупности значений угла β_as на участке, заключенном между процентом Р1 и процентом Р2 общей длины скелета, наружной поверхности или внутренней поверхности начиная от передней кромки (ВА) или задней кромки (BF) по криволинейной абсциссе; причем

значение Р3 является средним между значениями Р1 и Р2; и

- величины (MOYβ_as, MOYβ_ae, MOYβ_ai, MOYβ_fs, MOYβ_fe, MOYβ_fi), представляющие среднее значение угла (β_as, β_ае, β_ai, β_fs, β_fe и β_fi) на участке, заключенном между процентом Р1 и процентом Р2 общей длины скелета, наружной поверхности или внутренней поверхности начиная от передней кромки (ВА) или от задней кромки (BF) по криволинейной абсциссе; при этом

процент Р заключен между 1% и 20% общей длины скелета, наружной поверхности или внутренней поверхности начиная от передней кромки (ВА) или от задней кромки (BF) по криволинейной абсциссе, и значения Р1 и Р2 принадлежат интервалу [1%; 20%].

Может быть предусмотрено, что для сечения лопатки аэродинамический параметр выбирается помимо прочего среди следующих аэродинамических параметров:

- толщины (Е_а, E_f) сечения лопатки на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины скелета, начиная от передней кромки (ВА) или от задней кромки (BF) по криволинейной абсциссе;

- максимальной толщины (Е_max) сечения лопатки; и

- угла установки лопатки (γ).

Также способ предусматривает, что несколько аэродинамических параметров выбираются одновременно, этими параметрами являются:

угол установки лопатки (γ), угол (β_as), угол (β_ае), угол (β_fs), угол (β_fe), толщина (Е_а), толщина (E_f), толщина (Е_max), (VARβ_as), (VARβ_ae), (VARβ_fe).

В предпочтительном варианте процент Р составляет 7,2%, также предпочтительно если значения Р1 и Р2 принадлежат интервалу [7%; 13%].

В варианте способа параметры контролируются для трех сечений лопаток, расположенных соответственно вблизи основания, в середине и вблизи вершины лопатки.

В другом варианте три сечения лопатки, расположенные вблизи основания, в середине и вблизи вершины лопатки, находятся соответственно на расстоянии 10%, 50% и 90% высоты лопатки.

Также предложено устройство контроля лопаток газотурбинного двигателя, предназначенное для осуществления способа контроля лопаток газотурбинного двигателя, включающее:

- средства измерения геометрических координат совокупности точек, контролируемой лопатки;

- средство расчета аэродинамических параметров измеряемой лопатки;

- средство проверки соответствия измеренных параметров

номинальным параметрам эталонной лопатки с их соответствующими допусками; и

- средство для приемки или отбраковки контролируемой лопатки.

Согласно изобретению способ контроля лопаток газотурбинного двигателя, имеющих профиль, включающий скелет, наружную поверхность, внутреннюю поверхность, переднюю кромку и заднюю кромку, заключается в том, чтобы:

- измерить геометрические координаты совокупности точек, расположенных на профиле, по крайней мере, одного сечения лопатки;

- рассчитать, по крайней мере, один аэродинамический параметр сечения лопатки исходя из измеренных координат;

- проверить, не отклоняется ли величина рассчитанного аэродинамического параметра от диапазона пригодности, определяемого номинальной величиной аэродинамического параметра эталонной лопатки и соответствующим допуском; и

- признать лопатку годной, если величина аэродинамического параметра находится внутри диапазона пригодности или отбраковать лопатку, если величина аэродинамического параметра не находится внутри диапазона пригодности.

Под номинальным параметром в плане настоящего изобретения подразумевается параметр, подобный указанным ниже.

Указанными аэродинамическими параметрами могут быть, в частности, угол установки лопаток, угол при входе или при выходе лопаток на скелете, наружной стороне или внутренней стороне, где вход или выход лопаток соответствуют зонам, расположенным соответственно вблизи передней кромки ВА или задней кромки BF.

Такие параметры легче пояснить с точки зрения аэродинамики, и решение о том, принять или забраковать проверяемую лопатку, может быть принято очень быстро.

Согласно изобретению контроль осуществляется преимущественно на ограниченном количестве сечений, поперечных по отношению к оси, названной радиальной, причем эти сечения расположены вблизи основания, в середине и вблизи вершины лопатки.

Для проведения большинства этапов упомянутого способа контроля преимущественно используется компьютерная программа, иначе говоря, последовательность команд и данных, записанных на носитель и пригодных для компьютерной обработки. Настоящее изобретение относится, таким образом, также к компьютерному программному продукту, загружаемому в память компьютера и предназначенному для осуществления способа согласно изобретению.

С другой стороны, изобретение относится также к совокупности методов, предназначенных для осуществления способа контроля, точнее к системе контроля лопаток газотурбинного двигателя, включающей:

- метод измерения геометрических координат совокупности точек контролируемой лопатки,

- метод расчета аэродинамических параметров измеряемых лопаток,

- метод проверки правильности измеренных параметров в сравнении с номинальными параметрами и соответствующими допусками эталонной лопатки; и

- метод приемки или отбраковки контролируемой лопатки.

Изобретение будет лучше понято, и другие его характеристики и преимущества выявятся при чтении последующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено:

фиг.1 - вид сечения лопатки, контролируемой согласно предшествующему уровню развития техники, в плоскости нормальной к радиальной оси;

фиг.2 - первый вид сечения лопатки, контролируемой согласно изобретению в плоскости, нормальной к радиальной оси;

фиг.3 - второй вид сечения лопатки, контролируемой согласно изобретению в плоскости, нормальной к радиальной оси;

фиг.4 - третий вид сечения лопатки, контролируемой согласно изобретению в плоскости, нормальной к радиальной оси;

фиг.5 - четвертый вид сечения лопатки, контролируемой согласно изобретению в плоскости, нормальной к радиальной оси;

- фиг.6 - пятый вид сечения лопатки, контролируемой согласно изобретению в плоскости, нормальной к тангенциальной оси; и

фиг.7 - устройство контроля лопаток газотурбинного двигателя.

Фиг.1 схематически представляет сечение лопатки 10. Согласно предшествующему уровню развития техники допуск 4, определяемый в зависимости от геометрического отклонения между эталонной лопаткой и измеряемой лопаткой, позволяет определить предельные отклонения 2 и 3, которые может иметь эта контролируемая лопатка. Эти отклонения 2 и 3 устанавливают границы пространства, в котором контролируемая лопатка 1 должна располагаться для того, чтобы не быть забракованной.

Для измерения лопатка предпочтительно закрепляется на держателе. На фиг.2 представлено сечение лопатки 10, контролируемой согласно изобретению, выполненное исходя из ее декартовых координат измеренных для заданной высоты лопатки. Учитывая неподвижность лопатки на держателе, возможно определить оси отсчета на этой лопатке. Ось двигателя m представляет ось вращения двигателя, если лопатка была установлена на диске ротора. Ось r представляет радиальную ось по отношению к оси вращения двигателя. Ось t представляет тангенциальную ось, перпендикулярную двум другим осям m и r.

Различные точки сечения лопатки 10 позволяют расчетным путем описать хорду 14 и скелет 11 лопатки. На аэродинамической детали, такой как лопатка или крыло, хорда 14 - это сегмент, который имеет крайними точками переднюю кромку ВА и заднюю кромку BF. Передняя кромка ВА - это точка, расположенная максимально вверх по течению на профиле лопатки по отношению к воздушному потоку, набегающему на этот профиль, а задняя кромка BF - точка, расположенная максимально вниз по течению на профиле лопатки по отношению к воздушному потоку, набегающему на этот профиль. Скелет 11 лопаток, называемый также остовом или средней линией, - это совокупность точек, равноудаленных от наружной поверхности 12 и внутренней поверхности 13 лопатки. Все параметры рассчитаны для данного сечения лопатки 10.

Первым контролируемым параметром, согласно предлагаемому способу изобретению, может быть угол установки лопатки γ, то есть - угол, определяемый хордой 14 лопатки и осью m, как это показано на фиг.2.

Большинство расстояний, входящих в параметры, рассчитаны на криволинейной абсциссе, приведенной к кривой, которая в настоящем изобретении является скелетом 11, наружной стороной 12 или внутренней стороной 13 сечения лопатки 10. Криволинейная абсцисса является приведенной, что означает, что длина кривой, ограниченной ее крайними точками, не имеет размерности и что расстояние, рассчитанное на этой кривой от одной из ее крайних точек, меняется в масштабе от 0 до 1. Из соображений простоты, расстояния являются выраженными в процентах общей длины кривой, начиная от одной из ее крайних точек.

Вторым контролируемым параметром может быть угол β_as, образованный касательной в точке AS, расположенной вдоль скелета 11, на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины скелета 11 начиная от передней кромки ВА по криволинейной абсциссе и осью двигателя m, как показано на фиг.3.

Этот процент Р должен быть между 1% и 20%, оптимальный процент Р составляет 7,2%, как в примере, показанном на фиг.2. Нет необходимости в том, чтобы контролировать параметры по всей длине. Действительно, было установлено, что правильность параметра для этого процента Р, часто означает, что этот параметр правилен на большей части всей длины. Дополнительная экономия времени получена таким образом, вследствие разумного выбора величины этого процента Р.

Третьим контролируемым параметром может быть угол β_ае, образованный:

- касательной в точке АЕ, расположенной вдоль наружной стороны 12, на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины наружной стороны 12, начиная от передней кромки ВА по криволинейной абсциссе и

- осью двигателя m,

как показано на фиг.3.

Четвертым контролируемым параметром может быть угол β_ai, образованный:

- касательной в точке AI, расположенной вдоль внутренней стороны 13, на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины внутренней стороны 13, начиная от передней кромки ВА по криволинейной абсциссе и

- осью двигателя m,

как показано на фиг.3.

Пятым контролируемым параметром может быть угол β_fs, образованный:

- касательной в точке FS, расположенной вдоль скелета 11, на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины скелета 11, начиная от задней кромки ВА по криволинейной абсциссе и

- осью двигателя m,

как показано на фиг.4.

Шестым контролируемым параметром может быть угол β_fe, образованный:

- касательной в точке FE, расположенной вдоль наружной стороны 12, на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины наружной стороны 12, начиная от задней кромки ВА по криволинейной абсциссе и

- осью двигателя m,

как показано на фиг.4.

Седьмым контролируемым параметром может быть угол β_fi, образованный:

- касательной в точке FI, расположенной вдоль внутренней стороны 13, на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины внутренней стороны 13, начиная от задней кромки ВА по криволинейной абсциссе и

- осью двигателя m,

как показано на фиг.4.

Углы β_as, β_ае, β_ai, β_fs, β_fe и β_fi, называемые также углами при входе или при выходе лопаток на скелете 11, на наружной стороне 12 или внутренней стороне 13, позволяют создать представление о том, каким образом воздушный поток ведет себя на входе и при выходе с лопаток.

Восьмым контролируемым параметром может быть толщина Е_а сечения лопатки 10 на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины скелета 11, начиная от передней кромки ВА по криволинейной абсциссе, как показано на фиг.2. Толщина Е_а рассчитана по сегменту, перпендикулярному скелету 11 в плоскости сечения лопатки 10.

Девятым контролируемым параметром может быть толщина Ef сечения лопатки 10 на расстоянии, соответствующем проценту Р общей длины скелета 11, начиная от задней кромки ВА по криволинейной абсциссе, как показано на фиг.2. Толщина E_f рассчитана по сегменту, перпендикулярному скелету 11 в плоскости сечения лопатки 10.

Десятым контролируемым параметром может быть максимальная толщина Е_max сечения лопатки 10, как показано на фиг.2. Толщина E_max рассчитана по сегменту, перпендикулярному скелету 11 в плоскости сечения лопатки 10 в той точке скелета, которая представляет наибольшую толщину сечения лопатки 10.

Одиннадцатым контролируемым параметром может быть величина VARβ_as, представляющая максимальное отклонение между:

- значением угла β_as на расстоянии, соответствующем проценту Р3 общей длины скелета 11, начиная от передней кромки ВА по криволинейной абсциссе, и

- совокупностью значений угла β_as на участке, заключенном между процентом Р1 и процентом Р2 общей длины скелета 11, начиная от передней кромки ВА по криволинейной абсциссе.