Вихретоковый датчик со смещенным чувствительным элементом
Владельцы патента RU 2778031:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Самарский федеральный исследовательский центр Российской академии наук (СамНЦ РАН) (RU)
Изобретение относится к устройствам измерения осевого смещения и радиальных зазоров лопаточных и зубчатых колес в газотурбинных двигателях и других силовых установках. Технический результат – обеспечение возможности измерения радиальных зазоров и осевых смещений лопаточных и зубчатых колес силовых установок в условиях конструктивных ограничений на размещение пары датчиков в центральной плоскости вращения контролируемого колеса. Вихретоковый датчик содержит согласующий трансформатор, выполненный на ферритовом сердечнике, вторичная обмотка которого представляет собой объемный виток, образованный элементами конструкции датчика. Стержневая часть токовода расположена по оси датчика. Цилиндрическая часть смещена относительно оси датчика на расстояние G, равное 0,5 ожидаемого осевого перемещения контролируемого объекта. Чувствительный элемент ориентирован в плоскости центральной оси датчика и оси цилиндрической части токовода, при этом геометрический центр рабочей части чувствительного элемента смещен относительно центральной оси датчика на расстояние G. 4 ил.
Настоящее изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения радиальных зазоров (РЗ) и осевых смещений (ОС) торцов компрессорных и турбинных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД), зубчатых колес других силовых установок и может быть использовано в авиации, газовой и нефтяной промышленности, а также других отраслях промышленности для диагностики состояния силовых установок и своевременного предотвращения аварийных ситуаций.
Известен «высокотемпературный проводниковый вихретоковый преобразователь» (Патент РФ №1394912 «Высокотемпературный проводниковый вихретоковый преобразователь», МКИ G01N 27/90, опубл. 27.08.95 г.), используемый для измерения РЗ роторов турбоагрегатов, и содержащий чувствительный элемент (ЧЭ) в виде линейного проводника, подключенного с помощью коаксиальных тоководов цилиндрической формы к вторичной обмотке согласующего трансформатора, выполненного на кольцевом ферритовом сердечнике.
Недостатком преобразователя является значительная величина магнитного потока рассеяния, снижающего его чувствительность, что является следствием выполнения вторичной обмотки трансформатора в виде одиночного витка, а также невозможность измерения данным преобразователем осевого смещения рабочих лопаток.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является одновитковый вихретоковый датчик (ОВТД) [Кластерные методы и средства измерения радиальных зазоров в проточной части турбины / В.Н. Белопухов, С.Ю. Боровик, М.М. Кутейникова и др.; под общ. ред. О.П. Скобелева. - М.: Инновационное машиностроение, 2018. - 224 с., ил.] с цилиндрической осесимметричной конструкцией (фиг. 1), содержащий согласующий трансформатор 4, токовод 5, покрытый керамической изоляцией 6, корпус 1 и чувствительный элемент в виде одиночного проводника 7, перекрывающего торец датчика в диаметральном направлении и соединенный одним концом с цилиндрической частью токовода 5, а вторым концом - с корпусом 1 датчика. Конструктивной особенностью датчика является то, что вторичная обмотка согласующего трансформатора выполнена в виде «объемного» витка, сформированного верхней (стержневой) частью токовода 5, корпусом 1 и диском 2. В результате достигнут предельно малый магнитный поток рассеяния согласующего трансформатора. Вторая положительная конструктивная особенность такого ОВТД - «монолитная» конструкция датчика за счет соединения элементов с помощью лазерной сварки 3, 8.
ОВТД применяется при реализации способа измерения РЗ между торцами рабочих лопаток и ОС рабочих колес (РК) компрессора или турбины ГТД (патент РФ №2457432 «Способ измерения радиальных зазоров и осевых смещений торцов лопаток рабочего колеса турбины», МПК - G01B 7/14, опубл. 27.07.2012 г.). Способ реализуем при использовании двух идентичных ОВТД, смещенных в направлении вращения РК на нечетное число полушагов рабочих лопаток контролируемой ступени и смещенных в противоположные стороны от центральной плоскости вращения лопаточного венца на расстояние, равное половине ожидаемого ОС колеса.
Недостатком такого ОВТД является невозможность его применения для измерения РЗ и ОС в случаях, когда отсутствует возможность разместить пару датчиков с противоположным смещением от центральной плоскости вращения контролируемого РК в связи с конструктивными ограничениями объекта (ГТД).
Целью изобретения является обеспечение возможности измерения ОС лопаточных и зубчатых колес силовых установок при измерении РЗ между торцами лопаток (зубьев) и статором в условиях конструктивных ограничений на размещение пары датчиков в центральной плоскости вращения контролируемого РК.
Указанная цель достигается тем, что для измерения ОС и РЗ лопаточных и зубчатых колес (компрессоров и турбин ГТД, а также турбонасосов, газоперекачивающих агрегатов и других силовых установок) предлагается использовать ОВТД (фиг. 2), содержащий согласующий трансформатор 4, выполненный на ферритовом сердечнике, вторичная обмотка которого представляет собой объемный виток, образованный корпусом 1, диском 2 и частью стержневого токовода, отличающийся тем, что:
- токовод 5 выполнен из двух элементов; стержневая часть токовода расположена по оси датчика, а ось цилиндрической части токовода смещена относительно центральной оси датчика на расстояние G, равное 
ожидаемого ОС контролируемого объекта;
- чувствительный элемент 7 расположен в торцевой части датчика, ориентирован в плоскости центральной оси датчика и оси цилиндрической части токовода, сваркой 8 соединен одним концом с корпусом, а вторым - с цилиндрическим тоководом, центр рабочей части ЧЭ смещен относительно центральной оси датчика на расстояние G;
- корпус датчика 1 несимметричен в области цилиндрической части токовода, центр цилиндрического углубления для размещения токовода смещен на расстояние G.
На фиг. 3 представлена схема взаимодействия пары ОВТД со смещенными ЧЭ в виде отрезка проводника с зубчатым колесом при измерении ОС и РЗ, поясняющая принцип работы датчика.
На фиг. 4 представлены диаграммы изменения выходных параметров (индуктивностей) двух ОВТД со смещенными ЧЭ в виде отрезка проводника, преобразованных в напряжения и цифровой код, при взаимодействии датчиков с зубчатым колесом.
Два датчика со смещенными ЧЭ в виде линейного отрезка проводника устанавливаются на статор силовой установки в отверстия, расположенные в центральной плоскости вращения контролируемого РК. Устройство работает следующим образом. При вращении зубчатого колеса контролируемый объект (в данном случае зуб) проходит последовательно зоны чувствительности первого и второго датчиков. При прохождении зубом зоны чувствительности ОВТД индуктивность датчика за счет влияния вихревых токов уменьшается, достигая минимального значения в момент совпадения центра зуба с плоскостью ЧЭ. Этому моменту соответствует максимальный цифровой код на выходе измерительной цепи с включенным в нее ОВТД. Экстремальные значения индуктивностей датчиков (соответствующих им цифровых кодов) являются информационным параметром, по которому вычисляются ОС и РЗ.
При отсутствии ОС зуб контролируемого зубчатого колеса находится в положении А (фиг. 3). В процессе вращения колеса зуб поочередно проходит под ЧЭ1 (2) и ЧЭ2 (3). Геометрический центр торца зуба находится в плоскости вращения зубчатого колеса и равноудален от геометрических центров ЧЭ1 (2) и ЧЭ2 (3). Площадь перекрытия торцевой частью зуба ЧЭ1 (2) и ЧЭ2 (3) одинакова, а значит одинаковы и экстремальные значения индуктивностей ЧЭ1 и ЧЭ2 Lчэ1=Lчэ2 (соответствующих им цифровых кодов Счэ1=Счэ2, фиг. 4, а).
При наличии ОС и отклонении зубчатого колеса и зуба в положение В (фиг. 3), при вращении колеса произойдет смещение геометрического центра зуба относительно центров ЧЭ. При этом площадь перекрытия зубом ЧЭ1 (2) увеличится, а ЧЭ2 (3), наоборот, уменьшится. В этом случае индуктивность Lчэ1 уменьшится (код, соответствующий этому изменению индуктивности, увеличится), а индуктивность Lчэ2 - увеличится (код, соответствующий этому изменению индуктивности, уменьшится), Lчэ1<Lчэ2 (Счэ1>Счэ2, фиг. 4, б).
В случае отклонения зубчатого колеса и зуба в положение С (фиг. 3) произойдет противоположное смещение геометрического центра зуба относительно центров ЧЭ. Площадь перекрытия зубом ЧЭ1 (2) уменьшится, а ЧЭ2 (3), наоборот, увеличится. Тогда индуктивность Lчэ1 увеличится (код, соответствующий этому изменению индуктивности, уменьшится), а индуктивность Lчэ2 уменьшится (код, соответствующий этому изменению индуктивности, увеличится), Lчэ1>Lчэ2 (Счэ1<Счэ2, фиг. 4, в).
Физические значения искомых величин ОС и РЗ определяют по измеренным экстремальным значениям Lчэ1,ех и Lчэ2,ех (Счэ1,ех и Счэ2,ех) на основе заранее экспериментально снятых градуировочных характеристик [Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П., Самара: Изд-во СамНЦ РАН, 2001, 188 с].
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обеспечивает одновременное измерение ОС и РЗ лопаточных и зубчатых колес силовых установок в условиях конструктивных ограничений на размещение пары датчиков в центральной плоскости вращения контролируемого РК.
Вихретоковый датчик измерения осевых смещений и радиальных зазоров лопаточных и зубчатых колес в силовых установках, содержащий согласующий трансформатор, выполненный на ферритовом сердечнике, вторичная обмотка которого представляет собой объемный виток, образованный элементами конструкции датчика, а чувствительный элемент в виде отрезка проводника размещен в торцевой части датчика и одним концом соединен сваркой с корпусом, а вторым концом с торцевой частью цилиндрического токовода, отличающийся тем, что токовод выполнен из двух элементов, стержневая часть токовода расположена по оси датчика, цилиндрическая часть токовода смещена относительно оси датчика на расстояние G, равное 
ожидаемого осевого перемещения контролируемого объекта; чувствительный элемент ориентирован в плоскости центральной оси датчика и оси цилиндрической части токовода, геометрический центр рабочей части чувствительного элемента смещен относительно центральной оси датчика на расстояние G; корпус датчика несимметричен в области цилиндрической части токовода, центр цилиндрического углубления для размещения токовода смещен на расстояние G.
