Высокотемпературное устройство измерения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины газотурбинного двигателя
Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для эффективного определения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей при их экспериментальных исследованиях при рабочих температурах порядка 2400°C. С помощью перископических зондов на работающей турбине получают телевизионное изображение зазора по которому определяется текущая величина радиального зазора. При температуре рабочих режимов ГТД, порядка 2400°C выступающие из внутренней поверхности корпуса турбины призмы устройства и линзы подвергаются экстремальным термическим воздействиям. Выполненные из диоксида циркония стабилизированного иттрием, отполированные до степени шероховатости поверхности менее 0,05 мкм, призмы и линзы при указанных температурах сохраняют постоянными характеристики прозрачности, не покрываются копотью или трещинами. Свойства прозрачности сохраняются в течение многих циклов нагрева-охлаждения, что позволяет проводить установку и калибровку оптической системы один раз при монтаже устройства в ходе препарирования турбины и подготовки ее к проведению измерений.
Предполагаемая полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для эффективного определения радиального зазора высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей (ГТД) при их экспериментальных исследованиях.
Регулирование зазоров между вращающимися деталями ротора и неподвижными деталями статора при работе ГТД является актуальной задачей в связи с тем, что размер зазора существенно влияет на качественные показатели турбомашины. Для обеспечения эффективного регулирования зазоров необходимо обеспечить средства для наблюдения и изучения их изменения при различных режимах работы ГТД. Развитие современных ГТД характеризуется постоянным ростом температур в области лопаток турбины и это предъявляет повышенные требования к устойчивости измерительного оборудования к жестким условиям в изучаемой области. При получении изображения зазора необходимо обеспечить устойчивость оптических частей измерительного устройства к температурам порядка 2400°С, устойчивость к летящим в потоке раскаленным частицам металла, противодействовать осаждению копоти и при этом обеспечить технологичность изготовления такого оборудования.
Известен «Способ определения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбомашины» (патент SU 
131 1359, МПК G01B 11/14, опубл. 2000), реализующий эндоскопический метод измерения. Этот способ позволяет получить изображения торца лопатки в разных ее частях с разным масштабом и последующим расчетным определением истинного размера зазора. При этом, с помощью стробоскопической подсветки учитывается вызванное температурными и силовыми деформациями перемещение лопаток ротора относительно корпуса в осевом направлении. Однако, при температурах порядка 2400°C, до которых лопатки нагреваются в современных ГТД, яркость свечения самих лопаток не позволяет идентифицировать с достаточной степенью точности расположение границ лопатки и определить таким образом величину зазора.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является устройство измерения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины газотурбинного двигателя (патент RU 2415379, МПК G01B 11/14 2009), обеспечивающее измерение радиального зазора эндоскопическим методом при температурах более 1000°C с помощью двух перископических зондов, выступающих своими призмами из внутренней поверхности турбины. В устройстве используется стробоскопическая подсветка мощным светодиодом сине-фиолетового цвета с узкой спектральной характеристикой, что обеспечивает контрастное изображение зазора, получаемое с помощью призм. Однако, при температурах порядка 1400°C выступающие призмы и линзы оптической системы быстро теряют прозрачность, призмы покрываются копотью, так, что период измерений не позволяет получить достоверные результаты. Кроме того, высоки издержки на регулярную замену находящихся внутри турбины элементов оптической системы устройства.
Техническим результатом полезной модели является повышение устойчивости устройства к высоким температурам работы ГТД до 2400°C, и обеспечение технологичности проведения измерений.
Технический результат достигается тем, что устройство измерения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины газотурбинного двигателя, содержит регистратор изображения зазора и эндоскоп бокового зрения, выполненный в виде двух перископических наблюдательного и осветительного зондов, при этом каждый зонд содержит перископическую призму и две линзы. Новым в полезной модели является то, что перископические призмы и линзы выполнены из стабилизированного иттрием кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 8 до 12 мольных процента, перископические призмы имеют шероховатость поверхности, направленной на зазор, не более 0,05 мкм.
Призма и линзы, выполненные из стабилизированного иттрием кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 8 до 12 мольных процента, имеющего температуру плавления порядка 2800°C, сохраняют прозрачность и не покрываются трещинами при температурах до 2400°C, что обеспечивает устойчивость устройства к высоким рабочим температурам современных ГТД. Широкая полоса пропускания 0,26-7,5 мкм и высокий показатель преломления 2,2 позволяют использовать данную оптическую систему для всестороннего изучения процессов горения.
При шероховатости поверхности, направленной на зазор не более 0,05 мкм копоть не осаждается на поверхности призм, что обеспечивает прозрачность призм в течение всего времени их использования. Температурная стойкость порядка 2800°C, твердость порядка 1400 кг/мм2 по Виккерсу и механическая прочность (на изгиб) порядка 400 Мпа, характерная для кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 8 до 12 мольных процента и низкая шероховатость обеспечивают устойчивость к воздействию летящих в потоке раскаленных частиц металла.
Отсутствие необходимости смены призм и линз существенно упрощает и удешевляет технологию проведения измерений с помощью предлагаемого устройства.
На прилагаемом чертеже представлена схема заявленного устройства.
Устройство состоит из двух перископических наблюдательного 1 и осветительного 2 зондов, заделанных в металлическую трубу. Оптическая система зондов 1 и 2 одинакова и состоит из перископической призмы 3 выполненной из диоксида циркония стабилизированного иттрием, выступающей из внутренней поверхности корпуса турбины, двух линз 4, так же выполненных из диоксида циркония стабилизированного иттрием, диафрагмы 5, и оконечного оборудования 6. Диафрагма 5 располагается между линзами 4 на фокусных расстояниях. Оконечным оборудованием наблюдательного зонда 1 является телекамера, а оконечным оборудованием осветительного зонда 2 - мощный светодиод, излучающий в узком сине-фиолетовом участке спектра. Оси призм 3 наблюдательного 1 и осветительного 2 зондов направлены на спинку лопатки 7.
При движущихся лопатках осветительный 2 зонд направляет лучи на спинку лопатки 7, и таким образом, в наблюдательный 1 зонд попадает зеркальная компонента излучения, в то время как от других элементов освещенного поля приходит диффузное, не зеркальное отраженное излучение. Высококонтрастное изображение спинки лопатки 7, поступающее в телекамеру 6 зонда 1 позволяет провести высокоточное измерение величины зазора между корпусом и спинкой лопатки.
При повышении температуры до рабочих режимов ГТД, порядка 2400°C выступающие из внутренней поверхности корпуса турбины призмы 3 подвергаются экстремальным термическим воздействиям. Так же критическому термическому воздействию подвергаются линзы 4 зондов 1, 2. Выполненные из диоксида циркония стабилизированного иттрием, призмы 3 и линзы 4 сохраняют постоянными характеристики прозрачности при указанных температурах. При содержании иттрия от 8 до 12 мольных процента, устойчивость к высокотемпературному воздействию сохраняется у призм 3 и линз 4 в течение всего хода измерений и, что существенно, свойства прозрачности сохраняются в течение многих циклов нагрева-охлаждения, что позволяет проводить установку и калибровку оптической системы один раз при монтаже устройства в ходе препарирования турбины и подготовки ее к проведению измерений.
При работе ГТД в потоке газов присутствуют частицы раскаленного металла, существенно снижающие срок работы измерительных приборов, используемых при исследованиях характеристик работающих ГТД. Кроме того, в ходе работы ГТД все внутренние поверхности двигателя покрываются копотью. Зонды 1 и 2 имеют выступающие оптические элементы - призмы 3, для которых критически важным параметром является время, в течение которого, в условиях работы ГТД, прозрачность остается высокой. Использование стабилизированного иттрием кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 8 до 12 мольных процента обеспечивает высокий показатель преломления 2,2 и широкую полосу пропускания 0,26-7,5 мкм, высокую твердость (8,5 по Моосу или 1200 кг/мм2 по Виккерсу), прочность на изгиб (
=400 Мпа) призмы 3, что обеспечивает устойчивость к воздействию летящих в газе частиц металла. Кроме этого, указанные показатели позволяют провести предварительную обработку призмы, достигнув шероховатости поверхности не более 0,05 мкм. Такой показатель шероховатости обеспечивает высокую гладкость поверхности и препятствует осаждению и удержанию копоти на поверхности призмы.
После цикла запуска-остановки ГТД, оптическая система зондов 1 и 2 не меняет своих характеристик прозрачности, что избавляет от необходимости проведения технологической обработки и настройки призм 3 и линз 4 перед началом каждого измерения. Таким образом, повышается технологичность измерений и снижается стоимость проведения исследований характеристик ГТД.
Высокотемпературное устройство измерения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины газотурбинного двигателя, содержащее регистратор изображения зазора и эндоскоп бокового зрения, выполненный в виде двух перископических наблюдательного и осветительного зондов, при этом каждый зонд содержит перископическую призму и две линзы, отличающееся тем, что перископические призмы и линзы выполнены из стабилизированного иттрием кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 8 до 12 мол.%, перископические призмы имеют шероховатость поверхности, направленной на зазор, не более 0,05 мкм.
