CC BY
33ВКВО-2019- Стендовые
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИИ СЕНСОР КОНТРОЛЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ В СТЕНДАХ ГАЗОТУРБИННЫХ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ
Даниелян Г.Л.1*, Иванов С.В.2, Молокович И.Н.2, Стешаков Е.Г.2, Иванов Н.А.1,
Вихрова О.В.1
1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва 2 ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова, г. Москва * E-mail: gldan@yandex.ru, gldan@nsc.gpi.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16171
Для исследования характеристик авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) последние годы ведётся активный поиск различных сенсоров способных определять параметры и режимы работы, причём все большее внимание привлекают разработки на основе волоконных сенсоров, отличающиеся высокой степенью защиты от электромагнитных полей и взрывозащищённостью[1-3].
В ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова с 2016 года проводятся исследования и разработка простых и надёжных волоконно-оптических сенсоров. Основная цель разработки создание сенсоров с относительно низкой себестоимостью для многоточёчного контроля положения лопаток и их временных параметров с реально заданным режимом эксплуатации.
Основу сенсора составляют передающее излучение светодиода и принимающее отражённый оптический сигнал пара многомодовых кварцевых волокон. Крайне актуальным является правильный выбор параметров и основных характеристик волокон. Для работы в режиме температур до +7500 С и при наличии относительно химически активных паров газо-масляной смеси выбраны кварцевые многомодовые волокна с металлическим защитным покрытием (разработанные в НЦВО РАН) [4]. Однако алюминиевое покрытие не может находиться в температурном поле свыше +400° С и последний участок волокна без алюминиевого покрытия защищен специально разработанным керамо-клеевым составом.
Оптимизация оптического сигнала и выбор типа волокна проведен на основе расчета влияния основных параметров на расчетную форму зависимости относительной интенсивности света I0 [%]. Применение для моделирования разработанной простой программы MFOB v/3.2 позволяет без проведения экспериментов определить характер основной зависимости сенсора рефлексного типа [4].
Рис.1 Упрощенная модель сенсора для программы Рис.2 Характеристика зависимости 1о от интенсивности эффективного светового потока дистанции Z (волокно ОКМ400/440/520М,
Вк=450мкм,а=10° -350) 25
Основной оптимальной характеристикой (по диапазону сочетанию крутизны характеристики и ее значения по 2) являются характеристики рефлексного отражения с апертурами 25и 35 градусов (числовые апертуры КЛ=0.22-0.3). Для выбранной конфигурации, согласно расчетным характеристикам, определен оптимальный диапазон 2о = 150- 350 мкм установки начального зазора между торцом сенсора и торцом вращающихся турбинных лопаток.
328 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВО-2019 Стендовые
Разработанная в ЦИАМ им. П.И. Баранова конструкция сенсора и контрольно-измерительной аппаратуры обеспечила возможность измерения радиальных зазоров в компрессоре высокого давления при испытаниях в рабочих условиях, советующих работе в составе ГТД (см. рис.3,4).
Рис.3 Конструкция сенсора: а) сенсорная головка из жаропрочной стали с металлизированными волокнами, б) - пример установки системы сенсоров на герметизирующий кожух стендового компрессора ГТД, в) -общий вид сенсора с распределёнными зонами рабочей температуры среды
Зазор [мм]
а) б)
Рис.4 Экспериментальные результаты измерений с использование оптоволоконных датчиков. а) график изменения радиального зазора во второй ступени компрессора высокого давления при испытаниях на стенде ЦИАМ; б) фотография компрессора ГТД на стенде при испытаниях
Литература
1. Garcia et all., Review Optical Fiber Sensors for Aircraft Structural Health Monitoring, E-journal Sensor , v. 15, (2015), http//doi.org:10.3390/s150715494
2. Honglei Guo et all. , Review Fiber Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Air Platforms3 E-J. Sensor, v.11, 3687-3705(2011) , doi:10.3390/s110403687
3. У.В. Бояркина, А.А. Грецкое, С.А. Данилин, Е.Е. Дудкина, Комбинированные преобразователи для мониторинга параметров крутильных колебаний лопаток турбогенераторов, Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 20, № 4, с111-116 (2018)
4. Semjonov S., Bogatyrev V., Malinin A., Hermetically metal coated specialty optical fibers, , Proc. of SPIE Vol. 7839, 783912, https://doi. org/10.1117/12.867097
5. Явелов И.С., Каплунов С.М., Даниелян Г.Л., книга «Волоконно-оптические измерительные системы», М-Ижевск, 304с., с35-40 (2011)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 329
