Устройство для многоточечного получения данных/распределения среды, в частности зонд для замера давления в воздухозаборнике турбомашины - RU2564364C2

Чертежи

Описание

Изобретение касается устройства для многоточечного получения данных или распределения среды, в частности зонда для замера давления в воздухозаборнике турбомашины, например двигателя вертолета.

Для объяснения и минимизации установочных потерь на вертолете осуществляют измерения различных параметров воздухозаборника и выхода воздуха в процессе испытаний в полете. Поскольку речь идет о воздухозаборнике, важными являются два параметра - общее давление и угол входа для осуществления измерения вращательного движения. При каждом полете эти измерения должны осуществляться быстро, за несколько секунд, по причинам осуществимости и стоимости.

Изобретение касается, в частности, области определения величин параметров общего давления и угла входа воздуха на входе двигателей летательных аппаратов. В общем, изобретение относится к областям многоточечного получения данных, как в случае зондов, или многоточечного распределения сред, например, для систем инжекции среды в трубопровод или смазки механических деталей. Во всех случаях изобретение используется в деталях, требующих многоточечных входов/выходов среды.

В случае получения данных о величинах параметров обычно используемые зонды содержат три датчика, позволяющие осуществить три измерения на одной и той же высоте для получения достаточного углового покрытия. Такие зонды описаны, например, в патенте US 5233865. Такие зонды выдают значения среднего статического давления и характеристики давления турбулентного потока воздуха.

На практике три зонда такого типа используются в системе привода во вращение для получения количества измерений, достаточных для осуществления оценки общего давления и направления потока. Альтернативно могут быть использованы группы из трех зондов.

Таким образом, одновременное и быстрое получение измерений требует использования неподвижных зондов уменьшенных габаритов для того, чтобы не искажать поток воздуха и минимизировать образование пробки перед компрессором.

Зонд описанного выше типа не позволяет получить точное измерение вращения в воздухозаборнике двигателя в условиях полета. Действительно, такое получение данных предполагает:

- детальную картографию измерений: существующие зонды обеспечивают недостаточное отношение между количеством измерений и количеством зондов;

- незначительное искажение работы компрессора: эти зонды вызывают образование пробки и весьма значительный спутный след;

- достаточно короткое время измерения: известные зонды обладают повышенным временем срабатывания и требуют продувки каждого азимутального положения;

- пробу на репрезентативном образце: система вращения зондов в случае встраивания двигателя в образец вновь возвращается к работе и, следовательно, проба репрезентативна.

Задачей изобретения является получение или распределение среды во многих точках быстрое, точное и раздельно распределенное с хорошим пространственным разрешением для заданного углового покрытия. Для этого изобретение предусматривает выполнение трубопроводов скрученными для осуществления нескольких отборов проб/распределений на многих высотах одним и тем же устройством.

Что касается, в частности, измерения вращения в полете, то изобретение имеет задачей обеспечение компактности, ограничивающей габаритные размеры, достаточного количества измерительных точек для картографирования потока воздуха без осуществления вращения зондов, возможности установки на входе компрессора без загрязнения окружающей среды, получения измерений в короткий отрезок времени, например, по меньшей мере, за тридцать секунд без нарушения работы двигателя, в частности, при сохранении хорошей механической стойкости к вибрациям в процессе исследований.

Объектом настоящего изобретения является устройство для многоточечного получения данных/распределения среды, содержащее, по меньшей мере, два внутренних трубопровода, расположенных в корпусе, следующих по спирали на отрезке по той же оси, что и ось корпуса.

Несколько данных/распределения среды могут быть получены в этом отрезке путем распространения входных/выходных отверстий, образованных на поверхности корпуса в нескольких параллельных плоскостях. Положение отверстия и шаг трубопроводов определены таким образом, что, по меньшей мере, одно отверстие соответствует одному единственному внутреннему трубопроводу.

Представляется также, что для одного и того же фронтального габаритного размера и для одного и того же углового перекрытия скрученная конфигурация нескольких трубопроводов (три трубопровода в элементарном примере) позволяет осуществить измерения (два измерения в элементарном примере), распределенные на максимальное число параллельных плоскостей (три плоскости в этом примере). Размещение по спирали позволяет действительно спрятать внутрь трубопровод и добавить другой трубопровод спирально между двумя плоскостями получения измерений, тогда как другое решение с прямолинейными трубопроводами одинакового фронтального габаритного размера и того же перекрытия с тем же полем измерения может использовать только меньшее количество трубопроводов (например, два трубопровода в идентичных условиях) и позволяет, таким образом, осуществлять то же количество измерений (два в примере) в меньшем количестве плоскостей (в данном случае единственная плоскость).

Кроме того, количество соответствующих трубопроводов может быть определено в зависимости от технологических требований (угловое перекрытие измерений в одной и той же плоскости, диаметр трубопроводов, диаметр и длина корпуса устройства и т.д.) и/или определенных приоритетов (например, отдавая предпочтение количеству измерений на плоскость измерения данных или количеству плоскостей получения данных).

Кроме того, параллельные плоскости получения данных/распределения могут быть наклонены относительно оси корпуса устройства или перпендикулярны этой оси.

В соответствии с особыми вариантами осуществления:

- внутренние трубопроводы имеют сечение продолговатой формы для увеличения объема трубопроводов, соответствующих объему зонда в отрезке получения данных/распределения;

- корпус зонда является цилиндрическим, а внутренние трубопроводы имеют сечение в форме цветочных лепестков, расположенных по окружности в сечении зонда, при этом каждый лепесток имеет расширенную поперечную часть и конусообразную часть, ориентированную по нормали к оси этого корпуса;

- передача полученных данных/распределения между трубопроводами и отверстиями обеспечивается поперечными каналами.

Количество отверстий входа/выхода может быть выбрано для любого промежуточного распределения между всеми отверстиями на одной высоте и единственным отверстием на высоте, адаптированной к шагу трубопроводов на каждой высоте.

Изобретение относится также к использованию такого устройства для зонда измерения вращения воздуха, входящего в компрессор турбомашины, инжектора жидкости или газа в потоке и смазки деталей.

В частности, в случае использования в качестве зонда устройство может обладать следующими предпочтительными характеристиками:

- корпус зонда имеет первую часть отрезка приема давления, образованного цилиндром, по меньшей мере, 6 мм в диаметре, предпочтительно по существу от 5 до 5,5 мм;

- трубопроводы и каналы образованы путем селективной плавки на порошковой подушке в процессе изготовления корпуса из порошка металлического сплава;

- количество внутренних трубопроводов равно девяти, при этом на трех различных высотах размещены по три отверстия;

- трубопроводы передачи полученных данных о давлении размещаются на каждой высоте получения данных центрального трубопровода, расположенного между двумя боковыми трубопроводами, при этом боковые трубопроводы имеют угловое расхождение, составляющее от 35 до 45°, предпочтительно, по существу, 40° относительно центрального трубопровода; такое угловое открытие позволяет лучше охватить вращение в ламинарном режиме на боковых трубопроводах, тогда как измерение общего давления ограничивается центральными трубопроводами.

В этих условиях количество осуществляемых зондом одновременных измерений, по существу, увеличивается, например, на фактор 3 относительно зондов из известного уровня техники - распределение измерительных высот может быть адаптировано ко всем кожухам двигателя, а уменьшение потери нагрузки в трубопроводе обеспечивает, по существу, более короткое время рециркуляции.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг. 1 изображает вид в изометрии примера зонда по изобретению, предназначенного для установки на входе компрессора турбомашины;

- фиг. 2 изображает частичный вид этого зонда, показывающий, в частности, девять внутренних спиральных трубопроводов в детектирующем зонде; и

- фиг. 3 изображает частичный вид секционированного зонда по разрезу на уровне плоскости детектирования, показывающей лепестковую форму секционированных трубопроводов и соответствующие входные отверстия.

На фиг. 1 изображен зонд 10 для измерения вращения компрессора турбомашины по изобретению, который содержит первую цилиндрическую часть 12 меньшего диаметра, равного 5 мм в примере, продолженную плечиком 14, расположенным на второй цилиндрической части 16 большего диаметра, приблизительно 14 мм в представленном примере. Эта вторая часть 16 сама продолжается плечиком 18 на цоколе 19, представляющем собой основание 20, предназначенное для крепления зонда.

Первая часть 12 образует цилиндрический отрезок, представляющий собой зону получения данных о давлении: она имеет кольцевые измерительные входные отверстия, выполненные в наружной оболочке 11 этой первой цилиндрической части. На фиг. 2 на прозрачном виде представлена внутренняя структура зонда 10. Отверстия 01-09 выровнены по трем детектирующим плоскостям на различных высотах, обозначенных по отношению к плоскости Р1 связи между двумя частями 12 и 14 соответственно: 01, 02 и 03 на высоте H1, 04, 05 и 06 на высоте Н2, а также 07, 08 и 09 на высоте Н3.

Отверстия 01-09 позиционированы относительно внутренних трубопроводов соответственно С1-С9. Трубопроводы образуют параллельные спиральные кривые между плоскостями высот H1 и Н3 так, что положение трубопроводов поворачивается на одну треть поворота между двумя последовательными высотами. На концах измерительные трубопроводы закрыты. Вторая часть 16 образует передающую часть к средствам измерения, при этом измерительные проводники удалены, таким образом, от центральной оси Х′Х зонда 10, оставаясь параллельными этой оси. Действительно, эта часть 16 находится вне зоны получения данных о давлении, и габаритный размер более не является определяющим фактором.

Вид в разрезе на фиг. 3 изображает более точно на уровне сечения высоты Н3 лепестковую форму трубопроводов С1-С9, образованных в корпусе 1, и каналы К7-К9, которые обеспечивают передачу данных о давлении между отверстиями 07-09, образованными в оболочке 11 корпуса 1 и соответствующими проводниками соответственно С7-С9.

На уровне плоскости детектирования высоты Н2 появляются только отверстия 04 и 05, в которые открываются каналы К4 и К5. Подобным образом на уровне плоскости высоты H1 появляются отверстия 01 и 02, образованные в корпусе 1 для того, чтобы каналы К1 и К2 открывались наружу.

Клиновидная часть «L» лепестков, которые образуют трубопроводы С1-С9, ориентирована радиально центростремительным образом к оси Х′Х зонда. Расширенная часть «Е» этих лепестков, в которые открываются каналы К1-К9, расположенные, таким образом, дальше от оси Х′Х, имеет ширину приблизительно в 0,6 мм, тогда как каналы имеют порядка 0,4 мм. Ориентация лепестков и их размеры позволяют лучше использовать цилиндрическое пространство, предназначенное для трубопроводов и уменьшенное до максимума для исключения нарушений, вызванных наличием зонда на входе компрессора.

На передней кромке зонда трубопроводы расположены на каждом уровне Н1-Н3, а также отверстия и соответствующие соединительные каналы центрального трубопровода (отверстие и канал), С8 (08 и К8) на чертеже, расположенные между двумя боковыми трубопроводами (отверстиями и каналами), С7 и С9 (07 и 09, К7 и К9). Трубопроводы, отверстия или каналы имеют предпочтительно угловое расхождение, составляющее от 35 до 45°, предпочтительно, по существу, 40°, измеренное по углу с центром на оси Х′Х относительно трубопровода, соответственно отверстия или центрального канала.

Трубопроводы С1-С9 выполнены любым известным способом. В данном примере они выполнены путем селективного плавления слоя металлического порошка в процессе изготовления корпуса путем плавления этого порошка. При работе входящий поток воздуха F на входе в компрессор осуществляет переменное давление на переднюю кромку зонда, и это давление распространяется по внутренним трубопроводам по каналам передачи давления. В зависимости от условий полета давление создает специфическое напряжение в каждом из девяти микропьезоэлектрических датчиков, контактирующих с концом трубопроводов. Измерение вращения осуществляется во всех сферах полета. Сила электрических токов этих датчиков далее анализируется в центральном блоке для определения величины общего давления и угла струи потока входящего воздуха.

Изобретение не ограничивается описанным и представленным примером осуществления. Можно, например, предусмотреть различные формы для отверстий, предназначенные, например, для наклона трубопровода по спиральной линии: удлиненную форму, например эллиптическую. Корпус зонда также может иметь цилиндрическую форму с кольцевым удлиненным или овальным основанием. Кроме того, количество трубопроводов может быть больше девяти. Центральная часть зонда, объем которой увеличивается с количеством трубопроводов, может быть использована для встраивания других элементов, например температурных датчиков. Кроме того, корпус может иметь различные адаптированные к назначению формы с продольной или изогнутой осью, а трубопроводы могут не быть параллельными.

Реферат

Изобретение направлено на получение данных или осуществление получения данных или распределения среды многоточечно, точно и быстро с хорошим пространственным разрешением и минимальными габаритными размерами. Для этого в изобретении предусматривается скрученное размещение трубопроводов в зоне получений/распределений на многих высотах одним устройством. В частности, для получения измерения вращения в полете устройство является зондом давления, в котором корпус зонда имеет первую часть или отрезок получения данных о давлении, образующий цилиндр, по меньшей мере, в 6 мм в диаметре. Зонд имеет внутренние трубопроводы (С1-С9) по параллельным спиралям и каналы (К1-К9), образованные в корпусе из металлического сплава между трубопроводами (С1-С9) и входные отверстия (01-03, 04-06, 07-09), расположенные на трех различных высотах (Н1-Н3) корпуса зонда. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула