Устройство для регистрации механических разрушений лопаток ротора турбины

 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам, осуществляющим контроль рабочих лопаток турбин двигателей и компрессоров. В устройстве для регистрации механических разрушений лопаток ротора турбины, содержащем вращающийся ротор, магнитную систему для создания вихревых токов в лопатках ротора, индукционные катушки для измерения сигналов электродвижущей силы индукции и схему сравнения сигналов, введена магнитная лента, нанесенная на поверхность вала ротора, содержащая намагниченные до насыщения участки, расположенные равномерно по длине вала ротора, число которых равно числу лопаток, а длина в намагниченных участках определяется по формуле где a - ширина лопатки, R_б - радиус вала ротора, R_л - радиус лопатки ротора. Использование изобретения повышает быстродействие регистрации механических разрушений лопаток. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, технике контроля, в частности к устройствам, осуществляющим контроль рабочих лопаток турбин двигателей и компрессоров.

Известно устройство для контроля лопаток турбины, основанное на преобразовании скорости вращения в частоту [1] , содержащее вращающийся ротор, расположенный в магнитном потоке разъемного ферромагнитного сердечника, на котором размещены обмотки катушек. Катушки включены в электронную цепь, содержащую одновибраторы и логический элемент "ИЛИ". Устройство позволяет обнаружить нарушения в работе турбины, приводящие к изменению скорости ее вращения. Однако устройство не может обнаружить конкретные нарушения элементов турбины, в частности зарегистрировать механические разрушения лопаток ротора турбины.

Известно также устройство для контроля работы двигателя [2]. В этом устройстве с помощью схемы сравнения осуществляется сравнение импульсов, поступающих от вращающегося вала двигателя и от эталонного генератора. За счет установления разбаланса поступающих импульсов достигается регулировка вращения двигателя. Это устройство может быть использовано для решения поставленной задачи лишь в случае постоянной скорости вращения вала. При меняющейся скорости вращения данное устройство неработоспособно, т.к. при любом изменении скорости вращения устройство зарегистрирует ложный сигнал механического разрушения лопаток ротора.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для неразрушающего контроля целостности лопаток ротора турбины, описанное в [3].

Это устройство включает в себя вращающийся ротор, магнитную систему для создания вихревых токов в лопатках ротора, индукционные катушки для измерения сигналов электродвижущей силы индукции и схему сравнения импульсов. Устройство осуществляет сравнение качества измеренных импульсов за один оборот с количеством лопаток и тем самым позволяет судить о механической целостности лопаток. Недостатком устройства является его малое быстродействие. В самом деле время регистрации наличия механических дефектов в лопатках в этом устройстве равно периоду вращения ротора турбины. При практическом применении этого устройства, например для аварийного выключения турбины, этот промежуток времени является большим, что может привести к разрушению дорогостоящей материальной части турбины.

Целью изобретения является повышение быстродействия регистрации механических разрушений лопаток ротора турбины.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее вращающийся ротор, магнитную систему для создания вихревых токов в лопатках ротора, индукционные катушки для измерения сигналов электродвижущей силы индукции и схему сравнения сигналов, введена магнитная лента, нанесенная на поверхность вала ротора, содержащая намагниченные до насыщения участки, расположенные равномерно по длине окружности вала ротора, число которых равно числу лопаток, а длина b намагниченных участков определяется по формуле где a - ширина лопатки, R_в - радиус вала ротора, R_л - радиус лопатки ротора.

Введение в устройство магнитной ленты с намагниченными участками, число и длина которых определяются конструктивным исполнением лопаток ротора, позволяет проводить сравнение сигналов от лопаток и магнитной ленты и при любой скорости вращения ротора мгновенно регистрировать механические нарушения в лопатках ротора. В самом деле время регистрации будет определяться лишь временем срабатывания электронной коммутирующей аппаратуры.

Суть изобретения поясняется чертежом, где: 1 - вращающийся с частотой f_о ротор, имеющий N лопаток радиусом R_л; 2 - лопатки ротора; 3 - вал ротора радиусом R_в; 4 - магнитная лента, нанесенная на вал ротора; 5 - намагниченные до насыщения участки магнитной ленты, число которых равно N, а длина намагниченных участков равна b; 6 - система, созданная магнитными полями индукцией B_о; 7, 8 - индукционные катушки; 9 - схема сравнения; 10 - регистрирующее устройство. При этом индукционная катушка 7, измеряющая сигналы от вихревых токов I_в в лопатках, подключена к первому входу схемы сравнения, индукционная катушка 8, измеряющая сигналы от магнитной ленты, подключена ко второму входу схемы сравнения, а выход схемы сравнения подключен к регистрирующему устройству.

Устройство работает следующим образом. При вращении ротора 1, при прохождении лопаток 2 зоны постоянного магнитного поля, созданной магнитной системой 6/ например, постоянным магнитом/, в лопатках возникают вихревые токи I_в, которые измеряются индукционной катушкой 7. Сигналы, соответствующие вихревым токам в лопатках, непрерывно поступают на вход схемы сравнения. На вал 3 ротора 1 нанесена магнитная лента 4, содержащая намагниченные до насыщения участки, равномерно расположенные по длине окружности вала ротора, число которых равно числу лопаток, а длина намагниченных участков определяется по формуле где a - ширина лопатки,
R_в - радиус вала ротора,
R_л - радиус лопатки ротора.

А при вращении вала индукционная катушка B измеряет эти импульсы и они непрерывно поступают на второй вход схемы сравнения. Поскольку намагниченные до насыщения участки магнитной ленты соответствуют лопаткам ротора, то на схему сравнения при произвольной скорости вращения поступают одновременно сигналы от лопаток и их "образы" от магнитной ленты. Если лопатки не имеют механических нарушений, то эти сигналы совпадают, и на регистрирующее устройство 10 от схемы сравнения 9 импульс не поступает. Если же в какой-нибудь лопатке возникнут механические разрушения, то картина протекания вихревых токов в лопатке нарушится, индукционная катушка 7 передаст на схему сравнения искаженный сигнал, и схема сравнения 9 выдаст на регистрирующее устройство 10 импульс, не равный нулю.

Таким образом, устройство позволяет практически мгновенно зафиксировать наличие механических дефектов в лопатках. Время регистрации определяется прохождением электрических сигналов по электрическим цепям и временем срабатывания схемы сравнения.

Данное устройство может быть реализовано с помощью стандартной аппаратуры. В качестве измерительных катушек - магнитные катушки магнитных реле типа РЭС-49, схемы сравнения - цифровой компаратор К564ИП2, регистрирующего устройства - электронный осциллограф. Постоянное магнитное поле может быть создано любым постоянным магнитом из материала типа КНДК с индукцией на торце ~ 10^-1Т. Устройство было испытано на модельной установке, моделирующей вращающийся ротор с лопатками. Экспериментальное исследование по проверке работоспособности предложенного устройства проводилось на рабочем стенде МИРЭА. Схема устройства, реализованного на лабораторном макете, представлена на рисунке /см. чертеж/. Материалом лопаток 2 турбины служила листовая нержавеющая сталь марки 1х18Н10Т толщиной 0,2 мм. Лопатки размером 10х30 мм укреплялись на роторе 1, диаметр которого 100 мм. Ротор изготовлен из дюраля марки Д16. Для изготовления вала 3 использовался тот же материал. Диаметр вала 40 мм, длина 15 мм. Вал был выполнен в виде диска, жестко скреплялся с ротором и не нес механической нагрузки /ширина диска 16 мм - выступающая часть ротора/. Лопатки были повернуты на угол 45^o по отношению к плоскости вращения. На вал была наклеена магнитная лента 4 марки А4402-6Б толщиной 0,1 мм. Ротор приводился во вращение двигателем постоянного тока типа ДПР52-Н2-07А, который работал в перенапряженном режиме в течение нескольких секунд. Угловая частота вращения поддерживалась в течение этого времени постоянной и равной 300 об/с. В качестве индукционных датчиков 7, 8 были использованы катушки, содержащие 2500 витков медного провода диаметром 0,07 мм, намотанные на сердечник круглого сечения диаметром 5 мм, длиной 30 мм. Катушка наматывалась на концы сердечников, обращенных к валу. Длина катушек - 15 мм, диаметр - 10 мм. Материал сердечника - сталь 3-12. Источник магнитного поля 6 - стержневой постоянный магнит размером 15х15х100 мм, изготовленный из сплава марки ЮНДК 35Т5. Поперечные размеры катушек датчиков 7 и 8 и магнита 6 меньше расстояния между лопатками.

В качестве регулирующего устройства 10 использовался осцилллограф С1-70. Амплитуда сигналов с датчиков 7 и 8 составляла 30 кВ. На магнитной ленте, наклеенной на ротор, при его вращении создавались намагниченные до насыщения участки. Намагничивание ленты проводилось с помощью магнитной головки типа 6С 129. I.V. Режим насыщения обеспечивался при подаче на головку тока ~ 100 мА. После этого при вращении ротора на схему 9 подавались сигналы вихревых токов в лопатках и сигналы с намагниченных участков магнитной ленты. Эти сигналы совпадали по фазе, амплитуде и частоте при всех возможных на модели скоростях вращения. При этом на выходе схемы сравнения сигнал равен нулю.

При работе лабораторной установки в одной из лопаток исследовались трещина-пропил в направлении, перпендикулярном радиусу вращения. Длина пропила 5 мм. При вращении лопаток в постоянном магнитном поле схема сравнения выдавала сигнал, надежно регистрируемый с помощью осциллографа. Описанный модельный эксперимент на лабораторном макете показал надежность работы предложенного устройства. Условия моделирования были выбраны близкими к реальным условиям.

При испытаниях были получены устойчивые сигналы, показывающие число лопаток с нарушенными магнитными характеристиками, что экспериментально подтвердило работоспособность предлагаемого технического решения.

Статистические материалы по работе изделия с системой контроля, разработанной на основе предложенного устройства, свидетельствуют о том, что решаемая изобретением задача является актуальной, способствует повышению надежности изделия в целом и увеличивает надежность и быстродействие контроля работы изделия. Действительно надежное и своевременное поступление информации о состоянии механических дефектов в лопатках ротора турбины обеспечит своевременное отключение изделия и сохранение дорогостоящей материальной части. Таким образом использование предложенного технического решения позволяет получить экономический эффект, равный стоимости всего изделия.

Предложенное устройство имеет следующие преимущества:
простота реализации, обусловленная применением электроизмерительных средств и приборов;
высокая надежность, обусловленная использованием фундаментальных физических законов, лежащих в основе его реализации;
быстродействие определения механических дефектов, обусловленное отсутствием инерционных элементов и применением электронной аппаратуры.

Отмеченные преимущества определяют промышленную полезность устройства и позволяют рекомендовать его при стендовых испытаниях и эксплуатации установок с турбинными и компрессорными агрегатами.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 943579, кл. G 01 P 3/48, 15.07.82
2. Гагоевский Т.А. Промышленная электроника, М., Энергия, 1976, с. 597.

3. Авторское свидетельство СССР N 1101706, кл. G 01 M 15/00, 07.07.84и

Формула изобретения

Устройство для регистрации механических разрушений лопаток ротора турбины, содержащее вращающийся ротор, магнитную систему для создания вихревых токов в лопатках ротора, индукционные катушки для измерения сигналов электродвижущей силы индукции и схему сравнения сигналов, отличающееся тем, что в устройство введена магнитная лента, нанесенная на поверхность вала ротора, содержащая намагниченные до насыщения участки, расположенные равномерно по длине вала ротора, число которых равно числу лопаток, а длина b намагниченных участков определяется по формуле:

где a - ширина лопатки;
R_в - радиус вала ротора;
R_л - радиус лопатки ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1