Способ измерения многомерных перемещений и обнаружения колебаний торцов лопаток ротора турбомашины

Использование: для измерения многомерных перемещений и обнаружения колебаний торцов лопаток ротора турбомашины. Сущность изобретения: заключается в том, что в предлагаемом способе измерения производят раздельное определение смещений торцов лопаток в радиальном и осевом направлениях и в направлении вращения ротора, а также обнаружение низкочастотных колебаний лопаток ротора турбомашины с помощью трех одновитковых вихретоковых преобразователей, расположенных на статоре турбомашины. Преобразователи располагаются таким образом, что при всех допустимых смещениях торец контролируемой лопатки на каждом обороте рабочего колеса оказывается в зоне чувствительности всех преобразователей в течение времени измерений, производимых одновременно тремя преобразователями. Факт наличия колебаний лопаток ротора турбомашины фиксируется, когда изменения смещения в направлении вращения ротора турбомашины, полученные в серии соседних циклов измерения, превышают допустимый уровень и носят периодический характер. Технический результат: повышение информативности измерения многомерных перемещений торцов лопаток ротора турбомашины за счет получения более полной картины о пространственных перемещениях элементов конструкций. 1 з.п. ф-лы, 8 ил, 20 табл.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля смещений торцов лопаток ротора турбомашины в радиальном, осевом направлениях и в направлении вращения ротора турбомашины, а также для обнаружения низкочастотных колебаний лопаток с целью диагностики помпажных явлений в газовоздушном тракте ступени турбомашины в процессе испытаний и эксплуатации силовой установки.

Известен способ измерения радиальных смещений торцов лопаток ротора при одновременном измерении осевых смещений ротора турбомашины [патент РФ №2138012], который базируется на использовании высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователей с чувствительными элементами в виде отрезка проводника и предполагает возбуждение электромагнитного поля в зоне измерения с последующей фиксацией максимальных значений сигналов преобразователей в моменты прохождения лопатками чувствительных элементов (принципы действия и варианты конструкции преобразователей с безындуктивными тоководами в виде соосных цилиндров и с гибкими плоскими тоководами приведены в статье Райкова Б.К, Секисова Ю.Н., Скобелева О.П., Хритина А.А. Вихретоковые датчики зазоров с чувствительными элементами в виде отрезка проводника.//Приборы и системы управления, 1996, №8, с.27 и в описании патента РФ №2150676).

Недостатком известного способа является низкая информативность измерения из-за невозможности определения смещений торцов лопаток в направлении вращения ротора турбомашины, обусловленных изгибом пера лопатки, а также невозможностью обнаружения колебаний пера лопатки, возникающих, например, при помпажных явлениях в газовоздушном тракте ступени турбомашины.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения информативности измерения многомерных перемещений торцов лопаток ротора турбомашины за счет получения более полной картины о пространственных перемещениях элементов конструкций, что позволит создавать более надежные и экономичные варианты конструкций турбомашин и диагностировать помпажные явления в газовоздушном тракте ступени турбомашины на начальных стадиях их развития.

Поставленная задача решается таким образом, что в известном способе, заключающемся в том, что с торцами лопаток работающей турбомашины вводят во взаимодействие синхронизированные с ее вращением два одновитковых вихретоковых преобразователя с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, возбуждаемые последовательностями импульсов, число которых выбирается из условия допустимой неравномерности огибающей выходного сигнала преобразователя, и по их сигналам оценивают радиальные и осевые смещения торца лопатки ротора турбомашины, введены дополнительные приемы и операции, а именно используются три преобразователя, которые размещаются на статоре турбомашины таким образом, что при всех возможных осевых и изгибных смещениях контролируемый торец лопатки на каждом обороте ротора рабочего колеса оказывается в зоне чувствительности одновременно всех преобразователей, а все возможные колебания соседних с контролируемой лопаток не влияют на результат преобразования, и по значениям выходных сигналов всех преобразователей, соответствующих одному и тому же моменту времени нахождения замка лопатки в геометрическом центре между двумя преобразователями, расположенными вдоль оси вращения ротора турбомашины, путем решения системы из трех уравнений, полученных на основе семейств градуировочных характеристик преобразователей, определяют смещения торца контролируемой лопатки в радиальном, осевом направлениях и в направлении вращения ротора турбомашины, а по превышению заданного допустимого уровня и периодичности изменений смещения торца лопатки в направлении вращения, полученным в серии соседних циклов опроса, выявляют факт колебаний пера лопатки.

На фиг.1 представлена схематически ступень турбомашины в фиксированный момент времени, поясняющая принятую систему отсчета (X, Y, Z). В этот момент материальная точка М, которая находится на торцевой поверхности и оси вращения лопатки 1 ротора 2, расположена на оси У координатной системы XYZ, начало отсчета которой (0) находится на поверхности неподвижного статора 3, а сама система жестко связана со статором.

На фиг.2 представлена схема, поясняющая размещение группы (кластера) преобразователей на статоре турбомашины и ориентацию их чувствительных элементов в пространстве измерения. Предполагается, что перемещение лопатки, закрепленной с помощью замка на колесе ротора турбомашины, происходит в трех направлениях: в радиальном (вдоль оси Y), в осевом (вдоль оси X) и в направлении вращения ротора (вдоль оси Z). Чувствительные элементы одновитковых вихретоковых преобразователей (ЧЭ1, ЧЭ2, ЧЭ3) устанавливаются параллельно торцу лопатки и на расстоянии, не превышающем рабочие диапазоны смещений в осевом (ХP) направлении и в направлении вращения ротора (ZP), а зона измерения ограничивается объемом прямоугольного параллелепипеда с основанием (ХP, ZP) и высотой, равной рабочему диапазону изменения радиального зазора YP.

На фиг.3 представлена диаграмма, поясняющая этапы измерения и вычисления смещений торцов лопаток ротора турбомашины в радиальном направлении, в осевом направлении и в направлении вращения, где τP - период вращения ротора, τ0 - период опроса вихретоковых преобразователей, τПЦ - длительность полного цикла измерения.

На фиг.4 представлены временные диаграммы, поясняющие опрос вихретоковых преобразователей в составе кластера, где SYNC - импульс синхронизации, поступающий от стандартного датчика частоты вращения, С1, С2 и С3 - коды, полученные в результате аналого-цифрового преобразования естественных выходных сигналов (индуктивностей) вихретоковых преобразователей на лопатках номер 1, 2, ..., i, ..., nЛ, t1, t2, ..., ti, ..., tПЛ - время, соответствующее нахождению замка лопаток номер 1, 2, ..., i, ..., nЛ в геометрическом центре между ЧЭ1 и ЧЭ3.

На фиг.5 представлена диаграмма, поясняющая процедуру обнаружения колебаний пера лопаток по изменениям смещения в направлении вращения ротора турбомашины, где Znop - пороговое значение смещения в направлении вращения ротора турбомашины, τk - период колебаний торца лопатки.

Измерение смещений торцов лопаток в радиальном, осевом направлениях и в направлении вращения ротора турбомашины, а также обнаружение низкочастотных колебаний лопаток предлагаемым способом производится следующим образом. По временному интервалу между двумя соседними синхроимпульсами (импульсами штатного датчика частоты вращения (синхронизации)) определяют период вращения ротора турбомашины τP (фиг.3). Затем вычисляется период импульсов опроса τ0 (шаг дискретизации естественных выходных параметров одновитковых вихретоковых преобразователей (индуктивности, зависящей от углового положения ротора и торцов лопаток)):

где М0 - число импульсов опроса за период вращения, которое характеризует шаг квантования углового перемещения ротора и лопаток. Период τ0 выбирается с таким расчетом, чтобы при прохождении торца лопатки под чувствительным элементом вихретокового преобразователя обеспечивалось несколько отсчетов.

Каждый импульс опроса обеспечивает питание измерительных цепей одновитковых вихретоковых преобразователей, входящих в кластер, и запускает процесс преобразования их выходных параметров в напряжение и далее в цифровой код. С приближением лопатки к зоне чувствительности преобразователей происходит увеличение значений цифрового кода до максимума. При удалении лопатки из зоны чувствительности код уменьшается до минимума, причем число таких периодических изменений равно числу лопаток (nЛ) (фиг.4).

Значения координатных составляющих смещений в радиальном (Y), осевом (X) направлениях и в направлении вращения (Z) находятся путем решения системы из трех уравнений, полученных на основе снятых экспериментально градуировочных характеристик измерительных каналов, связывающих коды аналого-цифрового преобразования естественных выходных сигналов датчиков для контролируемой лопатки (C1, C2, С3), найденные в один и тот же момент времени прохождения ее замка через геометрический центр между центрами ЧЭ1 и ЧЭ3 с координатными составляющими X, Y и Z:

Для обнаружения колебаний торцов лопаток ротора турбомашины, когда период колебаний τK (фиг.5) существенно превышает длительность полного цикла опроса τПЦ и свойственных помпажным явлениям, производят серию измерений. Далее вычисляют смещения торцов лопаток в направлении вращения ротора (вдоль оси Z) и производят сравнение измеренной координатной составляющей с заданным пороговым значением Znop, которое выбирают исходя из конструктивных особенностей контролируемой ступени турбомашины (например, равным 0.25 от амплитуды колебаний пера лопатки). Если превышение изменения смещения лопатки вдоль оси вращения ротора заданного порогового значения Znop носит периодический характер и повторяется заданное число раз за время измерения, то формируется вывод о колебаниях контролируемой лопатки.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ дает более полную информацию о многомерных перемещениях торцов лопаток ротора турбомашины путем учета их смещений в радиальном, осевом направлениях и в направлении вращения ротора турбомашины, что может быть использовано для определения изгиба лопаток ротора и определения составляющих осевых смещений ротора турбомашины, а также позволяет выявить факт низкочастотных колебаний лопаток ротора турбомашины, что в свою очередь может быть использовано при диагностике помпажных явлений в газовоздушном тракте ступени турбомашины.

Для проверки работоспособности предлагаемого способа в части измерения координатных составляющих смещений был изготовлен макет, включающий имитатор лопатки (пластина из немагнитного электропроводного материала длиной 75 мм и толщиной 2 мм), одновитковый вихретоковый преобразователь с чувствительным элементом в виде отрезка проводника (диаметр проводника 1.5 мм и длина 30 мм), согласующее устройство "индуктивность-напряжение" и трехкоординатное градуировочное устройство с индикаторами перемещения типа ИЧ-25. В экспериментах использовалась ПЭВМ с платой L-783 для ввода аналоговых сигналов (напряжений с согласующих устройств).

Угол установки имитатора лопатки составляет 45 град., XP=YP=ZP=5 мм (фиг.2).

На фиг.6, 7 и 8 показаны градуировочные характеристики C1=f1(X, Y, Z), С2=f2(X, Y, Z) и С3=f3(X, Y, Z)1. (1 Для наглядности множество экспериментальных точек градуировочной характеристики представлено 3D-графиком с помощью программы Microsoft Excel). Следует подчеркнуть, что градуировочные характеристики измерительных каналов преобразователей в составе кластера отличаются друг от друга характером изменения вдоль координатных осей.

Градуировочная характеристика преобразователя с ЧЭ1 (фиг.6), полученная при фиксированных значениях Y (0.2 и 5 мм) и вариациях координатных составляющих Х и Z в направлениях осей Х и Z, имеет экстремумы функции f1(Х, Z), что связано с разворотом ЧЭ1 относительно координатных осей.

Вместе с тем, градуировочные характеристики преобразователей с ЧЭ2 (фиг.7) и ЧЭ3 (фиг.8) изменяются монотонно в направлениях осей X, Z и в рабочих диапазонах ХP и ZP. Это свойство можно использовать для устранения немонотонности характеристики С1=f1(X, Y, Z) и получения единственного решения системы (1).

Пусть в результате измерений на контролируемой лопатке определены коды C1, С2, С3. Используя логическую функцию знака

можно выбрать область градуировочной характеристики, где она монотонна и гарантирует единственное решение. Таких областей две (слева и справа от линии перегиба), и каждой из них соответствует одно из значений функции знака (2): N=0 в плоскости X, Z соответствует область I, a N=1 - область II (фиг.6).

Определение функции знака (2) предшествует решению системы (1).

Решение системы (1) позволяет найти искомые координаты X, Y, Z для измеренных значений кодов С1, C2, С3.

Полученные экспериментально градуировочные характеристики аппроксимировались полиномиальными функциями трех переменных по методу наименьших квадратов [Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - М.: Наука, 1977]:

где аkijl - коэффициенты k-й аппроксимирующей функции для преобразователя (см. табл.1-4), i, j, l - индексы коэффициентов. В таблицах 1.1-1.5 приведены коэффициенты для первого преобразователя в области I, в таблицах 2.1-2.5 для него же в области II. В таблицах 3.1-3.5 находятся коэффициенты для второго преобразователя, а в таблицах 4.1-4.5 - для третьего.

Пусть для заданного с помощью градуировочного устройства положения имитатора лопатки получены коды С1=589, C2=371 и С3=218. Функция знака (2) равна 1, и, следовательно, выбирается область II и коэффициенты из таблиц 2.1-2.5. Система уравнений (1) записывается в виде

Система уравнений решается методом простых итераций [Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Наука, 1989]. В результате получены искомые значения координатных составляющих

X=4 мм, Y=0.2 мм, Z=1 мм,

которые соответствуют заданному положению лопатки.

Таблица 1.1
i=0
j\k0123
01089.937-28.5336-41.42914.325638
1-605.44643.7493426.41367-3.21512
2165.3576-18.2316-6.756140.922744
3-21.1072.8640830.78447-0.11676
40.998377-0.15132-0.034280.005429
Таблица 1.2
i=1
j\k0123
06386.643-1473.06-92.441327.16385
175.29396-232.68976.45326-6.77112
2-41.485391.63799-30.80022.79698
311.94006-13.8554.206058-0.37169
4-1.099241.046293-0.293070.024822
Таблица 1.3
i=2
j\k0123
0-11593.62922.432110.9635-45.9451
167.4636510.54913-28.30264.057309
2-27.0605-3.7283411.45328-1.66063
3-5.469110.799212-0.888950.14836
40.844052-0.464950.145855-0.01515
Таблица 1.4
i=3
j\k0123
05916.312-1375.47-97.148127.03799
180.6998-43.366613.59667-1.46529
20.489103-1.52248-1.981530.380467
33.9265210.76887-0.285130.006592
4-0.201280.003479-0.00190.001218
Таблица 1.5
i=4
j\k0123
0-892.448171.022527.71957-5.24522
1-32.587118.82151-4.124250.321399
2-0.747770.08434880.005108-0.02279
3-0.21825-0.43050.140861-0.01024
4-0.071040.065804-0.014830.000959

Таблица 2.1
i=0
j\k0123
01079.216-17.9896201.6448-183.505
1-592.38175.21508-374.541270.9099
2160.2073-40.8509169.4337-112.829
3-20.33067.094295-27.679817.78186
40.959417-0.396391.502136-0.9468
Таблица 2.2
i=1
j\k0123
0-56.266134.14493-9.1587793.39421
169.23701-11.908476.52076-144.83
2-26.51932.883473-43.654761.39886
34.024084-0.298397.735022-9.75065
4-0.210630.011114-0.436560.521278
Таблица 2.3
i=2
j\k0123
0-54.329814.62255-26.2225-16.648
133.51846-24.156420.1116627.63335
2-8.340399.828995-4.80092-11.9982
30.936433-1.551660.4974231.925052
4-0.038970.082983-0.01895-0.10348
Таблица 2.4
i=3
j\k0123
010.29806-5.56456.0194171.152676
1-7.711416.72535-6.2947-2.17371
22.223443-2.546382.1311810.981957
3-0.280340.386343-0.30037-0.16018
40.012849-0.020170.0149460.008687
Таблица 2.5
i=4
j\k0123
0-0.54520.415557-0.37499-0.02109
10.443359-0.463710.4166370.056132
2-0.134740.170462-0.14844-0.02745
30.017567-0.025370.0215580.004618
4-0.000820.001308-0.00109-0.00025
Таблица 3.1
i=0
j\k0123
0187.4012-40.67.362213-0.57648
1-23.08813.05849-1.84250.278204
2-1.648862.3818970.10721-0.08399
30.620981-0.49404-0.003920.015114
4-0.038430.0270260.001042-0.00104
Таблица 3.2
i=1
j\k0123
0110.96-47.26351.7354660.693974
1-89.681454.15614-5.84928-0.28229
230.33641-21.09152.9798640.013332
3-4.39223.250789-0.501030.002666
40.22451-0.17110.026756-9.3E-05
Таблица 3.3
i=2
j\k0123
0-56.412637.0296-4.93979-0.02378
167.92307-51.27699.897552-0.48072
2-25.496120.86185-4.570340.283612
33.792423-3.252740.752372-0.05022
4-0.19490.171971-0.040710.002771
Таблица 3.4
i=3
j\k0123
017.87522-13.5312.927185-0.18874
1-18.862616.89128-4.319890.342311
26.700238-6.549681.802314-0.15296
3-0.969210.995813-0.284110.024806
40.049005-0.05190.015081-0.00133
Таблица 3.5
i=4
j\k0123
0-1.273781.203305-0.320130.026458
11.264139-1.406860.420682-0.03837
2-0.437270.53015-0.167510.015907
30.062403-0.079440.025828-0.0025
4-0.003130.004105-0.001360.000132

Таблица 4.1
i=0
j\k0123
0376.066301.285522.82773-8.4368
1-98.3989-126.849-67.939612.4729
212.548920.6951929.68926-4.87968
3-0.7848-1.41555-4.655520.735071
40.0188330.0297560.244926-0.03793
Таблица 4.2
i=1
j\k0123
0-97.2802-165.24728.356811.469204
140.94853126.98580.310807-5.1895
2-7.32215-36.0485-5.615072.518594
30.6174784.4744641.258673-0.41986
4-0.01958-0.204223-0.077050.022914
Таблица 4.3
i=2
j\k0123
013.9984250.19691-20.60441.070038
1-8.59767-49.220314.56165-0.07214
21.94151216.29838-3.65613-0.19593
3-0.18623-2.251780.1005220.047226
40.0060940.111202-0.01653-0.00295
Таблица 4.4
i=3
j\k0123
0-1.03134-7.417254.032219-0.3191
10.824147.936576-3.545890.213368
2-0.19738-2.795031.100053-0.04868
30.0169590.404339-0.146350.004802
4-0.00034-0.020690.0071-0.00018
Таблица 4.5
i=4
j\k0123
00.0319750.396403-0.242960.022345
1-0.02929-0.441620.232447-0.01855
20.0061690.16096-0.07720.005483
3-0.00024-0.023950.010825-0.00071
4-2.1E-050.001254-0.000553.43E-05

1. Способ измерения многомерных перемещений и обнаружения колебаний торцов лопаток ротора турбомашины, заключающийся в том, что с торцами лопаток работающей турбомашины вводят во взаимодействие одновитковые вихретоковые преобразователи, возбуждаемые синхронизированными с ее вращением последовательностями импульсов и по сигналам преобразователей оценивают координатные составляющие многомерных перемещений торцов лопаток ротора турбомашины, отличающийся тем, что для повышения информативности измерения используют кластер преобразователей, состоящий из трех одновитковых вихретоковых датчиков, которые размещают на статоре турбомашины таким образом, что при всех возможных смещениях в радиальном, осевом направлении и в направлении вращения ротора турбомашины, контролируемый торец лопатки на каждом обороте рабочего колеса оказывается в зоне чувствительности всех преобразователей одновременно, при этом чувствительные элементы одновитковых вихретоковых преобразователей устанавливают параллельно торцу лопатки на расстоянии, не превышающем рабочие диапазоны смещений в радиальном, в осевом и в направлении вращения ротора, и по значениям выходных сигналов всех преобразователей, полученных для одного и того же момента времени, соответствующего прохождению замка лопатки геометрического центра между двумя преобразователями, расположенными по оси в направлении вращения ротора турбомашины, путем решения системы из трех уравнений, полученных на основе семейств градуировочных характеристик преобразователей, определяют значения смещений торцов лопаток в радиальном, осевом направлениях и в направлении вращения ротора турбомашины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что факт низкочастотных колебаний пера лопатки выявляют, когда изменения смещения торца лопатки в направлении вращения ротора турбомашины, полученные в серии соседних измерений, превысят заданный пороговый уровень и повторятся периодически заданное число раз в течение серии измерений.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения радиальных зазоров между торцами лопаток ротора и статором турбомашины, а также для обнаружения колебаний лопаток в лопаточных венцах ротора турбомашины, сопровождающих срывные и помпажные явления в компрессоре силовой установки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения линейных и угловых перемещений. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для бесконтактного измерения зазоров, эксцентриситета, неровности, геометрических размеров и перемещений деталей машин и механизмов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения зазора между верхними кромками подвижных лопаток лопаточного венца и внутренней стенкой картера.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля параметров движения торцов лопаток ротора турбомашины в процессе испытаний и эксплуатации.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при аттестации вихретоковых датчиков контроля линейных перемещений и уровня вибрации роторных машин.

Изобретение относится к электромагнитным датчикам перемещения, в частности к датчикам линейных перемещений, применяемым для фиксации момента прохождения контролируемого объекта определенной точки пространства.

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано при преобразовании перемещений во временной интервал на основе волноводных преобразователей.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения взаимных перемещений различных объектов, в том числе отдельных участков деформируемых тел.

Изобретение относится к области измерения и регулирования положения верхней мертвой точки в поршневых двигателях

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в аэродинамическом эксперименте для измерения и контроля расстояний между телами при термоанемометрических исследованиях, например, пограничного слоя

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля радиально-осевых зазоров между рабочими лопатками и корпусом турбомашин, преимущественно в центробежных и осевых компрессорах, работающих при повышенных окружных скоростях, давлениях и температурах

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано, например, при исследованиях пограничного слоя на элементах летательных аппаратов и их моделей

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к испытаниям электрических машин косвенными методами
Изобретение относится к технологии приборостроения и может быть использовано в машиностроении и других областях техники для бесконтактного измерения дисбаланса вала турбодетандера, биения лопаток энергоустановки, а также поверхностей сложной геометрии из электромагнитных материалов и в условиях меняющихся температур

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при конструировании систем виброконтроля габаритных валов роторных машин в энергетике, нефтегазовой промышленности и других областях

Изобретение относится к устройствам контроля статических и динамических изменений зазора между двумя металлическими объектами

Изобретение относится к устройствам контроля статических и динамических изменений зазора между двумя металлическими объектами

Изобретение относится к устройствам контроля статических и динамических изменений зазора между двумя металлическими объектами
Наверх