Устройство для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины

Изобретение относится к авиадвигателестроению и энергомашиностроению и может быть использовано при прочностной доводке компрессоров газотурбинных двигателей, а также при диагностике автоколебаний в процессе их стендовых испытаний и эксплуатации. Изобретение позволяет повысить эффективность и надежность диагностики автоколебаний лопаток рабочего колеса турбомашины в режиме реального времени. Технический результат достигается тем, что в устройство для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины, содержащее два перестраиваемых активных полосовых фильтра, схему совпадений, выход которой через согласующий усилитель подключен к индикатору, введены формирователь сигналов, первый и второй амплитудные детекторы, пороговое устройство и компаратор, при этом первым входом устройства является информационный вход первого перестраиваемого активного полосового фильтра, вторым входом устройства является вход формирователя сигналов, третьим входом устройства является информационный вход второго перестраиваемого активного полосового фильтра, управляющие входы первого и второго перестраиваемых активных полосовых фильтров соединены между собой и с первым выходом формирователя сигналов, второй выход которого соединен с управляющим входом порогового устройства; выход первого перестраиваемого активного полосового фильтра через первый амплитудный детектор соединен с информационным входом порогового устройства, выход которого подключен к одному из входов схемы совпадений; выход второго перестраиваемого активного полосового фильтра через последовательно соединенные второй амплитудный детектор и компаратор подключен к другому входу схемы совпадений; второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, а выход устройства соединен с выходом согласующего усилителя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к авиадвигателестроению и энергомашиностроению и может быть использовано при прочностной доводке компрессоров газотурбинных двигателей, а также при диагностике автоколебаний в процессе их стендовых испытаний и эксплуатации.

Известно устройство для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины, содержащее схему совпадений, выход которой через усилитель подключен к индикатору. (Заболоцкий Н.Е. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин - М.: Машиностроение, 1977, С.91-92).

Данное устройство не позволяет с высокой достоверностью обнаружить диагностическую частоту автоколебаний, т.к. результат диагностики зависит от зазора между датчиком и лопатками, который в свою очередь зависит от многих неуправляемых факторов и вследствие этого является недостаточно надежным. При этом используется емкостной или индуктивный датчик, помещенный в корпусе в зоне периферии лопаток рабочего колеса.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины, содержащее два перестраиваемых активных полосовых фильтра, схему совпадений, выход которой через усилитель подключен к индикатору (патент RU 2094618, МПК 6 F01D 25/04, дата публикации 1997.10.27).

Данное устройство также не позволяет с высокой достоверностью обнаружить диагностическую частоту автоколебаний из-за необходимости диагностики автоколебаний в широкой полосе частот пульсационного сигнала, верхняя граница которой превышает значение частоты следования лопаток, равное произведению частоты вращения рабочего колеса на число установленных на нем лопаток. Кроме того, поскольку величины полезных компонент в пульсационном сигнале, по разности которых судят о наличии автоколебаний, соизмеримы с уровнем акустического шума, затруднена диагностика автоколебаний в режиме реального времени из-за сложности выделения диагностических частот из зашумленного широкополосного сигнала.

Все это снижает эффективность и надежность работы устройства и увеличивает затраты на его реализацию.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение эффективности и надежности диагностики автоколебаний лопаток рабочего колеса турбомашины в режиме реального времени.

Технический результат достигается тем, что в устройство для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины, содержащее два перестраиваемых активных полосовых фильтра, схему совпадений, выход которой через согласующий усилитель подключен к индикатору, в отличие от известного введены формирователь сигналов, первый и второй амплитудные детекторы, пороговое устройство и компаратор, при этом первым входом устройства является информационный вход первого перестраиваемого активного полосового фильтра, вторым входом устройства является вход формирователя сигналов, третьим входом устройства является информационный вход второго перестраиваемого активного полосового фильтра, управляющие входы первого и второго перестраиваемых активных полосовых фильтров соединены между собой и с первым выходом формирователя сигналов, второй выход которого соединен с управляющим входом порогового устройства; выход первого перестраиваемого активного полосового фильтра через первый амплитудный детектор соединен с информационным входом порогового устройства, выход которого подключен к одному из входов схемы совпадений; выход второго перестраиваемого активного полосового фильтра через последовательно соединенные второй амплитудный детектор и компаратор подключен к другому входу схемы совпадений; второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, а выход устройства соединен с выходом согласующего усилителя.

Формирователь сигналов может содержать последовательно соединенные формирователь импульсов, счетчик импульсов, постоянное запоминающее устройство и цифроаналоговый преобразователь, выход которого является первым выходом формирователя сигналов, второй выход которого соединен с выходом счетчика импульсов, а вход формирователя сигналов соединен с входом формирователя импульсов.

Пороговое устройство может содержать первое и второе устройства выборки-хранения, выходы которых подключены к входам разностного усилителя, выход которого через первый компаратор подключен к одному из входов ключа, к другому входу которого подключен выход второго компаратора, выход ключа является выходом порогового устройства; информационные входы устройств выборки-хранения и вход второго компаратора соединены между собой и с информационным входом порогового устройства, управляющие входы устройств выборки-хранения соединены между собой и с управляющим входом порогового устройства, вторые входы компараторов соединены с источниками опорных напряжений.

Технический результат достигается за счет использования в качестве основного динамического параметра - корпусной вибрации и дополнительного динамического параметра - пульсаций давлений потока. Причем оба параметра - корпусную вибрацию и пульсации давлений потока - регистрируют в ограниченной полосе частот с целью исключения избыточной информации, затрудняющей диагностику. При этом сигнал с датчика пульсаций не содержит составляющей с частотой следования лопаток рабочего колеса, которая затрудняет диагностику, поскольку может по уровню превышать полезный сигнал. Появление диагностической частоты в спектре пульсаций давлений потока является дополнительным диагностическим признаком, подтверждающим возникновение автоколебаний, с целью своевременного обнаружения и предотвращения опасных напряжений в лопатках. Все это позволяет определять в спектрах вибрационного и пульсационного сигналов диагностическую частоту в более узком частотном диапазоне с амплитудой, превышающей уровень шума, характерный для реальных турбомашин.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг.1 - функциональная блок-схема устройства для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины;

фиг.2 - функциональная блок-схема формирователя сигналов;

фиг.3 - функциональная блок-схема порогового устройства.

Устройство для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины (фиг.1) содержит первый и второй перестраиваемые активные полосовые фильтры 1 и 2 и формирователь сигналов 3. Информационный вход первого перестраиваемого активного полосового фильтра 1 является первым входом устройства, второй вход которого соединен с входом формирователя сигналов 3, а третий вход - с информационным входом второго перестраиваемого активного полосового фильтра 2.

Управляющие входы первого и второго перестраиваемых активных полосовых фильтров 1 и 2 соединены между собой и с первым выходов формирователя сигналов 3.

Выход первого перестраиваемого активного полосового фильтра 1 через первый амплитудный детектор 4 соединен с информационным входом порогового устройства 5, управляющий вход которого соединен со вторым выходом формирователя сигналов 3, а выход порогового устройства 5 подключен к одному из входов схемы совпадений 6.

Выход второго перестраиваемого активного полосового фильтра 2 через последовательно соединенные второй амплитудный детектор 7 и компаратор 8 подключен к другому входу схемы совпадений 6. Второй вход компаратора 8 соединен с источником опорного напряжения.

Выход схемы совпадений 6 через согласующий усилитель 9 подключен к индикатору 10. Выход устройства соединен с выходом согласующего усилителя 9.

Формирователь сигналов 3 (фиг.2) содержит последовательно соединенные формирователь импульсов 11, счетчик импульсов 12, постоянное запоминающее устройство 13 и цифроаналоговый преобразователь 14, выход которого является первым выходом формирователя сигналов 3. Второй выход формирователя сигналов 3 подключен к выходу счетчика импульсов 12. Вход формирователя импульсов 11 является входом формирователя сигналов 3.

Пороговое устройство 5 (фиг.3) содержит первое и второе устройства выборки-хранения 15 и 16, выходы которых подключены к входам разностного усилителя 17, выход которого через первый компаратор 18 подключен к одному из входов ключа 19, к другому входу которого подключен выход второго компаратора 20. Вторые входы компараторов 18 и 20 соединены с источниками опорных напряжений. Выход ключа 19 является выходом порогового устройства 5. Информационные входы устройств выборки-хранения 15 и 16 и вход второго компаратора 20 соединены между собой и с информационным входом порогового устройства 5. Управляющие входы устройств выборки-хранения 15 и 16 соединены между собой и с управляющим входом порогового устройства 5.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал со штатного вибродатчика, расположенного вблизи лопаток рабочего колеса турбомашины, измеряющего корпусную вибрацию, поступает на первый вход устройства для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины (фиг.1), соединенный с информационным входом активного полосового фильтра 1, перестраиваемого по частоте сигналом, вырабатываемым формирователем сигналов 3.

Сигнал с датчика пульсаций, расположенного вблизи лопаток рабочего колеса турбомашины, измеряющего пульсацию потока, поступает на третий вход устройства для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины (фиг.1), соединенный с информационным входом активного полосового фильтра 2, перестраиваемого по частоте тем же самым сигналом, вырабатываемым формирователем сигналов 3.

На вход формирователя сигналов 3 поступает периодический сигнал с датчика частоты вращения. Формирователь сигналов 3 формирует из периодического входного сигнала с частотой вращения рабочего колеса f_p на своих выходах сигналы с частотами f_v и f_m, которые связаны соотношением:

f_v=f_m+zf_p,

где f_v - диагностическая частота колебаний лопаток, наблюдаемая при автоколебаниях;

f_m - собственная частота колебаний лопаток;

z=1÷4 - номер собственной формы колебаний с числом узловых диаметров колебаний рабочего колеса;

f_p - частота вращения рабочего колеса турбомашины.

Сигнал с диагностической частотой f_v поступает на объединенные управляющие входы перестраиваемых активных полосовых фильтров 1 и 2 и настраивает их на частоту f_v. Кроме того, формирователь сигналов 3 формирует импульсы с частотой следования, равной установленному значению изменения частоты вращения рабочего колеса, поступающие на управляющий вход порогового устройства 5.

С выходов перестраиваемых активных полосовых фильтров 1 и 2 сигналы поступают на амплитудные детекторы 4 и 7, которые выделяют огибающие сигналов, поступающие на информационный вход порогового устройства 5 и первый вход компаратора 8.

При возникновении автоколебаний пороговое устройство 5 формирует на своем выходе сигнал, поступающий на один из входов схемы совпадений 6. Компаратор 8 осуществляет сравнение сигнала, поступающего с выхода амплитудного детектора 7, с опорным напряжением, поступающим на его второй вход, и формирует выходной сигнал, поступающий на другой вход схемы совпадений 6 при наличии в пульсационном сигнале составляющей с диагностической частотой f_v, что подтверждает возникновение автоколебаний рабочего колеса турбомашины.

Схема совпадений 6, выполненная на логическом элементе, при наличии на входах одновременно двух сигналов вырабатывает сигнал, свидетельствующий о возникновении автоколебаний, поступающий на согласующий усилитель 9, индикатор 10 и на выход устройства, который подключен, например, к дозатору топлива, выдающего при возникновении автоколебаний команду на исполнительный механизм для снижения режима работы турбомашины.

Формирователь сигналов 3 работает следующим образом.

Периодический сигнал с датчика частоты вращения поступает на вход формирователя сигналов 3 (фиг.2) и вход формирователя импульсов 11. Формирователь импульсов 11 формирует из периодического сигнала цифровой сигнал, поступающий на вход счетчика импульсов 12, который формирует из этого сигнала серию импульсов с интервалом, равным установленному значению изменения частоты вращения рабочего колеса турбомашины, управляющих пороговым устройством 5, и адресный код постоянного запоминающего устройства 13. В постоянном запоминающем устройстве 13 прошиты зависимости диагностической частоты от частоты вращения рабочего колеса, при числе узловых диаметров z=1-4, установленные расчетным или экспериментальным путем, генерируемые импульсами, поступающими с выхода счетчика импульсов 12. Сигнал с выхода постоянного запоминающего устройства 13 преобразуется цифроаналоговым преобразователем 14 из цифрового кода в аналоговый сигнал с диагностической частотой, т.е. моделируется сигнал с диагностической частотой f_v, необходимый для управления перестраиваемыми активными полосовыми фильтрами 1 и 2.

Пороговое устройство 5 работает следующим образом. Сигнал, поступающий на информационный вход порогового устройства 5 (фиг.3), далее поступает на объединенные информационные входы первого и второго устройств выборки-хранения 15 и 16 и вход компаратора 20. Импульсы, поступающие на управляющий вход порогового устройства, далее поступают на объединенные управляющие входы устройств выборки-хранения 15 и 16. В моменты их поступления с интервалом, равным установленному значению изменения частоты вращения рабочего колеса турбомашины, устройства выборки-хранения 15 и 16 запоминают и хранят в памяти текущее и предыдущее значения сигнала с диагностической частотой до вычисления разностным усилителем 17 их разности. При возникновении автоколебаний эта разность достигает значения опорного напряжения компаратора 18, формирующего сигнал при достижении заданного значения отношения изменения сигнала с диагностической частотой к изменению частоты вращения рабочего колеса. Компаратор 20 формирует выходной сигнал при достижении сигналом с диагностической частотой предельного значения, соответствующего предельному значению напряжения в лопатке. Ключ 19 коммутирует на выход порогового устройства 5 один из сигналов, сформированных компараторами 18 и 20.

Поскольку вторые входы компараторов 8, 18 и 20, на которые подаются опорные напряжения, являются инвертирующими, то на их выходах при достижении входными сигналами опорных напряжений формируются сигналы высокого уровня.

Изобретение позволяет диагностировать автоколебания лопаток турбомашины в режиме реального времени с целью своевременного обнаружения и предотвращения опасных напряжений в лопатках турбомашины и может использоваться как при ее опытной доводке, так и в эксплуатации.

1. Устройство для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины, содержащее два перестраиваемых активных полосовых фильтра, схему совпадений, выход которой через согласующий усилитель подключен к индикатору, отличающееся тем, что в него введены формирователь сигналов, первый и второй амплитудные детекторы, пороговое устройство и компаратор, при этом первым входом устройства является информационный вход первого перестраиваемого активного полосового фильтра, вторым входом устройства является вход формирователя сигналов, третьим входом устройства является информационный вход второго перестраиваемого активного полосового фильтра, управляющие входы первого и второго перестраиваемых активных полосовых фильтров соединены между собой и с первым выходом формирователя сигналов, второй выход которого соединен с управляющим входом порогового устройства; выход первого перестраиваемого активного полосового фильтра через первый амплитудный детектор соединен с информационным входом порогового устройства, выход которого подключен к одному из входов схемы совпадений; выход второго перестраиваемого активного полосового фильтра через последовательно соединенные второй амплитудный детектор и компаратор подключен к другому входу схемы совпадений; второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, а выход устройства соединен с выходом согласующего усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь сигналов содержит последовательно соединенные формирователь импульсов, счетчик импульсов, постоянное запоминающее устройство и цифроаналоговый преобразователь, выход которого является первым выходом формирователя сигналов, второй выход которого соединен с выходом счетчика импульсов, а вход формирователя сигналов соединен с входом формирователя импульсов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пороговое устройство содержит первое и второе устройства выборки-хранения, выходы которых подключены к входам разностного усилителя, выход которого через первый компаратор подключен к одному из входов ключа, к другому входу которого подключен выход второго компаратора, выход ключа является выходом порогового устройства; информационные входы устройств выборки-хранения и вход второго компаратора соединены между собой и с информационным входом порогового устройства, управляющие входы устройств выборки-хранения соединены между собой и с управляющим входом порогового устройства, вторые входы компараторов соединены с источниками опорных напряжений.