Способ измерения радиальных зазоров и осевых смещений торцов лопаток рабочего колеса турбины



Способ измерения радиальных зазоров и осевых смещений торцов лопаток рабочего колеса турбины
Способ измерения радиальных зазоров и осевых смещений торцов лопаток рабочего колеса турбины

 


Владельцы патента RU 2457432:

Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления сложными системами РАН (ИПУСС РАН) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения радиальных зазоров и осевых смещений торцов турбинных лопаток с большим углом изгиба профиля пера. Сущность: в предлагаемом способе производят раздельное определение смещений торцов лопаток в радиальном и осевом направлениях с помощью двух высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователей. Преобразователи размещают со смещением между центрами чувствительных элементов вдоль оси рабочего колеса, а также в направлении его вращения. После преобразования индуктивностей преобразователей в напряжение и код из массива кодов для каждой лопатки выбирают пару значений, состоящую из максимального и минимального значения, соответствующих взаимодействиям лопатки с каждым из преобразователей. По этим кодам с помощью семейств градуировочных характеристик преобразователей получают координатные составляющие смещения торца лопатки. Технический результат: несинхронизированный с вращением рабочего колеса опрос измерительной цепи, повышение быстродействия за счет сокращения времени сбора информации и точности за счет снижения динамической погрешности от возможной нестабильности периода вращения ротора за существенно уменьшившееся время сбора информации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения радиальных зазоров и осевых смещений торцов турбинных лопаток с большим углом изгиба профиля пера.

Известен способ измерения радиальных зазоров в турбомашинах, заключающийся в том, что с торцами лопаток работающей турбомашины вводят во взаимодействие вихретоковый преобразователь, возбуждаемый импульсной последовательностью, и по его сигналам оценивают радиальные зазоры между лопатками и указанным преобразователем [А.с. СССР N 1779908, МПК G01B 7/08, 1992].

Недостатком этого способа является низкая информативность измерения из-за невозможности определения осевого смещения лопаток ротора турбомашины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения, при котором на статоре турбомашины устанавливают кластер из двух высокотемпературных вихретоковых преобразователей, смещенных друг относительно друга и возбуждаемых импульсами, и по значениям выходных сигналов преобразователей с использованием семейств градуировочных характеристик преобразователей определяют радиальные зазоры между лопатками и преобразователями и осевое смещение рабочего колеса [патент РФ №2138012. Способ измерения параметров движения лопаток ротора турбомашины, кл. G01B 7/14, 1999].

Необходимо отметить, что в известных высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователях (Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. Вихретоковые датчики зазоров с чувствительными элементами в виде отрезка проводника. // Приборы и системы управления, 1996, №8, с.27 и патент РФ №2150676) не предусмотрены конструктивные меры снижения влияния больших изменений температур в компрессорах и турбинах, что вызывает необходимость использования дифференциальных измерительных цепей и дополнительных идентичных преобразователей, компенсирующих температурные воздействия на рабочие преобразователи («Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок» под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. - Самара, Самарский научный центр РАН, 2001, 188 с.). В качестве такого преобразователя может быть применен второй аналогичный преобразователь, при условии, что он смещен относительно первого в направлении вращения ротора таким образом, что при нахождении какой-либо лопатки в зоне чувствительности одного из преобразователей второй преобразователь максимально удален от ближайших лопаток [патент РФ №2390723. Способ измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток ротора турбомашины, кл. G01B 7/14, 2010].

Однако и в этом случае недостатком способа является невозможность определения координатных составляющих смещений торцов лопаток сложной формы из-за того, что предлагаемая ориентация чувствительных элементов преобразователей не позволяет получить единственную пару значений радиального зазора и осевого смещения для фиксированных кодов. Кроме того, формирование синхронизированной последовательности импульсов для возбуждения измерительной цепи требует наличия датчика синхронизации, т.е. дополнительного вмешательства в объект исследования. Также недостатком способа является низкое быстродействие, связанное с необходимостью предварительного определения периода вращения рабочего колеса и параметров импульсной последовательности, длительным (занимающим несколько оборотов ротора) процессом формирования групп результатов, относящихся к одной лопатке и необходимых для определения радиального зазора и осевого смещения. Возможная за время нескольких оборотов рабочего колеса нестабильность ранее найденного периода его вращения, которым определяется периодичность и моменты возбуждения измерительной цепи, приводит к дополнительной динамической погрешности определения искомых смещений торцов лопаток рабочего колеса.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия, а также уменьшение вмешательства в объект исследования.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, при котором во взаимодействие с торцами лопаток работающей турбины вводят кластер из двух включенных в дифференциальную измерительную цепь высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователей с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, распределенными по статорной оболочке со смещением друг относительно друга и возбуждаемыми импульсами, и по значениям выходных сигналов преобразователей на основе семейств градуировочных характеристик вычисляют координатные составляющие смещения торцов лопаток относительно указанных преобразователей, дополнительно преобразователи размещают таким образом, что центр проекции чувствительного элемента одного из них на развертку рабочего колеса лежит на линии пересечения развертки с плоскостью вращения точки пересечения средней линии торца с профилем входной кромки лопатки, а центр проекции чувствительного элемента другого преобразователя смещен вдоль оси вращения на расстояние, равное максимальному ожидаемому осевому смещению, при этом линейное расстояние между указанными центрами в направлении вращения рабочего колеса выбирают равным , где

ψЛ - угловой шаг установки лопаток контролируемого рабочего колеса;

L - длина окружности поперечного сечения внутренней поверхности статора над лопаточным венцом;

Δх0 - смещение между центрами преобразователей вдоль оси рабочего колеса, равное максимальному ожидаемому осевому смещению;

α - угол между лежащими на развертке рабочего колеса перпендикуляром к плоскости вращения точки пересечения средней линии торца с профилем входной кромки лопатки и касательной к средней линии проекции профиля торца пера лопатки в точке ее пересечения с линией, параллельной линии пересечения развертки рабочего колеса с плоскостью вращения точки пересечения средней линии торца с профилем входной кромки лопатки, и отстоящей от нее на расстояние, равное половине ожидаемого осевого смещения, чувствительные элементы преобразователей ориентируют таким образом, что их проекции перпендикулярны указанной касательной, а возбуждение импульсами преобразователей и преобразование индуктивностей чувствительных элементов в напряжения и фиксацию соответствующих кодов производят с периодом, существенно меньшим, чем время нахождения лопатки в зоне чувствительности преобразователя, из массива кодов для каждой лопатки выбирают пару значений, состоящую из максимального и минимального значения кодов, соответствующих взаимодействиям лопатки с каждым из преобразователей, и по этим кодам с помощью семейств градуировочных характеристик преобразователей для каждой из лопаток получают координатные составляющие смещения ее торца.

Градуировочные характеристики для каждой лопатки формируют путем задания ряда значений радиального зазора, для каждого из которых задают ряд значений осевого смещения и, перемещая лопатку мимо первого чувствительного элемента, фиксируют экстремальное, например максимальное, значение кода, затем аналогичные действия повторяют для второго чувствительного элемента и фиксируют минимальные значения кодов.

На фиг.1 представлена плоская развертка фрагмента рабочего колеса, где изображены проекции торцов перьев лопаток и проекции чувствительных элементов (ЧЭ), взаимное расположение которых соответствует моменту времени фиксации околоэкстремальных значений кодов, а также система отсчета (показаны оси Х и Z (направление вращения), ось У направлена перпендикулярно плоскости чертежа).

На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие формирование кодов по всем лопаткам (фиг.2а) и прореживание исходного массива за счет выделения экстремальных кодов (фиг.2б).

Измерение искомых координат смещения торцов лопаток ротора турбомашины предлагаемым способом осуществляется следующим образом. Преобразователи располагаются на статоре со смещением между центрами их чувствительных элементов вдоль оси рабочего колеса, равным максимальному ожидаемому осевому смещению торцов лопаток, и смещением в направлении вращения, равным (фиг.1).

Такое смещение в направлении вращения обеспечивает наилучшее выполнение преобразователем компенсационной функции в дифференциальной измерительной цепи (ИЦ) во время формирования экстремальных значений кодов.

Дифференциальную ИЦ возбуждают импульсами, период следования которых существенно меньше, чем время нахождения лопатки в зоне чувствительности преобразователя, и зависит от параметров конкретных преобразователей и условий их применения («Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок» под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. - Самара, Самарский научный центр РАН, 2001, 188 с.).

Эти импульсы также запускают процесс преобразования индуктивностей преобразователей в напряжение и далее в цифровые коды (фиг.2а). Из массива кодов для каждой из лопаток последовательно выбирают максимальное и минимальное значение Ci-max, C(i-1)min, …, C(i+1)max, Ci-min (фиг.2б), которые затем используют для определения координатных составляющих. Таким образом, сбор данных, необходимых для определения искомых координатных составляющих для всех лопаток, занимает время одного поворота рабочего колеса.

После выделения из массива максимальных и минимальных значений кодов (Ci-max, Ci-min), полученных при прохождении торцом пера i-й лопатки зон чувствительности обоих ЧЭ, с помощью градуировочной характеристики (ГХ) определяют радиальный зазор (РЗ) и осевое смещение (ОС) для i-й лопатки.

Процедура получения ГХ заключается в том, что задают фиксированное значение РЗ; задают ряд значений ОС и при этом для каждого значения ОС перемещают лопатку вдоль оси Z (фиг.1) мимо чувствительного элемента преобразователя, выполняющего при этом за счет взаимодействия его электромагнитного поля с лопаткой роль рабочего в дифференциальной ИЦ, и фиксируют экстремальное значение (например, максимум) кода. Затем меняют значение радиального зазора и повторяют операцию. В результате для данной лопатки накапливается массив данных Cmax=f1(X,Y). Затем аналогичные действия повторяют для чувствительного элемента второго преобразователя, и в результате накапливается массив данных Cmin=f2(X,Y).

Решение системы позволяет определить обе составляющие смещения.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет, исключив синхронизированный с вращением рабочего колеса опрос преобразователей, получить информацию о координатах смещений торцов лопаток, затратив на ее сбор время, соответствующее продолжительности одного оборота рабочего колеса. Сокращение длительности сбора информации до одного оборота ротора ведет также к повышению точности за счет снижения динамической погрешности от возможной нестабильности периода вращения.

1. Способ измерения радиальных зазоров и осевых смещений торцов лопаток рабочего колеса турбины, при котором во взаимодействие с торцами лопаток работающей турбины вводят кластер из двух включенных в дифференциальную измерительную цепь высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователей с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, распределенными по статорной оболочке со смещением друг относительно друга и возбуждаемых импульсами, и по значениям выходных сигналов преобразователей на основе семейств градуировочных характеристик вычисляют координатные составляющие смещения торцов лопаток относительно указанных преобразователей, дополнительно преобразователи размещают таким образом, что центр проекции чувствительного элемента одного из них на развертку рабочего колеса лежит на линии пересечения развертки с плоскостью вращения точки пересечения средней линии торца с профилем входной кромки лопатки, а центр проекции чувствительного элемента другого преобразователя смещен вдоль оси вращения на расстояние, равное максимальному ожидаемому осевому смещению, при этом линейное расстояние между указанными центрами в направлении вращения рабочего колеса выбирают равным
,
где ψл - угловой шаг установки лопаток контролируемого рабочего колеса;
L - длина окружности поперечного сечения внутренней поверхности статора над лопаточным венцом;
Δх0 - смещение между центрами преобразователей вдоль оси рабочего колеса, равное максимальному ожидаемому осевому смещению;
α - угол между лежащими на развертке рабочего колеса перпендикуляром к плоскости вращения точки пересечения средней линии торца с профилем входной кромки лопатки и касательной к средней линии проекции профиля торца пера лопатки в точке ее пересечения с линией, параллельной линии пересечения развертки рабочего колеса с плоскостью вращения точки пересечения средней линии торца с профилем входной кромки лопатки и отстоящей от нее на расстояние, равное половине ожидаемого осевого смещения, чувствительные элементы преобразователей ориентируют таким образом, что их проекции перпендикулярны указанной касательной, а возбуждение импульсами преобразователей и преобразование индуктивностей чувствительных элементов в напряжения и фиксацию соответствующих кодов производят с периодом, существенно меньшим, чем время нахождения лопатки в зоне чувствительности преобразователя, из массива кодов для каждой лопатки выбирают пару значений, состоящую из максимального и минимального значений кодов, соответствующих взаимодействиям лопатки с каждым из преобразователей, и по этим кодам с помощью семейств градуировочных характеристик преобразователей для каждой из лопаток получают координатные составляющие смещения ее торца.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что градуировочные характеристики для каждой лопатки формируют путем задания ряда значений радиального зазора, для каждого из которых задают ряд значений осевого смещения и, перемещая лопатку мимо первого чувствительного элемента, фиксируют экстремальное, например максимальное значение кода, затем аналогичные действия повторяют для второго чувствительного элемента и фиксируют минимальные значения кодов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток ротора относительно статора турбомашины.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток ротора относительно статора турбомашины.

Изобретение относится к датчикам перемещения, в частности к перемещениям двух каких-либо объектов относительно друг друга. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток колеса ротора относительно статора турбомашины.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки деформации статора газотурбинного двигателя. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения зазора между стационарной и вращающейся компонентами машины (турбины, генератора и т.п.).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки деформации статорной оболочки (ДСО) винтовентиляторной силовой установки (ВВСУ) авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) в местах установки кластерных одновитковых вихретоковых датчиков (КОВТД) и смещений геометрического центра оболочки относительно центра вращения винта.

Изобретение относится к контролю качества микромеханических устройств, используемых в акселерометрах, гироскопах, датчиках давления. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области создания средств и методов бесконтактного измерения вибраций деталей машин и механизмов, и может быть использовано для бесконтактного измерения зазоров.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля нефтегазопроводов и может быть использовано для определения пространственных координат дефектов, а также для измерения пройденного внутритрубным инспектирующим снарядом-дефектоскопом расстояния.

Изобретение относится к области прецизионных измерений перемещений посредством измерения емкости и может быть использовано для определения линейных перемещений сканирующих устройств в сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ)

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

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован, в частности, в гидравлических системах летательных аппаратов, где требуется информация о перемещениях исполнительных гидроцилиндров

Изобретение относится к индуктивному сенсору сближения, выполненному с возможностью встраивания в монтажную плату (2), выполненную из мягкой стали. Сенсор включает корпус (16) с лицевой стенкой, выполненной из синтетического материала и образующей чувствительную поверхность (4), осциллятор (10), включающий воспринимающую обмотку (7) с сердечником (9), расположенный внутри корпуса за лицевой стенкой (16) таким образом, чтобы незамкнутая часть сердечника (9) была направлена к чувствительной поверхности (4), пустотелый цилиндрический металлический элемент (3), расположенный перпендикулярно чувствительной поверхности (4) и окружающий сердечник (9), а также измерительный контур (11), приспособленный для измерения затухания колебаний осциллятора (10), возникающего из-за наличия вихревых токов. Сердечник (9) радиально окружен слоем металла, имеющим низкое удельное электрическое сопротивление менее 15 мкОм·см и толщину менее 40 мкм. В альтернативном варианте выполнения этот тонкий металлический слой может быть исключен, если удельное электрическое сопротивление металлического элемента (3) находится в диапазоне от 15 мкОм·см до 50 мкОм·см. Технический результат: улучшение встраиваемости сенсора без ущерба для дальности действия. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Использование: для уменьшения температурной погрешности при измерении перемещений электропроводящих объектов в условиях воздействия высоких температур. Сущность: в одновитковом вихретоковом преобразователе во внутреннем проводнике его коаксиального токовода, соединяющего чувствительный элемент с объемным витком согласующего трансформатора, располагают первую термопару. Горячий спай термопары находится внутри токовода у его торца, обращенного к чувствительному элементу. Вторую термопару располагают так, что ее горячий спай оказывается в месте контакта токовода с объемным витком согласующего трансформатора. Температура, учитываемая для термокоррекции при вычислении координатных составляющих, определяется как Θ Ч Э = Θ Т П 1 + ( Θ Т П 2 − Θ Т П 1 ) ⋅ l 1 l 2 , где ΘТП1 - температура в области расположения горячего спая первой термопары, размещенной во внутреннем проводнике коаксиального токовода; ΘТП2 - температура в области расположения горячего спая второй термопары, размещенной в месте контакта токовода с объемным витком согласующего трансформатора; l1, l2 - расстояния от чувствительного элемента до горячего спая первой и второй термопары соответственно. Технический результат: уменьшение погрешности измерения координатных составляющих. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля изгиба удлиненных изделий, в частности каналов активной зоны ядерного реактора. Сущность: измеритель искривления содержит емкостные датчики зазора, закрепленные на контролируемом изделии и подключенные к измерителям емкости. Конденсаторные пластины (5), образующие емкостные датчики зазора, установлены на отдельных держателях (3), закрепленных на контролируемом изделии. Расстояние между точками крепления держателей (3) в осевом направлении больше зазора между конденсаторными пластинами (5). На каждом держателе (3) установлено по несколько конденсаторных пластин (5) с угловым смещением относительно друг друга в поперечном сечении держателя (3). Измерители емкости выполнены в виде усилителей заряда. Предложены частные случаи исполнения устройства. В первом частном случае держатели (3) выполнены в виде соосных обечаек разного диаметра, а на цилиндрических поверхностях обечаек, обращенных навстречу друг другу, закреплены пары цилиндрических конденсаторных пластин (5), образующих радиальный зазор. Во втором частном случае держатели (3) выполнены в виде пары одинаковых обечаек с фланцами на торцах, обращенных навстречу друг другу, а на фланцах закреплены пары плоских конденсаторных пластин (5), образующих осевой зазор. Технический результат: расширение функциональных возможностей измерителя. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения искривлений трубчатых каналов, преимущественно в атомной энергетике. Сущность: индуктивный измеритель искривления трубчатого канала содержит индуктивные датчики зазора, соединенные с измерительной системой. Индуктивные датчики зазора выполнены в виде магнитопроводов (5) с возбуждающей (7) и измерительной (6) обмотками, закрепленных на держателях, установленных на корпусе измерителя, и замыкающих магнитных элементов (8), закрепленных на корпусе измерителя напротив разомкнутых магнитопроводов. Возбуждающие (7) и измерительные (6) обмотки установлены на магнитопроводах (5) соосно. Обмоточные провода этих обмоток и их выводы (10) выполнены из кабеля с минеральной изоляцией в металлической герметичной оболочке. Возбуждающие обмотки (7) подключены к генератору стабильного тока постоянной частоты. Измерительные обмотки (6) через усилители подключены к входам синхронных детекторов, управляемых от генератора стабильного тока. Технический результат: расширение функциональных возможностей измерителя. 4 ил.

Использование: для измерения зазоров и осевых смещений торцов рабочих лопаток турбины. Сущность изобретения заключается в том, что во взаимодействие с торцом контролируемой лопатки вводят распределенный кластер из двух высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователей (ОВТП) с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде линейного отрезка проводника, устанавливаемых на статорной оболочке с нормированным смещением друг относительно друга в направлении, параллельном оси рабочего колеса (ось X), на расстояние равное ожидаемому смещению торца лопатки Δх0, причем кластер преобразователей устанавливают по оси Х левее выходной кромки лопатки на половину длины ЧЭ (λЧЭ/2), а также ЧЭ преобразователей ориентируют параллельно касательной к средней линии профиля торца лопатки в точке пересечения ее с плоскостью вращения, проходящей через геометрический центр кластера преобразователей (середина линии, соединяющей центры ЧЭ преобразователей); из совокупности результатов преобразования параметров первого ЧЭ с торцевыми кромками спинки и корыта каждой контролируемой лопатки выбирают наименьшее из экстремальных значений кодов, а из совокупности результатов преобразования параметров второго ЧЭ с торцевыми кромками спинки и корыта каждой контролируемой лопатки выбирают наибольшее из экстремальных значений кодов. Технический результат: повышение чувствительности ОВТП с ЧЭ в виде линейного отрезка проводника при измерении радиальных зазоров и осевых смещений торцов турбинных лопаток с большим углом изгиба профиля и U-образном продольном сечении ее пера. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при конструировании систем виброконтроля габаритных валов роторных машин в электрогенераторах, при эксплуатации турбонасосов, в нефтегазовой промышленности и других областях. Датчик воздушного зазора выполнен в виде двух конденсаторных пластин, рабочие поверхности которых расположены рядом в плоскости статора, совпадающей с нулем воздушного зазора между статором и ротором, изолированные от статора диэлектрической прокладкой, по торцам пластин выполнены металлические экраны замыкания краевых эффектов, пластины выполнены с перпендикулярными прорезями для уменьшения вихревых токов и стабилизации емкости конденсатора, образуемого пластинами, конденсатор является реактивной нагрузкой высокочастотного генератора, сигнал которого параметрически модулируется изменяемой емкостью воздушного зазора при прохождении полюса ротора над пластинами, промодулированный сигнал генератора детектируют пиковым детектором измерения минимального зазора и амплитудным детектором среднего профиля зазора, для увеличения чувствительности и интервала линейности выходной характеристики используют режим регенерации при соотношении частот генератора (fс) и модулятора 4:1. Технический результат - повышение чувствительности датчика и расширение линейного интервала измерений величины зазора. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к емкостному датчику для измерения расстояния, в частности, до мишени в литографическом устройстве. Сущность: емкостная измерительная система содержит два или более емкостных датчиков (30a, 30b), один или более источников (306a, 306b) питания переменного тока для подачи питания на емкостные датчики и схему обработки сигналов для обработки сигналов от датчиков. Датчики скомпонованы попарно. Один или более источников питания переменного тока выполнены с возможностью запитывать первый датчик из пары датчиков переменным током (307) или напряжением со сдвигом фаз 180 градусов относительно тока или напряжения для второго датчика из пары датчиков. Схема обработки сигналов выполнена с возможностью обработки принятых выходных сигналов для генерации единого измеренного значения расстояния, соответствующего среднему расстоянию между измерительным блоком и мишенью. Схема обработки сигналов выполнена с возможностью генерации результата дифференциального измерения путем суммирования выходных сигналов от измерительного блока в течение первого полупериода питающего сигнала и в течение второго полупериода питающего сигнала по отдельности и вычитания просуммированных значений. 14 з.п. ф-лы, 32 ил.
Наверх