PL223053B1 - Sposób monitorowania zmian stanu technicznego łopatki maszyny wirnikowej w czasie pracy na podstawie parametrów różnicy przesunięcia fazowego sygnałów diagnostycznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób monitorowania zmian stanu technicznego łopatki maszyny wirnikowej w czasie pracy na podstawie parametrów różnicy przesunięcia fazowego sygnałów diagn ostycznych.

Znane metody monitorowania stanu technicznego obiektów technicznych typu łopatka maszyny wirnikowej podczas jej pracy bazują tylko na tzw. „bezdotykowym” pomiarze okresów przemieszczania i przemieszczeń wierzchołka łopatki w czasie gdy zbliża się on do czujnika, jest pod czujnikiem i odd ala się od czujnika czyli tylko sygnału diagnostycznego bez otoczenia.

Większość obecnie stosowanych metod bazują na przetwarzaniu tylko sygnałów wynikających z działania łopatki (diagnostycznych) bez wystarczającego uwzględnienia jej zmiennego trudnomierzalnego otoczenia. Stąd nie realizują one podstawowej zasady diagnostyki technicznej nakazującej badanie obiektu technicznego w otoczeniu i z tego względu metody te nie są wystarczająco dokładne. Jest też znana nowa metoda diagnozowania opisana w Biuletynie Urzędu Patentowego Nr 18(957) z 2010 Nr Patentu A1 (21) 387596(22) 2009.02.02 pt. „Sposób monitorowania zmian stanu technicznego łopatki turbiny wirnikowej na podstawie ilorazu parametrów wzmocnień amplitudowych sygnałów diagnostycznych”, która ma tę znamienną własność, że mierząc sygnał w różnych następujących po sobie okresach czasu uwzględnia przez to wielowymiarowe otoczenie łopatki, bez konieczności jego często niemierzalnego pomiaru.

Istota rozwiązania polega na monitorowaniu zmian stanu technicznego łopatki maszyny wirnikowej na podstawie parametrów abstrakcyjnego modelu diagnostycznego w postaci różnicy przesunięcia fazowego sygnału przemieszczenia wierzchołka łopatki w czasie, gdy oddala się ona od czujnika do tegoż przemieszczenia w czasie, gdy łopatka zbliża się do czujnika, równej argumentowi ilorazu wzajemnej gęstości mocy sygnału y_T12(t) i dystrybucji δ (t, τ) przy oddalaniu się łopatki od czujnika, do wzajemnej gęstości mocy sygnału y_T01(t) i dystrybucji δ (t, τ) przy zbliżaniu się łopatki do czujnika oraz wykorzystanie do opisu otoczenia łopatki, którym jest szum o dużej mocy odpowiadającą mu dystrybucją z podziałem okresu obserwacji T₀₂ sygnału diagnostycznego y na dwa następujące po sobie podokresy T₀₁ zbliżania się łopatki do czujnika i T₁₂ oddalania się łopatki od czujnika takie, że przebiegi funkcji korelacji wzajemnych odpowiednich fragmentów sygnałów y_T01(t) i y_T12(t) z dystrybucją δ (t, τ) dają się opisać analitycznie z dokładnością określoną współczynnikiem determinacji (dopasowania) R²>0,997.

Sygnały diagnostyczne przetwarza się za pomocą komputera przez co uzyskuje się zbiór parametrów różnicy przesunięcia fazowego, a na podstawie zmian wartości tych parametrów w czasie eksploatacji maszyny wirnikowej określa się zmiany stanu technicznego łopatki.

Sposób realizacji wynalazku bazującego na obserwacji zmian różnicy przesunięć fazowych Δφ jest następujący. W kadłubie silnika turbinowego montuje się na stałe bezdotykowy czujnik indukcyjny (lub innego typu) (rys. 1) do pomiaru chwilowego położenia wierzchołków łopatek turbiny w czasie pracy. Ustalony czas obserwacji T₀₂ przemieszczania się łopatki y(t) pod czujnikiem jest odpowiednio dzielony na dwa okresy (rys. 2): zbliżania się łopatki do czujnika T₀₁ i oddalania wierzchołka od czujnika T₁₂ (T₀ chwila rozpoczęcia pomiaru sygnału w fazie zbliżania, T₁ chwila odpowiada sytuacji, gdy wierzchołek łopatki znajduje się dokładnie pod czujnikiem, T2 chwila zakończenia pomiaru sygnału w fazie oddalania). Wymienione przedziały czasu pomiaru sygnałów diagnostycznych dobiera się eksperymentalnie dla określonego typu łopatki.

PL 223 053 B1

Sygnał z czujnika indukcyjnego

T_d, T_k - odpowiednio - długi i krótki okres obserwacji przebywania wierzchołka łopatki w strefie czujnika, T₀, Ti, T₂ - charakterystyczne chwile obserwacji wierzchołka łopatki pod czujnikiem, T₀₁, T₁₂ - podokresy obserwacji wierzchołka łopatki odpowiednio dla T_d i T_k, mV - sygnał przemieszczania wierzchołka łopatki, uS - czas przemieszczania łopatki

Istota monitorowania stanu technicznego łopatek maszyny wirnikowej podczas jej pracy według wynalazku polega na tym, że otoczenie łopatki jest odwzorowane za pomocą odpowiednio dobranej xt^ dystrybucji δ (t, τ) np. δ (t, τ) = - e— takiej, aby długość sygnału opisanego dystrybucją była równa długość sygnału mierzonego (ta sama ilość próbek w sygnałach) moc mierzonego sygnału diagnostycznego względem mocy założonej dystrybucji była odpowiednia. Założenie to pozwoli wyznaczyć wzajemną gęstość mocy sygnału przemieszczenia łopatki y(t) i dystrybucji δ (t, τ) (otoczenie) w dwóch podokresach czasu obserwacji łopatki T01 i T12.

Iloraz wzajemnej gęstości mocy sygnału y(t) i dystrybucji δ (t, τ) łopatki podczas oddalania od czujnika do gęstości mocy sygnałów y(t) i dystrybucji δ (t, τ) łopatki podczas zbliżania się do czujnika daje operatorową funkcję, której argument jest różnicą przesunięć fazowych sygnału y podczas oddalania się od czujnika względem sygnału y podczas zbliżania się do czujnika. Parametry tej operatorowej funkcji są bezpośrednio powiązane ze zmianą stanu technicznego łopatki.

Tok przetwarzania sygnałów z wykorzystaniem komputera jest następujący.

Zakłada się, że otoczenie x(t) jest np. szumem o dużej mocy (reprezentowanym przez dystrybucję δ (t, τ)) i że może on być skorelowany z sygnałem y(t). Na podstawie zmierzonych wartości s ygnałów diagnostycznych wyznacza się ich funkcje korelacji w fazie zbliżania się łopatki do czujnika i w fazie oddalania się od czujnika.

Dla przemieszczenia y(t) i otoczenia x(t) w założonych przedziałach obserwacji T₀₁ i T₁₂ wyznacza się estymaty funkcji korelacji wzajemnej T?*™ ¹ i T?*^^{1 2} i dopasowuje do nich odpowiednie wyrażenia analityczne. Funkcje te przyjmują postać:

β_χ>,(τ) = α_ητ^η + —Η α4τ⁴ + α3τ³ + α2τ²+α1τ + a₀ gdzie: a₁, a₂, a₃,..., a_n - parametry

Stopień dopasowania (współczynnik dopasowania R²) analitycznej postaci R*_xy ¹ i RXy¹² do jej postaci eksperymentalnej powinien być większy od 0,997.

Na podstawie analitycznych postaci funkcji korelacji wzajemnej R*_x ^Ty°¹ i R*^¹² wyznacza się odpowiadające im funkcje gęstości widmowej mocy Sxy ¹ (/ω) i Sx1²(jω) wykorzystując transformację Fouriera z zależności:

S™ ¹ (/ω) = F (R_xy ¹ (τ) )

S^TX1² (j ω ) = F (R %² (τ) ) gdzie: F - operacja ciągłej transformaty Fouriera.

Wyznaczenie sygnału φτ₁₂,τ₀₁:

Zakładając, że okres obserwacji sygnałów T₁₂ następuje bardzo krótko (ms) po czasie obserwacji sygnałów T01 to . Wtedy:

ęT12 •^xy .

gT12 ę~i<PTl2 S⁷¹² <Pri2,roi = Ψτΐ2 - Ψτοι = Ar,g = Arg _{A e}-_jVT01= ArgA_T12,_T01e~A<PTi2-VT₀i = Arg

CT01 '-'χχ gdzie:

Arg - argument funkcji;

sX1 ²- postać analityczna gęstości widmowej mocy wzajemnej dla wydzielonego fragmentu sygnału i dystrybucji w okresie T₁₂ ;

sX_y ¹- postać analityczna gęstości widmowej mocy wzajemnej dla wydzielonego fragmentu

PL 223 053 B1 sygnału i dystrybucji w okresie T₀₁;

STl ² - gęstość widmowa sygnału rzeczywistego otoczenia w okresie T₁₂;

S™ ¹- gęstość widmowa sygnału rzeczywistego otoczenia w okresie T₀₁.

Argument ilorazu funkcji gęstości mocy wzajemnej sygnału y i dystrybucji δ (t, τ) reprezentującej sygnały otoczenia x, określający różnicę przesunięcia fazowego sygnałów diagnostycznych, sprowadza się do postaci sparametryzowanej :

5^T12 <Pri2,roi = Arg ^- = Arg b₀ + Bs + £₂s²+. +bnsⁿ a0 + a,_:s + a₂s²+... +a„sⁿ

Ostateczny model φτι₂,τ₀ι (po podzieleniu wszystkich wartości przez a₀) wynosi:

S^T12 <Ρτΐ2,τοι = Arg-^ = Arg

B_o + B^s + B₂s² +... +Snsⁿ 1 + + A2s²+. .. +A_nsⁿ gdzie:

Arg - argument funkcji s - zmienna zespolona;

bi, Bi, i=1,2, ... , n - zbiór parametrów licznika różnicy przesunięcia fazowego sygnałów diagnostycznych a_i, Ai, i=1, 2, ... , n - zbiór parametrów mianownika różnicy przesunięcia fazowego sygnałów diagnostycznych.

Zmiana parametrów A_i, B_i oraz duża liczba ich konfiguracji pozwala identyfikować wiele różnych zmian stanu technologicznego badanej łopatki podczas pracy maszyny wirnikowej.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób monitorowania zmian stanu technicznego łopatki maszyny wirnikowej w czasie pracy na podstawie parametrów różnicy przesunięcia fazowego sygnałów diagnostycznych, znamienny tym, że monitorowanie zmian stanu technicznego łopatki maszyny wirnikowej następuje na podstawie parametrów abstrakcyjnego modelu diagnostycznego w postaci różnicy przesunięcia fazowego sygn ału przemieszczenia wierzchołka łopatki w czasie, gdy oddala się ona od czujnika do tegoż przemieszczenia w czasie, gdy łopatka zbliża się do czujnika, równej argumentowi ilorazu wzajemnej gęstości mocy sygnału y_T12(t) i dystrybucji δ (t, τ) przy oddalaniu się łopatki od czujnika, do wzajemnej gęstości mocy sygnału y_T01(t) i dystrybucji δ (t, τ) przy zbliżaniu się łopatki do czujnika oraz wykorzystanie do opisu otoczenia łopatki, którym jest szum o dużej mocy odpowiadającą mu dystrybucją z podziałem okresu obserwacji T₀₂ sygnału diagnostycznego y na dwa następujące po sobie podokresy T₀₁ zbliżania się łopatki do czujnika i T₁₂ oddalania się łopatki od czujnika takie, że przebiegi funkcji korelacji wzajemnych odpowiednich fragmentów sygnałów y_T01(t) i y_T12(t) z dystrybucją δ (t, τ) dają się opisać ₂ analitycznie z dokładnością określoną współczynnikiem determinacji (dopasowania) R >0,997.
2. 2. Metoda według zastrz. 1, znamienna tym, że sygnały diagnostyczne przetwarza się za pomocą komputera przez co uzyskuje się zbiór parametrów różnicy przesunięcia fazowego, a na podstawie zmian wartości tych parametrów w czasie eksploatacji maszyny wirnikowej określa się zmiany stanu technicznego łopatki.