RU2272990C2

RU2272990C2 - Способ измерения многомерных перемещений и обнаружения колебаний торцов лопаток ротора турбомашины

Info

Publication number: RU2272990C2
Application number: RU2002117185/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Юрьевич Боровик (RU); Сергей Юрьевич Боровик; Борис Константинович Райков (RU); Борис Константинович Райков; Юрий Николаевич Секисов (RU); Юрий Николаевич Секисов; Олег Петрович Скобелев (RU); Олег Петрович Скобелев; Виктори Владимировна Тулупова (RU); Виктория Владимировна Тулупова
Original assignee: Институт проблем управления сложными системами РАН (ИПУСС РАН)
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2006-03-27
Also published as: RU2002117185A

Abstract

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.

Description

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 (Х_P) направлении и в направлении вращения ротора (Z_P), а зона измерения ограничивается объемом прямоугольного параллелепипеда с основанием (Х_P, Z_P) и высотой, равной рабочему диапазону изменения радиального зазора Y_P.

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 τ_P - период вращения ротора, τ₀ - период опроса вихретоковых преобразователей, τ_ПЦ - 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, ..., n_Л, t₁, t₂, ..., t_i, ..., t_ПЛ - время, соответствующее нахождению замка лопаток номер 1, 2, ..., i, ..., n_Л 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 Z_nop - пороговое значение смещения в направлении вращения ротора турбомашины, τ_k - 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 τ_P (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 (n_Л) (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 τ_K (фиг.5) существенно превышает длительность полного цикла опроса τ_ПЦ 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 Z_nop, 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 Z_nop 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., X_P=Y_P=Z_P=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 Х_P и Z_P. 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 а_kijl - 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\k	0	1	2	3
0	1089.937	-28.5336	-41.4291	4.325638
1	-605.446	43.74934	26.41367	-3.21512
2	165.3576	-18.2316	-6.75614	0.922744
3	-21.107	2.864083	0.78447	-0.11676
4	0.998377	-0.15132	-0.03428	0.005429
Таблица 1.2
i=1
j\k	0	1	2	3
0	6386.643	-1473.06	-92.4413	27.16385
1	75.29396	-232.689	76.45326	-6.77112
2	-41.4853	91.63799	-30.8002	2.79698
3	11.94006	-13.855	4.206058	-0.37169
4	-1.09924	1.046293	-0.29307	0.024822
Таблица 1.3
i=2
j\k	0	1	2	3
0	-11593.6	2922.432	110.9635	-45.9451
1	67.46365	10.54913	-28.3026	4.057309
2	-27.0605	-3.72834	11.45328	-1.66063
3	-5.46911	0.799212	-0.88895	0.14836
4	0.844052	-0.46495	0.145855	-0.01515
Таблица 1.4
i=3
j\k	0	1	2	3
0	5916.312	-1375.47	-97.1481	27.03799
1	80.6998	-43.3666	13.59667	-1.46529
2	0.489103	-1.52248	-1.98153	0.380467
3	3.926521	0.76887	-0.28513	0.006592
4	-0.20128	0.003479	-0.0019	0.001218
Таблица 1.5
i=4
j\k	0	1	2	3
0	-892.448	171.0225	27.71957	-5.24522
1	-32.5871	18.82151	-4.12425	0.321399
2	-0.74777	0.0843488	0.005108	-0.02279
3	-0.21825	-0.4305	0.140861	-0.01024
4	-0.07104	0.065804	-0.01483	0.000959

Таблица 2.1
i=0
j\k	0	1	2	3
0	1079.216	-17.9896	201.6448	-183.505
1	-592.381	75.21508	-374.541	270.9099
2	160.2073	-40.8509	169.4337	-112.829
3	-20.3306	7.094295	-27.6798	17.78186
4	0.959417	-0.39639	1.502136	-0.9468
Таблица 2.2
i=1
j\k	0	1	2	3
0	-56.2661	34.14493	-9.15877	93.39421
1	69.23701	-11.9084	76.52076	-144.83
2	-26.5193	2.883473	-43.6547	61.39886
3	4.024084	-0.29839	7.735022	-9.75065
4	-0.21063	0.011114	-0.43656	0.521278
Таблица 2.3
i=2
j\k	0	1	2	3
0	-54.3298	14.62255	-26.2225	-16.648
1	33.51846	-24.1564	20.11166	27.63335
2	-8.34039	9.828995	-4.80092	-11.9982
3	0.936433	-1.55166	0.497423	1.925052
4	-0.03897	0.082983	-0.01895	-0.10348
Таблица 2.4
i=3
j\k	0	1	2	3
0	10.29806	-5.5645	6.019417	1.152676
1	-7.71141	6.72535	-6.2947	-2.17371
2	2.223443	-2.54638	2.131181	0.981957
3	-0.28034	0.386343	-0.30037	-0.16018
4	0.012849	-0.02017	0.014946	0.008687
Таблица 2.5
i=4
j\k	0	1	2	3
0	-0.5452	0.415557	-0.37499	-0.02109
1	0.443359	-0.46371	0.416637	0.056132
2	-0.13474	0.170462	-0.14844	-0.02745
3	0.017567	-0.02537	0.021558	0.004618
4	-0.00082	0.001308	-0.00109	-0.00025
Таблица 3.1
i=0
j\k	0	1	2	3
0	187.4012	-40.6	7.362213	-0.57648
1	-23.0881	3.05849	-1.8425	0.278204
2	-1.64886	2.381897	0.10721	-0.08399
3	0.620981	-0.49404	-0.00392	0.015114
4	-0.03843	0.027026	0.001042	-0.00104
Таблица 3.2
i=1
j\k	0	1	2	3
0	110.96	-47.2635	1.735466	0.693974
1	-89.6814	54.15614	-5.84928	-0.28229
2	30.33641	-21.0915	2.979864	0.013332
3	-4.3922	3.250789	-0.50103	0.002666
4	0.22451	-0.1711	0.026756	-9.3E-05
Таблица 3.3
i=2
j\k	0	1	2	3
0	-56.4126	37.0296	-4.93979	-0.02378
1	67.92307	-51.2769	9.897552	-0.48072
2	-25.4961	20.86185	-4.57034	0.283612
3	3.792423	-3.25274	0.752372	-0.05022
4	-0.1949	0.171971	-0.04071	0.002771
Таблица 3.4
i=3
j\k	0	1	2	3
0	17.87522	-13.531	2.927185	-0.18874
1	-18.8626	16.89128	-4.31989	0.342311
2	6.700238	-6.54968	1.802314	-0.15296
3	-0.96921	0.995813	-0.28411	0.024806
4	0.049005	-0.0519	0.015081	-0.00133
Таблица 3.5
i=4
j\k	0	1	2	3
0	-1.27378	1.203305	-0.32013	0.026458
1	1.264139	-1.40686	0.420682	-0.03837
2	-0.43727	0.53015	-0.16751	0.015907
3	0.062403	-0.07944	0.025828	-0.0025
4	-0.00313	0.004105	-0.00136	0.000132

Таблица 4.1
i=0
j\k	0	1	2	3
0	376.066	301.2855	22.82773	-8.4368
1	-98.3989	-126.849	-67.9396	12.4729
2	12.5489	20.69519	29.68926	-4.87968
3	-0.7848	-1.41555	-4.65552	0.735071
4	0.018833	0.029756	0.244926	-0.03793
Таблица 4.2
i=1
j\k	0	1	2	3
0	-97.2802	-165.247	28.35681	1.469204
1	40.94853	126.9858	0.310807	-5.1895
2	-7.32215	-36.0485	-5.61507	2.518594
3	0.617478	4.474464	1.258673	-0.41986
4	-0.01958	-0.204223	-0.07705	0.022914
Таблица 4.3
i=2
j\k	0	1	2	3
0	13.99842	50.19691	-20.6044	1.070038
1	-8.59767	-49.2203	14.56165	-0.07214
2	1.941512	16.29838	-3.65613	-0.19593
3	-0.18623	-2.25178	0.100522	0.047226
4	0.006094	0.111202	-0.01653	-0.00295
Таблица 4.4
i=3
j\k	0	1	2	3
0	-1.03134	-7.41725	4.032219	-0.3191
1	0.82414	7.936576	-3.54589	0.213368
2	-0.19738	-2.79503	1.100053	-0.04868
3	0.016959	0.404339	-0.14635	0.004802
4	-0.00034	-0.02069	0.0071	-0.00018
Таблица 4.5
i=4
j\k	0	1	2	3
0	0.031975	0.396403	-0.24296	0.022345
1	-0.02929	-0.44162	0.232447	-0.01855
2	0.006169	0.16096	-0.0772	0.005483
3	-0.00024	-0.02395	0.010825	-0.00071
4	-2.1E-05	0.001254	-0.00055	3.43E-05

Claims

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.