RU2431114C2

RU2431114C2 - Procedure for measurement of coordinated constituents of shift of blade ends of turbomachine rotors

Info

Publication number: RU2431114C2
Application number: RU2009136315/28A
Authority: RU
Inventors: Лев Борисович Беленький (RU); Лев Борисович Беленький; 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; Виктория Владимировна Тулупова (RU); Виктория Владимировна Тулупова
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления сложными системами РАН
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-10-10
Also published as: RU2009136315A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: shifts of blade ends in radial and axial directions and also in direction of rotor rotation are separately determined by means of three high temperature single-turn vortex-current converters, The converters are distributed along a stator casing within the borders of three sections of its surface. One point is chosen in each of them in a range of sensitivity of each converter. The first and second point are distant one from another at one and a half angular pitch of blade mounting on a controlled wheel of the rotor, while the second and third point are distant at one angular pitch in the direction of rotor rotation. Conversion of inductness of sensitive elements into voltage and fixation of corresponding codes is performed in two stages with duration of one turn of rotor for each. During the first stage the first and second sensitive elements perform functions of working and compensating elements alternately with arrival of each pulse of synchronised sequence. During the second stage through the whole turn the third sensitive element is the working one, while the first one is the compensating one.

EFFECT: increased performance due to reduced time for information gathering and upgraded accuracy due to decreased dynamic error related to possible instability of rotation period of rotor for decreased time of information gathering.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток ротора относительно статора турбомашины.The invention relates to the field of measuring technology and can be used to measure the coordinate components of the displacements of the ends of the rotor blades relative to the stator of the turbomachine.

Известен способ измерения радиальных смещений торцов лопаток ротора при одновременном измерении осевых смещений ротора турбомашины, при котором на статоре турбомашины устанавливают два вихретоковых преобразователя, смещенных друг относительно друга и возбуждаемых импульсами, синхронизируемыми с ее вращением, и по их сигналам оценивают координатные составляющие смещения торцов лопаток относительно указанных преобразователей в течение нескольких периодов вращения ротора турбомашины (патент РФ №2138012 «Способ измерения параметров движения лопаток ротора турбомашины», кл. G01B 7/14, 1999).A known method of measuring the radial displacements of the ends of the rotor blades while measuring the axial displacements of the rotor of the turbomachine, in which two eddy-current transducers are mounted on the stator of the turbomachine, offset from each other and excited by pulses synchronized with its rotation, and the coordinate components of the displacement of the ends of the blades relative to their signals are estimated these converters for several periods of rotation of the rotor of the turbomachine (RF patent No. 2138012 "Method for measuring the parameters of the engine izheniya blades of the rotor of a turbomachine ", CL G01B 7/14, 1999).

Недостатком этого способа является низкая информативность измерения из-за невозможности определения смещения торцов лопаток в направлении вращения ротора турбомашины, обусловленных изгибом пера лопатки.The disadvantage of this method is the low information content of the measurement due to the inability to determine the displacement of the ends of the blades in the direction of rotation of the rotor of the turbomachine, due to the bending of the feather blades.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения, при котором на статоре турбомашины устанавливают кластер из трех высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователей с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, распределенными по статорной оболочке и расположенными на трех участках ее поверхности, на каждом из которых выбирают по одной точке, названной «виртуальным» геометрическим центром, причем первая и вторая точки отстоят друг от друга на полтора угловых шага установки лопаток контролируемого колеса ротора, а вторая и третья - на один угловой шаг в направлении вращения ротора, два из трех преобразователей включают в дифференциальную измерительную цепь с меняющимся от оборота к обороту ротора составом преобразователей или их функциями в измерительной цепи, возбуждаемой в моменты прохождения замками лопаток выбранных точек последовательностью импульсов, синхронизируемой с вращением турбомашины, преобразуют индуктивность чувствительных элементов в напряжение и фиксируют соответствующие выходному напряжению измерительной цепи цифровые коды, а по ним определяют координатные составляющие смещений торцов лопаток путем решения системы из трех уравнений на основе семейств градуировочных характеристик преобразователей (Беленький Л.Б., Боровик С.Ю., Логвинов А.В., Райков Б.К., Скобелев О.П., Секисов Ю.Н., Тулупова В.В. Методы измерения смещений торцов лопаток в компрессорах и турбинах на основе распределенных кластеров датчиков. Часть 1. Обоснование предлагаемых методов и их описание. // Мехатроника, автоматизация, управление, 2009, №4, с.16-19; Беленький Л.Б., Боровик С.Ю., Райков Б.К., Скобелев О.П., Секисов Ю.Н., Тулупова В.В. Методы измерения смещений торцов лопаток в компрессорах и турбинах на основе распределенных кластеров датчиков. Часть 2. Реализуемость методов. // Мехатроника, автоматизация, управление, 2009, №5, с.21-30).The closest in technical essence to the present invention is a measurement method in which a cluster of three high-temperature single-turn eddy-current transducers with sensitive elements in the form of a conductor section distributed over the stator shell and located on three sections of its surface, on each of which is selected along one point called the "virtual" geometric center, with the first and second points spaced one and a half angular steps apart the installation of the blades of the rotor wheel being monitored, and the second and third by one angular step in the direction of rotation of the rotor, two of the three transducers are included in the differential measuring circuit with the composition of the transducers varying from rotor to rotor rotation or their functions in the measuring circuit, excited at the moments of passage through the locks the blades of the selected points by a pulse train synchronized with the rotation of the turbomachine, the inductance of the sensitive elements is converted to voltage and the corresponding the output voltage of the measuring circuit with digital codes, and they determine the coordinate components of the displacements of the ends of the blades by solving a system of three equations based on the families of calibration characteristics of the transducers (Belenky L.B., Borovik S.Yu., Logvinov A.V., Raikov B. K., Skobelev O.P., Sekisov Yu.N., Tulupova V.V. Methods for measuring the displacement of the ends of the blades in compressors and turbines based on distributed clusters of sensors. Part 1. Justification of the proposed methods and their description. // Mechatronics, automation, control, 2009, No. 4, p.16-19; Belenky L.B., Borovik S.Yu., Raikov B.K., Skobelev O.P., Sekisov Yu.N., Tulupova V.V. Methods for measuring the displacement of the ends of the blades in compressors and turbines based on distributed clusters of sensors. Part 2. Realizability of methods. // Mechatronics, automation, control, 2009, No. 5, p.21-30).

Недостатком способа является низкое быстродействие, связанное с тем, что сбор данных, необходимых для определения смещений торцов лопаток ротора, происходит в три этапа, каждый из которых занимает один оборот ротора. Кроме того, возможная в продолжении трех оборотов ротора нестабильность ранее найденного периода его вращения, которым определяется периодичность и моменты возбуждения измерительной цепи, приводит к дополнительной динамической погрешности измерения смещений торцов лопаток ротора.The disadvantage of this method is the low speed associated with the fact that the collection of data necessary to determine the displacements of the ends of the rotor blades occurs in three stages, each of which takes one revolution of the rotor. In addition, the instability of the previously found period of its rotation, which determines the frequency and moments of excitation of the measuring circuit, which is possible in the continuation of three rotations of the rotor, leads to an additional dynamic error in measuring the displacements of the ends of the rotor blades.

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности.The purpose of the invention is improving speed and accuracy.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, при котором во взаимодействие с торцами лопаток работающей турбомашины вводят кластер из трех высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователей с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, распределенными по статорной оболочке и расположенными на трех участках ее поверхности, на каждом из которых выбирают по одной точке, причем первая и вторая точки отстоят друг от друга на полтора угловых шага установки лопаток контролируемого колеса ротора, а вторая и третья - на один угловой шаг в направлении вращения ротора, два из трех преобразователей включают в дифференциальную измерительную цепь с меняющимся от оборота к обороту ротора составом преобразователей измерительной цепи, возбуждаемой в моменты прохождения замками лопаток выбранных точек последовательностью импульсов, синхронизируемой с вращением турбомашины, преобразуют индуктивность чувствительных элементов в напряжение и фиксируют соответствующие выходному напряжению измерительной цепи цифровые коды, а по ним определяют координатные составляющие смещений торцов лопаток путем решения системы из трех уравнений на основе семейств градуировочных характеристик преобразователей, согласно изобретению преобразования индуктивностей чувствительных элементов в цифровые коды выполняют в два этапа, длительностью каждого в один оборот ротора; частоту импульсов синхронизируемой последовательности увеличивают вдвое, на первом этапе функции рабочего и компенсационного первый и второй преобразователи выполняют, чередуясь с приходом каждого импульса синхронизируемой последовательности, на втором этапе на протяжении всего оборота функцию рабочего и компенсационного преобразователей выполняют третий и первый преобразователи соответственно.This goal is achieved by the fact that in the known method, in which a cluster of three high-temperature single-turn eddy-current transducers with sensitive elements in the form of a section of a conductor distributed over the stator sheath and located on three sections of its surface on each of which are selected at one point, and the first and second points are spaced one and a half angular steps of installing the blades of the rotor wheel being controlled, and the second and the third - by one angular step in the direction of rotation of the rotor, two of the three transducers are included in the differential measuring circuit with the composition of the transducers of the measuring circuit, which is excited from the moment the locks of the blades of the selected points pass by the pulse train synchronized with the rotation of the turbomachine, change the inductance sensitive elements in the voltage and fix the digital codes corresponding to the output voltage of the measuring circuit, and they determine the coor inatnye components blade ends displacements by solving a system of three equations based on families of calibration characteristics converters according to the invention conversion inductance sensing elements into digital codes operate in two phases, the duration of each one revolution of the rotor; the pulse frequency of the synchronized sequence is doubled, at the first stage the functions of the working and compensation first and second converters are performed, alternating with the arrival of each pulse of the synchronized sequence, at the second stage throughout the revolution the functions of the working and compensation converters are performed by the third and first converters, respectively.

На фиг.1 представлены схематическое изображение рабочего колеса турбомашины 1, взаимное расположение точек 0₁, 0₂ и 0₃, при прохождении которых замками лопаток производят преобразования индуктивностей чувствительных элементов в напряжение и фиксацию результирующих кодов, и систем отсчета (показаны оси координат Y и Z, оси Х направлены перпендикулярно плоскости чертежа) с началами отсчета, совпадающими с точками 0₁, 0₂ и 0₃. Угловые расстояния между точками 0₁ и 0₂ составляют полтора угловых шага (Δψ) установки лопаток на колесе ротора 2, а между точками 0₂ и 0₃ - один шаг. Здесь же представлены статор 3, датчик синхронизации 4 и метка 5 на валу ротора 6.Figure 1 shows a schematic representation of the impeller of a turbomachine 1, the relative positions of the points 0 ₁ , 0 ₂ and 0 ₃ , during the passage of which the padlocks of the blades transform the inductances of the sensitive elements into voltage and fix the resultant codes, and reference systems (coordinate axes Y and Z, X-axis are directed perpendicular to the plane of the drawing) with reference points coinciding with points 0 ₁ , 0 ₂ and 0 ₃ . The angular distances between points 0 ₁ and 0 ₂ are one and a half angular steps (Δψ) of the installation of the blades on the rotor wheel 2, and between points 0 ₂ and 0 ₃ - one step. Here, the stator 3, the synchronization sensor 4 and the mark 5 on the rotor shaft 6 are presented.

На фиг.2 представлена схема, поясняющая (на примере трех лопаток для моментов времени, в которые происходит преобразование) расположение чувствительных элементов (ЧЭ) распределенного кластера, сформированные пары рабочих (Р) и компенсационных (К) ЧЭ на этапе 1 сбора данных: пара ЧЭ₁-Р и ЧЭ₂-К (фиг.2, а) при контроле 1-й лопатки, пара ЧЭ₂-Р - ЧЭ₁-К (фиг.2, б) при контроле n-й лопатки, пара ЧЭ₁-Р - ЧЭ₂-К (фиг.2, в) при контроле 2-й лопатки, а также точки 0₁, 0₂ и 0₃ и системы отсчета на различных этапах преобразования (показаны оси Х, Z, оси Y направлены перпендикулярно плоскости чертежа).Figure 2 is a diagram explaining (using three blades as an example for the times at which the conversion takes place) the location of the sensitive elements (SE) of a distributed cluster, the formed pairs of working (P) and compensation (K) SE in stage 1 of data collection: steam ChE ₁ -P and ChE ₂ -K (Fig. 2, a) when controlling the 1st scapula, a pair of ChE ₂ -P - ChE ₁ -K (Fig. 2, b) when controlling the nth scapula, steam ChE ₁ -P - SE ₂ -K (2, c) at the control of the 2nd blade, and the point 0 _1, 0 ₂ and 0 ₃ and reference systems at various stages of transformation (X axis displays, Z, Y axes are directed perpendi ulyarno plane of the drawing).

На фиг.3 представлена схема, поясняющая (на примере трех лопаток для моментов времени, в которые происходит преобразование) расположение чувствительных элементов (ЧЭ) распределенного кластера, сформированные пары рабочих (Р) и компенсационных (К) ЧЭ на этапе 2 сбора данных.Figure 3 presents a diagram explaining (using three blades as an example for the times at which the conversion takes place) the arrangement of the sensitive elements (SE) of a distributed cluster, the formed pairs of working (P) and compensation (K) SE in stage 2 of data collection.

На фиг.4 представлены временные диаграммы, на которых показаны импульсы возбуждения измерительной цепи с периодом

, где Тр - период вращения ротора, а n - число лопаток ступени, М - импульсы синхронизации, поступающие от стандартного датчика частоты вращения (эпюра 1), моменты прохождения замками лопаток точек в зонах чувствительности первого, второго и третьего чувствительных элементов преобразователей распределенного кластера, в которых происходит преобразование их индуктивностей (эпюры 2, 3 и 4), и моменты фиксации результирующих кодов С_j-i, используемых для вычисления координатных составляющих смещения i-й лопатки после того, как с ней взаимодействовали в качестве рабочего каждый из j=1, 2, 3 одновитковых вихретоковых преобразователей, (эпюра 5), а также функции преобразователей в дифференциальной измерительной цепи при взаимодействии с лопатками - рабочего (Р) и компенсационного (К) ЧЭ.Figure 4 presents the timing diagrams showing the excitation pulses of the measuring circuit with a period

where Tp is the period of rotation of the rotor, and n is the number of stage blades, M are the synchronization pulses from a standard speed sensor (diagram 1), the moments of passage of locks of the blades of points in the sensitivity zones of the first, second and third sensitive elements of the converters of the distributed cluster, in which there is a transformation of the inductances (diagrams 2, 3 and 4), and fixation moments result codes C _ji, used to calculate the coordinate components of the i-th displacement blade after it, cooperating and as a working each j = 1, 2, 3 eddy current probes of single-turn (curve 5) and transducers function in differential measuring circuit interacting with vanes - working (F) and compensating (R) SE.

Измерение искомых координат смещения торцов лопаток ротора турбомашины предлагаемым способом осуществляется следующим образом. Получению информации с распределенного кластера одновитковых вихретоковых преобразователей предшествует этап измерения периода вращения ротора турбомашины (T_р). С этой целью используют датчик частоты вращения промышленного изготовления и метку на валу ротора.The measurement of the desired coordinates of the displacement of the ends of the blades of the rotor of the turbomachine of the proposed method is as follows. Obtaining information from a distributed cluster of single-turn eddy-current transducers is preceded by a step of measuring the rotation period of the turbomachine rotor (T _p ). For this purpose, an industrial speed sensor and a mark on the rotor shaft are used.

Найденные значения периода вращения Т_р используют для вычисления моментов прохождения замками лопаток точек 0₁, 0₂ и 0₃ в зонах действия электромагнитных полей рабочих чувствительных элементов распределенного кластера, а также для определения периода тактовых импульсов Т₀.The found values of the rotation period T _p are used to calculate the moments of passage of the locks of the blades of points 0 ₁ , 0 ₂ and 0 ₃ in the zones of electromagnetic fields of the working sensitive elements of the distributed cluster, as well as to determine the period of clock pulses T ₀ .

Согласно предлагаемому способу на первом этапе сбора данных длительностью в один оборот ротора измерительную цепь образует пара преобразователей с ЧЭ₁ и ЧЭ₂ (фиг.4, эпюры 2 и 3). Импульсы возбуждения с периодом Т₀ подаются в измерительную цепь всякий раз, когда замок каждой лопатки проходит мимо одного из ЧЭ. В это время другой ЧЭ удален от смежных лопаток, которые находятся вне зоны его чувствительности, и функционирует в качестве компенсационного. Таким образом, смена функции прреобразователя в измерительной цепи с рабочей на компенсационную происходит по приходу каждого импульса. Указанные импульсы запускают процесс преобразования индуктивностей преобразователей в напряжение и далее в формирующиеся за оборот цифровые коды C_1-1, С_2-n, С_1-2, C_2-1, C_1-3, .., C_2-(n-1) (фиг.4, эпюра 5).According to the proposed method, at the first stage of data collection with a duration of one revolution of the rotor, the measuring circuit is formed by a pair of transducers with CE ₁ and CE ₂ (Fig. 4, diagrams 2 and 3). Excitation pulses with a period T ₀ are supplied to the measuring circuit whenever the lock of each blade passes by one of the SEs. At this time, another SE is removed from adjacent blades, which are outside the zone of its sensitivity, and functions as a compensation. Thus, the change in the function of the converter in the measuring circuit from the working to the compensation occurs upon the arrival of each pulse. These pulses start the process of converting the inductances of the converters into voltage and then into digital codes C _1-1 , C _2-n , C _1-2 , C _2-1 , C _1-3 , .., C _{2- (n -1)} (Fig. 4, plot 5).

На втором этапе сбора данных также длительностью в один оборот ротора функционирует другая пара ЧЭ (фиг.4, эпюры 2 и 4), причем компенсационные функции в этой паре на протяжении всего оборота выполняет ЧЭ₁ (ЧЭ₁-К), а рабочим становится ЧЭ₃ (ЧЭ₃-Р). Преобразования завершают формированием кодов С_3-(n-1), С_3-n, С_3-1,…, С_3-(n-2) (фиг.4, эпюра 5).At the second stage of data collection, another UE pair also functions with a duration of one revolution of the rotor (Fig. 4, diagrams 2 and 4), and the compensation functions in this pair are performed by UE ₁ (SE ₁ -K), and the SE becomes a worker ₃ (SE ₃ -P). The conversion is completed by the formation of codes C _{3- (n-1)} , C _3-n , C _3-1 , ..., C _{3- (n-2)} (Fig. 4, diagram 5).

Таким образом, длительность получения информации о координатах смещения составляет два периода вращения ротора (2Т_р).Thus, the duration of obtaining information about the coordinates of the displacement is two periods of rotation of the rotor (2T _p ).

По завершении формирования триады кодов по каждой лопатке осуществляется вычисление координатных составляющих.Upon completion of the triad of codes for each blade, the coordinate components are calculated.

Значения координат смещений в радиальном (Y), осевом (X) направлениях и в направлении вращения (Z) для i-й лопатки находятся путем решения системы из трех уравнений, полученных на основе снятых экспериментально семейств градуировочных характеристик измерительных каналов, связывающих коды аналого-цифрового преобразования и координаты смещений. При подстановке конкретных значений кодов, полученных в моменты прохождения замком i-й лопатки точек преобразования индуктивностей ЧЭ и фиксации кодов 0₁, 0₂ и 0₃ (C_1-i, C_2-i, С_3-i), и благодаря квазистатическому характеру изменения смещений торцов лопаток во времени, система уравнений для i-й лопатки принимает вид:The values of the coordinates of the displacements in the radial (Y), axial (X) directions and in the direction of rotation (Z) for the i-th blade are found by solving a system of three equations obtained on the basis of experimentally recorded families of calibration characteristics of the measuring channels that connect analog-digital codes transformations and coordinates of displacements. When substituting specific values of codes obtained at the moments when the lock of the i-th blade passes the points of conversion of inductances of the SE and fixing the codes 0 ₁ , 0 ₂ and 0 ₃ (C _1-i , C _2-i , C _3-i ), and due to the quasistatic the nature of changes in the displacements of the ends of the blades in time, the system of equations for the i-th blade takes the form:

и решается относительно координат ее смещения X, Y, Z.and is decided on the coordinates of its displacement X, Y, Z.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет получить информацию о координатах смещений торцов лопаток, затратив на ее сбор время, соответствующее продолжительности двух, а не трех оборотов ротора. Сокращение длительности сбора информации с трех до двух оборотов ротора ведет также к повышению точности за счет снижения динамической погрешности от возможной нестабильности периода вращения ротора за уменьшившееся время сбора информации.Thus, in comparison with the prototype, the proposed method allows to obtain information about the coordinates of the displacements of the ends of the blades, spending on its collection time corresponding to the duration of two rather than three rotations of the rotor. Reducing the duration of information collection from three to two rotor revolutions also leads to increased accuracy by reducing the dynamic error from the possible instability of the rotor rotation period for a reduced information collection time.

Claims

A method for measuring the coordinate components of the displacements of the ends of the blades of a rotor of a turbomachine, in which a cluster of three high-temperature single-turn eddy-current transducers with sensitive elements in the form of a conductor segment distributed over the stator sheath and located on three sections of its surface on each of which are selected at one point, and the first and second points are spaced one and a half angular steps of installing control blades rotor wheel, and the second and third by one angular step in the direction of rotation of the rotor, two of the three transducers are included in the differential measuring circuit with the composition of the transducers in the measuring circuit, which is excited from the moment of passage of the locks of the blades of the selected points by the pulse train, changing from turn to turn of the rotor , synchronized with the rotation of the turbomachine, convert the inductance of the sensing elements into voltage and fix the digits corresponding to the output voltage of the measuring circuit stems codes and them determine the coordinate components of the ends of the blades displacements by solving a system of three equations based on families of characteristics of calibration transmitters, characterized in that the conversion inductance sensing elements into digital codes is performed in two stages the duration of each one revolution of the rotor; the pulse frequency of the synchronized sequence is doubled, at the first stage the functions of the working and compensation first and second converters are performed, alternating with the arrival of each pulse of the synchronized sequence, at the second stage throughout the revolution the functions of the working and compensation converters are performed by the third and first converters, respectively.