СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭРОЗИОННОГО ИЗНОСА КРОМОК РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения величины износа передних кромок рабочих лопаток паровых турбин во время профилактических осмотров и ремонтов, при вращении турбины от валоповоротного устройства (ВПУ).

Известны способ измерения хорды профиля лопатки компрессора турбодвигателя и устройство для его реализации [1] предназначенные для проведения замеров на неподвижной турбомашине и предусматривающие механическое зацепление с лопаткой. Устройство работает следующим образом. Через технологический люк на уровень измеряемой хорды вводят штангу с концевой линейкой. Линейка имеет два опорных выступа. Штанга перемещается по прямой, параллельной измеряемой хорде, и позволяет измерить величину смещения от положения, в котором один из опорных выступов соприкасается с ребром лопатки, до положения, при котором другой опорный выступ соприкасается с другим ребром лопатки. Величиной измеряемой хорды является разность между предварительно измеренным расстоянием между опорными выступами и измеренным смещением. Устройство имеет микрометр для измерения величины смещения и узлы крепления к корпусу турбодвигателя в зоне люка.

Точность измерения хорды лопаток, не подверженных эрозионным разрушениям, может достигать сотых долей миллиметра. Однако при наличии на поверхности лопатки эрозионного рельефа метод позволяет измерять только максимальные размеры хорды в выбранном сечении, а при необходимости оценить рельеф изношенной кромки значительно возрастают затраты времени на установку штанги на новую глубину. Кроме того, устройство не позволяет проводить измерения при вращении вала от ВПУ, что делает его неприменимым для экспресс-диагностики.

Известны способ и устройство для слежения за вращающимися лопастями [2] позволяющие определить угол наклона хорды лопасти относительно плоскости вращения. Устройство содержит источник излучения, детектор, состоящий по крайней мере из двух чувствительных элементов, имеющих смещенные в пространстве поля зрения для обнаружения прохождения входной и выходной кромок лопасти, устройство для измерения временных интервалов между событиями, связанными с прохождением кромок через оба поля зрения, и вычислительное устройство для определения величины угла наклона хорды лопасти на основе измеренных интервалов времени. В качестве источника излучения может быть использован естественный свет, радиоактивное излучение или лампа, лазер, инфракрасный излучающий диод. В качестве чувствительного элемента детектора может быть использован фотодиод, инфракрасный приемный диод и т.п. Способ измерения угла наклона хорды лопасти относительно плоскости вращения состоит в измерении времени между прохождениями кромок лопатки в полях зрения по крайней мере двух чувствительных элементов и вычислении угла наклона хорды лопасти. Наряду с указанным углом наклона хорды лопасти устройство и способ позволяют рассчитать размер и скорость движения лопасти, возвышение ее кромки.

Недостатком способа и устройства при его использовании для измерения эрозионного износа кромок рабочих лопаток турбин является наличие больших погрешностей измерения, обусловленных погрешностями установки детектора относительно лопаток, температурными деформациями, допусками и посадками венца лопаток и корпуса турбины при ремонтах. Кроме того, в условиях значительных температурных перепадов и больших временных интервалов (до 6 месяцев) между предыдущим и последующим замерами может происходить неодинаковое старение двух чувствительных элементов, Это приводит к различным пространственным положениям момента срабатывания устройства измерения временных интервалов и к появлению дополнительной случайной погрешности.

При наблюдении лопатки с двух значительно разнесенных ракурсов на результат оказывает влияние кривизна кромок. Учесть это при наличии эрозионного износа на кромках практически невозможно.

Важным условием обеспечения работоспособности способа [2] является расположение линии визирования нормально к вектору мгновенной скорости лопатки, а оптических осей чувствительных элементов детектора симметрично относительно линии визирования в той же плоскости, в которой лежат линия визирования и вектор скорости. При высокой плотности расположения лопаток на валу, характерной для турбин, это условие обеспечить невозможно, в связи с чем способ и устройство [2] нельзя применить для измерения эрозионного износа кромок рабочих лопаток.

Наиболее близкими к изобретению являются устройство для измерения эрозионного износа рабочих лопаток паровых турбин [3] и способ, реализуемый этим устройством.

Сущность способа и устройства-прототипа поясняется фиг. 6.

Устройство содержит штангу с эндоскопом 1, в приемной части которого установлены объектив 2 и импульсный источник света 3 с узлом формирования световой или теневой полос. На выходной части эндоскопа установлен фоторегистратор 4 с механизмом прерывистой протяжки пленки. Штанга с эндоскопом закреплена в измерителе глубины погружения (координатнике) 5, установленном на корпусе турбины. Измеритель глубины погружения 5 позволяет устанавливать штангу с эндоскопом 1 на заданную глубину во внутрь корпуса турбины. В проточной части турбины установлен датчик 6 системы синхронизации. Измерение эрозионного износа входных кромок лопаток производят при вращении турбины от валоповоротного устройства при отсутствии в турбине рабочего тела (пара). Штангу с эндоскопом 1 вводят в проточную часть турбины между направляющими 7 и рабочими 8 лопатками. Глубину погружения эндоскопа в корпус турбины устанавливают таким образом, чтобы его приемная часть располагалась в подлежащей исследованию зоне входных кромок рабочих лопаток. В момент прохождения исследуемой лопатки около датчика синхронизации 6 формируется импульс, который с помощью электронной схемы (не показана) включает импульсный источник света 3. Импульсный источник 3 формирует на поверхности входной кромки лопатки 8 зону засветки 9 с четко очерченными границами. Эти границы являются отсчетной базой для определения количественных характеристик износа. Для надежной регистрации величины износа кромки лопатки поле зрения 10 объектива 2 устанавливают больше чем зона 9. Величину износа входных кромок за время работы турбины между измерениями оценивают как разность размеров освещенной части лопатки при предыдущем 11 и последующем 12 измерениях.

Из описания работы устройства-прототипа очевиден способ-прототип периодического контроля эрозионного износа кромок лопаток, заключающийся в установке штанги с источником и приемником излучений, включении источника излучения в момент прохождения лопатки в поле зрения приемника излучения и регистрации изображения кромки лопатки в поле данного излучения, снятии штанги с источником и приемником излучения, обработке полученного изображения.

Недостатками способа и устройства, его реализующего, являются большое время измерения, обусловленное наличием медленных фотохимических процессов при обработке пленки, и погрешности измерения величины износа по фотографическим изображениям лопаток. Последние связаны с неточной установкой эндоскопа относительно лопаток и со случайными изменениями момента включения импульсного источника излучения. Изменения момента включения импульсного источника между разнесенными во времени измерениями (на основе которых и оцениваются величины износа лопаток) обусловлены смещением венца рабочих лопаток вдоль оси вала относительно датчика 6 системы синхронизации. Эти смещения связаны с температурными изменениями, допусками и посадками венца лопаток и корпуса турбины при ремонтах и т.д. и составляют единицы сантиметров, что приводит к изменениям момента срабатывания датчика 6 и соответственно момента включения импульсного источника излучения в последующем измерении относительно его момента включения в предыдущем измерении. В результате происходит случайное смещение полей изображения на поверхности входной кромки лопатки и величина износа измеряется с погрешностью.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в сокращении времени и увеличении точности измерения за счет компенсации случайных отклонений во взаимной ориентации источника и приемника излучения относительно венца лопаток во время любых разнесенных во времени измерений.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство.

Устройство содержит приемник излучения 2, источник излучения 3, измеритель глубины погружения 5, первую поворотную штангу 14, вторую поворотную штангу 15, червячный механизм с преобразователем "угол-код" 16, измеритель временных интервалов 17, вычислительное устройство 18.

На фиг. 2 приведено изображение взаимного положения венца рабочих лопаток турбины, источника и приемника излучения, где
13 оптическая ось "источник излучения приемник излучения";
C_i линейный размер хорды i-й рабочей лопатки;
α_i угол наклона хорды i-й рабочей лопатки по отношению к плоскости вращения вала;
γ угол между осью вращения вала турбины и оптической осью 13.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы, где
T_i временной интервал от момента пересечения оптической оси 13 задней кромкой предыдущей лопатки до момента пересечения этой же оси задней кромкой i-й лопатки;
t_i временной интервал от момента пересечения оптической оси 13 входной кромкой i-й лопатки до момента пересечения оптической оси выходной кромкой этой же лопатки.

На фиг. 4 изображена геометрия рабочих лопаток в венце и расположение изнашиваемой и неизнашиваемой зон на кромке лопатки, где
β_i угол между задней кромкой предыдущей лопатки и задней кромкой i-й лопатки;
R₁ радиус сечения в изнашиваемой зоне;
R₂ радиус сечения в неизнашиваемой зоне.

На фиг. 5 изображена периодичность процесса измерения эрозионного износа рабочих лопаток при эксплуатации турбины в различных режимах.

Сущность способа заключается в том, что в способе измерения эрозионного износа кромок рабочих лопаток турбин, заключающемся в установке источника и приемника излучений, регистрации потока излучения, модулированного за счет его пересечения вращающимися лопатками, дополнительно осуществляются процедуры измерения временных интервалов по крайней мере в двух разнесенных по высоте лопатки изнашиваемой и неизнашиваемой зонах и вычисления поправок для корректирования результатов измерений, а процесс калибровки производится, кроме того, при двух или более преднамеренных известных отклонениях взаимной ориентации источника и приемника излучения от их оптической оси, при этом источник и приемник излучения расположены со стороны входной и выходной кромок лопаток.

Опыт эксплуатации паровых турбин показывает, что
угол β_i между задней кромкой предыдущей лопатки и задней кромкой i-й лопатки не изменяется в процессе работы, но различен для каждой пары лопаток,
угол α_i наклона хорды лопатки к плоскости вращения вала не обладает остаточной деформацией после снятия пара и постоянен при предыдущем и последующих измерениях, но индивидуален для каждой лопатки в каждом сечении,
в процессе работы происходит износ только передних (входных) кромок лопаток в периферийной изнашиваемой зоне, а износ входных кромок в зоне вблизи вала пренебрежимо мал.

Во время монтажа турбоагрегата при собранном венце лопаток известными техническими средствами измеряются угол β_i и исходные линейные размеры хорд лопаток в контролируемых сечениях изнашиваемой и неизнашиваемой зон. В то же время измерить углы α_i наклона хорд лопаток в этих же сечениях с заданной точностью при собранном венце практически невозможно.

После монтажа турбины, но до ввода ее в эксплуатацию и начала процесса износа, проводят процесс калибровки, заключающийся в следующем, Вал турбины вращают от валопроворотного устройства, источник и приемник излучений устанавливают со стороны входной и выходной кромок неизношенных лопаток. При этом оптическая ось 13 будет ориентирована под неизвестным углом к оси вала. Регистрируют поток излучения, модулированный за счет его пересечения вращающимися лопатками и для каждой i-й лопатки (i=1,N; N количество лопаток) измеряют временные интервалы:
T_11 i от момента пересечения оптической оси 13 задней кромкой предыдущей лопатки до момента пересечения этой же оси задней кромкой i-ой лопатки в изнашиваемом сечении при ориентации оптической оси под неизвестным углом γ₁;
τ_11i от момента пересечения оптической оси 13 входной кромкой лопатки до момента пересечения оптической оси 13 выходной кромкой этой же лопатки в изнашиваемом сечении при ориентации оптической оси 13 под неизвестным углом γ₁;
T_21i от момента пересечения оптической оси 13 задней кромкой предыдущей лопатки до момента пересечения этой же оси задней кромкой i-й лопатки в неизнашиваемом сечении при ориентации оптической оси под неизвестным углом γ₂;
τ_21i от момента пересечения оптической оси 13 входной кромкой лопатки до момента пересечения оптической оси 13 выходной кромкой этой же лопатки в неизнашиваемом сечении при ориентации оптической оси под неизвестным углом γ₂;
T_12i от момента пересечения оптической оси 13 задней кромкой предыдущей лопатки до момента пересечения этой же оси задней кромкой i-й лопатки в изнашиваемом сечении при ориентации оптической оси под углом (γ₁+Δγ), где Δγ известное приращение угла;
t_12i от момента пересечения оптической оси 13 входной кромкой лопатки до момента пересечения оптической оси 13 выходной кромкой этой же лопатки в изнашиваемом сечении при ориентации оптической оси под углом (γ₁+Δγ);
T_22i от момента пересечения оптической 13 задней кромкой предыдущей лопатки до момента пересечения этой же оси задней кромкой i-й лопатки в неизнашиваемом сечении при ориентации оптической оси под углом (γ₂+Δγ);
τ_22i от момента пересечения оптической оси 13 входной кромкой лопатки до момента пересечения оптической оси 13 выходной кромкой этой же лопатки в неизнашиваемом сечении при ориентации оптической оси под углом (γ₂+Δγ).

После этого вычисляют углы α_1i и α_2i по формуле

где

где C(k)1i

размер хорды i-й лопатки в изнашиваемом сечении до начала процесса износа;
C(k)2i размер хорды i-й лопатки в неизнашиваемом сечении до начала процесса износа;
вычисляют углы γ_1u и γ₂ по формуле
.

Выражения (1) и (2) определяют зависимость между углом ориентации оптической оси 13 в изнашиваемой и неизнашиваемой зонах лопатки и отношением временных интервалов
Благодаря тому, что углы преднамеренного отклонения оптической оси 13 Δγ не превосходят 5-10^o, угловое положение хорды a_i можно считать постоянным, не зависящим от конечной толщины и рельефа кромки лопатки.

На этом процесс калибровки завершают, источник излучения и приемник излучения извлекают из корпуса турбины и она выводится на рабочий режим.

В процессе эксплуатации турбины происходит эрозионный износ кромок рабочих лопаток. Для оценки степени эрозионного износа кромок лопаток проводят последующие измерения. После выводы турбины из рабочего режима и расхолаживании ее при вращении от валоповоротного устройства температура в зоне лопаток постепенно снижается до 50-60^o. При последующем измерении вал турбины вращают от валоповоротного устройства и через отверстия в корпусе турбины вводят источник и приемник излучения на такую глубину, чтобы рабочие лопатки размещались между ними в заданном сечении неизнашиваемой зоны, а движение лопаток в зазоре "источник излучения приемник излучения" приводило к модуляции потока излучения. При этом оптическая ось 13 будет ориентирована к оси вала под углом γ со случайным отклонением dg₂, обусловленным погрешностями установки источника и приемника излучений относительно венца лопаток, возникающими из-за температурных деформаций во время работы, допусков и посадок венца лопаток и корпуса турбины при ее ремонтах.

Для каждой i-й лопатки измеряют временные интервалы:
T_1i от момента пересечения оптической оси 13 задней кромкой предыдущей лопатки до момента пересечения этой же оси задней кромкой i-й лопатки в изнашиваемом сечении R₁;
τ_1i от момента пересечения оптической оси 13 входной кромкой лопатки до момента пересечения оптической оси 13 выходной кромкой этой же лопатки в изнашиваемом сечении R₁;
T_2i от момента пересечения оптической оси 13 задней кромкой предыдущей лопатки до момента пересечения этой же оси задней кромкой i-й лопатки в неизнашиваемом сечении R₂;
τ_2i от момента пересечения оптической оси 13 входной кромкой лопатки до момента пересечения оптической оси выходной кромкой этой же лопатки в неизнашиваемом сечении R₂;
при этом износ i-й лопатки вычисляют по формуле
ΔC₁ = C(k)i

- C_i (3)
где C_i размер хорды i-й лопатки в изнашиваемом сечении, который вычисляют по формуле

где

На этом заканчивается процесс измерения, источник излучения и приемник излучения извлекаются из корпуса турбины и она либо подвергается ремонту, либо вновь выводится на рабочий режим.

При реализации способа наиболее важным является отклонение линии визирования на угол Δγ, так как он в значительной мере определяет точность и повторяемость измерений, поэтому технической задачей, решаемой устройством, является обеспечение высокой точности задания этого угла.

Сущность устройства заключается в том, что в известное устройство, состоящее из источника и приемника излучения и устройства для их позиционирования относительно венца лопаток, включающего измеритель глубины погружения и погружную штангу, дополнительно введена вторая погружная штанга устройства позиционирования, при этом источник и приемник излучения закреплены на разных штангах, а сами штанги выполнены с возможностью их погружения по разные стороны венца лопаток и поворота относительно своей оси.

Заявляемое устройство (фиг. 1) содержит измеритель глубины погружения 5, источник излучения 3, приемник излучения 2, первую поворотную штангу 14, вторую поворотную штангу 15, причем первая 14 и вторая 15 штанги закреплены на измерителе глубины погружения 5 с возможностью поворота относительно своей оси, источник излучения 3 жестко закрепляется на первой штанге 14 на известном расстоянии от оси штанги, приемник излучения 2 жестко закрепляется на второй штанге 15 на известном расстоянии от оси штанги.

Устройство работает следующим образом.

При выполнении калибровки измеритель глубины погружения 5 вместе с поворотными штангами 14 и 15 монтируются на корпусе агрегата так, что источник 3 и приемник 2 излучения погружаются в тело турбины на глубину, соответствующую заданному радиусу. Возможность поворота штанг на заданный угол может быть обеспечена, например, червячным механизмом 16 со считыванием значений угла преобразователем "угол-код", вал которого жестко связан с осью штанги, а корпус преобразователя жестко крепится к измерителю глубины погружения 5. Угловое положение оптической оси 13 "источник излучения 3 - приемник излучения 2" изменяется на малый угол (3-10^o) одним из следующих способов:
1. Изменяя угловое положение источника излучения 3 при помощи поворота первой штанги 14 на угол q₁ при постоянном угловом положении приемника излучения 2.

2. Изменяя угловое положение приемника излучения 2 при помощи поворота второй штанги 15 на угол θ₂ при постоянном угловом положении источника излучения 3.

3. Изменяя угловое положение источника излучения 3 при помощи поворота первой штанги 14 на угол θ₁ и угловое положение приемника излучения 2 при помощи второй штанги 15 на угол θ₂ одновременно.

Значение Δγ вычисляют по формуле

где r₁ радиус дуги окружности, по которой перемещается оптический центр источника излучения 3;
r₂ радиус дуги окружности, по которой перемещается оптический центр приемника излучения 2;
D расстояние между центрами указанных окружностей.

Точность определения угла Δγ при заданных погрешностях устройств углового позиционирования определяется по формуле
,
где σ2Δγ

дисперсия оценки угла сдвига оптической оси 13;
дисперсия измерения угла поворота первой штанги;
дисперсия измерения угла поворота второй штанги;
Реально D > r₁ и r₂, смещение оптической оси "источник излучения приемник излучения" задается, таким образом, с более высокой точностью, чем точность поворота соответствующей штанги.

Источник и приемник излучения могут работать в любом диапазоне от ионизирующего излучения до субмиллиметровых волн. Выбор диапазона определяется условиями конкретного применения способа и устройства. Источник может создавать как непрерывное, так и модулированное излучения (для повышения помехоустойчивости).

При подключении выхода приемника излучения к входу измерителя временных интервалов 17 и вводе показаний измерителя глубины погружения 5, первой поворотной штанги 14 и второй поворотной штанги 15 в вычислительное устройство 18 может быть реализован заявляемый способ измерения эрозионного износа лопаток.

Техническое преимущество заявляемых способа и устройства перед аналогичными наиболее прогрессивными в настоящее время техническими решениями состоит в увеличении точности и сокращении времени на измерения характеристик износа входных кромок лопаток турбин.

Сущность изобретения: измерения производят во время профилактических осмотров или ремонта при вращении турбины от валоповоротного устройства, при этом с помощью оптической пары - излучателя и приемника, установленных по разные стороны венца лопаток, регистрируют для каждой из лопаток временные интервалы от момента пересечения оптической оси входной кромкой лопатки до момента пересечения выходной кромкой этой же лопаткой и от момента пересечения оптической оси выходной кромкой предыдущей лопатки до момента ее пересечения выходной кромкой текущей лопатки. Измерения проводят в изнашиваемой и в неизнашиваемой зонах лопаток, устанавливая излучатель и приемник на заданной глубине. Предварительно на неизношенных лопатках определяют для обеих зон и для каждой лопатки зависимости отношения указанных временных интервалов от угла между оптической осью и осью вращения лопатки, при этом указанные зависимости определяют по крайней мере при двух положениях оптической оси с известными отклонениями между ними. При измерении износа на основании отношения временных интервалов в неизнашиваемой зоне и зависимости между углом ориентации оптической оси и отношением временных интервалов, полученной при калибровке, определяют отклонение угла ориентации оптической оси при текущем измерении от ее ориентации при калибровке, а величину износа определяют по значению отношений временных интервалов в изнашиваемой зоне с учетом упомянутого углового отклонения и полученной при калибровке зависимости между углом ориентации оптической оси и отношением временных интервалов в изнашиваемой зоне. Для того, чтобы обеспечить заданное изменение угловой ориентации оптической оси, излучатель и приемник устанавливают на поворотных погружных штангах. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения эрозионного износа кромок рабочих лопаток турбины, заключающийся в установке источника и приемника излучения, регистрации потока излучения, модулированного за счет его пересечения вращающимися лопатками, и определении параметра, по которому судят о величине измеряемого эрозионного износа, отличающийся тем, что источник и приемник излучения располагают со стороны входной и выходной кромок лопаток соответственно, для каждой лопатки в ее изнашиваемой и неизнашиваемой зонах определяют временной интервал от момента пересечения оптической оси источник приемник входной кромкой лопатки до момента пересечения упомянутой оси выходной кромкой этой же лопатки и временной интервал от момента пересечения оптической оси источник приемник выходной кромкой предыдущей лопатки до момента ее пересечения выходной кромкой текущей лопатки, на основании отношения измеренных временных интервалов в неизнашиваемой зоне и зависимости между углом ориентации оптической оси источник приемник и отношением указанных временных интервалов для неизнашиваемой зоны, полученной при калибровке, определяют отклонения угла ориентации оптической оси источник приемник при текущем измерении от ее ориентации при калибровке, а величину износа определяют по значению отношений упомянутых временных интервалов в изнашиваемой зоне с учетом упомянутого отклонения и полученной при калибровке зависимости между углом ориентации оптической оси источник приемник и отношением указанных временных интервалов в изнашиваемой зоне, при этом калибровку осуществляют до начала процесса износа лопаток путем установки источника и приемника излучения упомянутым образом по отношению к лопаткам, определения упомянутых временных интервалов в изнашиваемой и неизнашиваемой зонах по крайней мере при двух положениях оптической оси источник приемник с известными угловыми отклонениями между ними и определении на основании указанных временных интервалов и угловых отклонений зависимостей между углом ориентации оптической оси источник - приемник и отношением указанных временных интервалов в изнашиваемой и неизнашиваемой зонах лопаток. 2. Устройство измерения эрозионного износа кромок рабочих лопаток турбины, состоящее из источника и приемника излучения и устройства для их позиционирования относительно венца лопаток, включающее измеритель глубины погружения и погружную штангу, отличающееся тем, что устройство позиционирования содержит вторую погружную штангу, при этом источник и приемник излучения закреплены на разных штангах, а сами штанги выполнены с возможностью их погружения по разные стороны венца лопаток и поворота относительно своей оси.