УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ЛОПАТОК РОТОРА ТУРБИНЫ Российский патент 1999 года по МПК G01M13/00 

Изобретение относится к измерительной технике, технике контроля и регулирования, в частности к устройствам, осуществляющим контроль рабочего режима турбин компрессора, энергетических и двигательных установок. Область применения - транспорт, космические летательные аппараты, промышленные энергетические установки, в том числе атомные.

Известно устройство для обнаружения трещин в рабочих лопатках турбомашин, основанное на преобразовании перемещений концов лопатки в электрические сигналы (см. авторское свидетельство СССР N 1101706 от 08.02.83, G 01 M 15/00, БИ "Открытия. Изобретения" N 25, 1984). Устройство содержит датчики перемещения концов лопатки, подключенные к усилителю импульсов, и блок индикации. Устройство отличается тем, что оно дополнительно содержит последовательно соединенные с усилителем импульсов запоминающие блоки и усилители-ограничители, логический элемент совпадения, входы которого подключены к выходам усилителей-ограничителей, блоки вычисления разности сигналов и сброса запоминающих блоков, входы которых подключены к выходу элемента совпадения, причем выход блока вычисления разности сигналов подключен к входу блока индикации, а выход блока сброса запоминающих блоков - к управляющим входам последних. Устройство повышает надежность путем более раннего обнаружения трещин.

Данное устройство принято за прототип. Общими признаками прототипа и изобретения являются датчики, расположенные снаружи корпуса турбины и регистрирующий блок. Недостатком прототипа является невозможность регистрации начала разрушения лопатки, образование трещины и некоторых других дефектов, так как регистрирующая аппаратура не анализирует изменение формы и амплитуды сигнала при начале разрушения. Это, в свою очередь, уменьшает быстродействие системы контроля, и в конечном итоге - надежность этого устройства.

Задачей изобретения является повышение надежности контроля и его быстродействия.

Технический результат, который достигается при использовании изобретения, состоит в том, что быстродействие контроля состояния лопаток ротора повышается по сравнению с прототипом, так как использованы индукционные датчики с постоянным магнитом. Кроме того, увеличивается разрешающаяся способность устройства, что обусловлено тем, что для выявления дефектов используется разностная схема усиления сигнала с датчиков.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит два одинаковых датчика с постоянными магнитами, расположенных снаружи корпуса турбины, и регистрирующий блок. Устройство отличается тем, что оно снабжено операционным усилителем с прямым и инверсным входами и одним выходом, причем выход первого индукционного датчика соединен с прямым входом операционного усилителя и фазовращателем, включенным между 2-ым индукционным датчиком и инверсным входом операционного усилителя, причем индукционные датчики расположены диаметрально противоположно по отношению к продольной оси ротора, а фазовращатель осуществляет сдвиг фаз электрических сигналов с индукционных датчиков в пределах 0<α≤π/N, где N - число лопаток ротора, причем при четном числе лопаток α>0, при нечетном - ≤π/N, а выход операционного усилителя соединен с регистрирующим блоком.

Использование операционного усилителя с прямым и инверсным входами при подключении к ним индукционных датчиков, расположенных диаметрально противоположно в плоскости вращения ротора, дает возможность получить на выходе усилителя разность информационных сигналов. При равенстве же сигналов с датчика (кондиционная турбина) выходное напряжение равно нулю. При проявлении трещины, даже самой незначительной, сигнал на выходе становится отличным от нуля. На нулевом уровне малейшее отклонение от нуля заметнее, чем измеренная разность амплитуд сигнала в случае прототипа. Этим и обусловлена большая разрешающая способность предлагаемого устройства и большая надежность контроля. Применение фазовращателя необходимо для подстройки фаз информационных сигналов с датчиков и для изменения фазы сигнала с одного из датчиков в случае нечетного числа лопаток. Например, при N=5 Δϕ = π/N = π/5 радиан. При этом сдвиг фаз двух сигналов на входе усилителя получится равным нулю (при расположении датчиков диаметрально противоположно по отношению к оси ротора).

Применение датчиков увеличивает быстродействие устройства, так как выходной сигнал с усилителя формируется одновременно из двух информационных сигналов с датчиков. Благодаря нулевому потенциалу на выходе операционного усилителя для кондиционного ротора параметры усилителя мало чувствительным к изменениям напряжения питания, температуры и других внешних факторов (Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение. -М.: Радио и связь, 1989).

Суть изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 обозначено: 1 - ротор с лопатками, ось вращения перпендикулярна чертежу; 2 - первый индукционный датчик, содержащий постоянный магнит стержневого типа и измерительную катушку; 3 - операционный усилитель; 4 - регистрирующий блок; 5 - фазовращатель; 6 - 2-ой индукционный датчик.

На фиг. 2 обозначено: 1 - модель ротора турбины с 8-ю лопатками; 2 - первый индукционный датчик, имеющий 3000 витков проволоки, постоянный магнит выполнен из магнитного материала типа ЮНДК, длина и диаметр магнита имеют соответственно размеры 60 мм и 10 мм; 3 - операционный усилитель общего применения типа 140УД1; 4 - регистрирующий блок - осциллограф С1-70; 5 - 2-ой индукционный датчик.

Устройство работает следующим образом. При вращении ротора 1 (фиг. 1) в постоянном магнитном поле, созданном постоянными магнитами индукционных датчиков 2 и 6, в лопатках ротора 1 возникают вихревые токи. Вихревые токи создают переменное вторичное магнитное поле, которое наводит в измерительных катушках датчиков ЭДС электромагнитной индукции. Информационный сигнал с первого датчика поступает на прямой вход усилителя 3, а со 2-го датчика через фазовращатель 5 - на инверсный. Фазовращатель 5 изменяет фазу сигнала с датчика 6 так, чтобы она стала равной фазе сигнала с датчика 2. На выходе операционного усилителя 3 появляется дифференциальный сигнал, пропорциональный разности информационных сигналов с датчиков 2 и 6. Сигнал с выхода усилителя поступает на вход регистрирующего блока для его записи и дальнейшей обработки (записывающее устройство не показано).

На фиг. 2 показана схема эксперимента, где модель ротора 1 имела 8 лопаток, т. е. четное число. В этом случае эксперимент может быть проведен без использования фазовращателя, а подстройка фазы датчика 5 осуществлялась небольшим поворотом его вокруг оси вращения модели ротора 1. Принцип работы устройства на фиг. 2 с использованием модели ротора ничем не отличается от описания работы устройства (фиг. 1).

Эксперимент проводился на испытательном стенде научной лаборатории кафедры физики МИРЭА. Частота вращения изменялась от 50 до 150 об/с. Сигнал с выхода операционного усилителя подавался на вход осциллографа 4 (фиг. 2), где на экране появлялась нулевая линия при вращении кондиционной модели ротора. При вращении ротора с искусственным дефектом в одной лопатке (пропил глубиной 2 мм, шириной 1 мм) на экране появлялся дифференциальный сигнал, соответствующий разности информационных сигналов с датчиков. Амплитуда сигнала достигала при этом величины ≈ 380 мВ при частоте вращения модели ротора 120 об/с.

Проведенный эксперимент показал работоспособность предлагаемого устройства.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в системах контроля работы турбин как при их испытаниях, так и при работе в натурных условиях в динамическом режиме.

Так как турбинные агрегаты - весьма дорогостоящие изделия, то контроль состояния их отдельных элементов в случае появления дефектов (при работе в реальном масштабе времени) является весьма актуальной задачей. Это обуславливает промышленную новизну предлагаемого устройства неразрушающего контроля.

Устройство предназначено для контроля целостности лопаток ротора. Устройство содержит два одинаковых индукционных датчика, расположенных снаружи корпуса турбины, и регистрирующее устройство. В качестве датчиков использованы индукционные датчики с постоянными магнитами. Устройство снабжено операционным усилителем с прямым и инверсным входами и одним выходом, причем выход первого индукционного датчика соединен с прямым входом операционного усилителя. Устройство также снабжено фазовращателем, включенным между вторым индукционным датчиком и инверсным входом операционного усилителя, причем индукционные датчики расположены диаметрально противоположно по отношению к продольной оси ротора, а фазовращатель осуществляет сдвиг фаз электрических сигналов с индукционных датчиков в пределах 0<α≤π/N, где N - число лопаток ротора, причем при четном числе лопаток α>0, при нечетном - ≤π/N, а выход операционного усилителя соединен с регистрирующим блоком. Такое выполнение устройства позволит повысить надежность контроля и его быстродействие. 2 ил.

Устройство для контроля целостности лопаток ротора турбины, содержащее два одинаковых датчика, расположенных снаружи корпуса турбины, и регистрирующий блок, отличающееся тем, что в качестве датчиков использованы индукционные датчики с постоянными магнитами, а устройство снабжено операционным усилителем с прямым и инверсным входами и одним выходом, причем выход первого индукционного датчика соединен с прямым входом операционного усилителя, и фазовращателем, включенным между вторым индукционным датчиком и инверсным входом операционного усилителя, причем индукционные датчики расположены диаметрально противоположно по отношению к продольной оси ротора, а фазовращатель осуществляет сдвиг фаз электрических сигналов с индукционных датчиков в пределах 0<α≤π/N, где N - число лопаток ротора, причем при четном числе лопаток α>0, при нечетном - ≤π/N, а выход операционного усилителя соединен с регистрирующим блоком.