СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ ВИНТОВЕНТИЛЯТОРА Российский патент 2000 года по МПК G01B7/14 G01H11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля радиальных зазоров между торцами лопастей и оболочкой винтовентилятора, а также углов установки и раскрутки лопастей в процессе работы винтовентилятора при испытаниях и эксплуатации.

Известен способ измерения зазоров между статором и торцами лопаток ротора, основанный на возбуждении переменным магнитным полем вихретокового преобразователя (ВТП) в зоне измерения зазора и фиксации максимальных значений измеряемых сигналов в момент прохождения лопатками центра ВТП [А.с. СССР N 1201672, МПК G 01 В 7/08, 1984].

Недостатком указанного способа является низкая чувствительность и точность измерения, что объясняется ограничением на величину электрической мощности, "прикладываемой" к ВТП при непрерывном возбуждении электромагнитного поля в зоне измерения зазора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения зазоров в турбомашинах, заключающийся в том, что с торцами лопаток работающей турбомашины вводят во взаимодействие синхронизированный с ее вращением ВТП и по его сигналам оценивают радиальные зазоры между лопатками и указанным преобразователем. ВТП возбуждают последовательностями из групп импульсов, выбираемых по числу лопаток в колесе турбомашины, а количество импульсов в каждой группе выбирают из условия допустимой неравномерности огибающей выходного сигнала ВТП [А.с. СССР N 1779908, МПК G 01 В 7/08, 1992].

Недостатком известного способа является низкая информативность вследствие невозможности определения углов поворота и раскрутки лопастей.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения информативности измерения параметров движения лопастей винтовентилятора, что способствует повышению надежности и экономичности новых образцов турбомашин.

Поставленная задача решается так, что в известном способе, заключающемся в том, что с торцами лопастей работающей турбомашины вводят во взаимодействие синхронизированный с ее вращением ВТП, возбуждаемый последовательностями из групп импульсов, выбираемых по числу лопаток в колесе турбомашины, а число импульсов в каждой группе выбирают из условия допустимой неравномерности огибающей выходного сигнала ВТП, и по его сигналам оценивают радиальные зазоры между лопатками и указанным преобразователем, вводят дополнительный ВТП, возбуждаемый последовательностями из групп импульсов аналогично первому ВТП и смещенный относительно первого ВТП по оси ротора с таким расчетом, чтобы контролируемый торец лопасти при максимальном угле раскрутки не выходил из зон чувствительности обоих преобразователей. Путем интерполяционной обработки отсчетов сигналов первого и дополнительного ВТП определяют относительно синхроимпульса моменты времени прохождения каждой лопасти под центрами обоих ВТП, и по разности между найденными значениями моментов времени вычисляют значения углов раскрутки и установки лопастей.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая сущность способа измерения углов установки и раскрутки лопастей винтовентилятора, где показаны: 1, 2 - лопасти винтовентилятора с углом ϕ установки и раскрутки, 3, 4 - чувствительные элементы (ЧЭ) ВТП1 и ВТП2 соответственно, 5 - статор винтовентилятора.

На фиг. 2 представлены функции 1 и 2 изменения зазора между торцом лопасти и ЧЭ ВТП1 и ВТП2 при движении лопасти. В моменты времени Т_M1 и Т_M2, характеризующие прохождение торца лопасти под центрами ВТП зазор минимален, а значения выходных сигналов ВТП в виде цифрового кода максимальны.

На фиг. 3 представлена диаграмма, поясняющая пример определения момента времени появления максимума огибающей (N_M) сигнала ВТП, где 1 - огибающая выходного сигнала ВТП, 2 - интерполирующая функция, 3 - зона чувствительности ВТП.

Измерение параметров движения лопастей винтовентилятора предлагаемым способом осуществляется следующим образом. После подачи команды, инициирующей процесс измерения, по интервалу времени между двумя импульсами датчика синхронизации определяется период вращения винтовентилятора Т_об, и с учетом максимально возможного угла раскрутки лопасти производится расчет интервалов времени от синхроимпульса до моментов появления лопасти в зоне чувствительности ВТП. Например, для m-й лопасти, это время составляет величину T_об•(m-M-ϕ_нач/2π), где M - число лопастей на колесе, ϕ_нач - начальный угол поворота ротора, учитывающий максимально возможный угол раскрутки лопасти. Вычисляется интервал времени Δt между импульсами в группе, обеспечивающий требуемую неравномерность при интерполяции огибающей выходного сигнала ВТП. Например, для получения k отсчетов для интерполяции огибающей сигнала в пределах угловой зоны чувствительности ВТП (ϕ_ВТП), интервал времени Δt выбирают равным (ϕ_ВТП/2πk)•T_об. Далее производится формирование последовательностей импульсов питания каждого ВТП. В ответ на импульсы питания ВТП возбуждают электромагнитное поле, взаимодействующее с лопастью. В результате индуктивность ВТП изменяется в зависимости от расстояния между торцом лопасти и ЧЭ. После аналого-цифрового преобразования выходных сигналов ВТП, группы цифровых отсчетов (N), полученных в окрестности экстремумов огибающих, подвергаются интерполяционной обработке (фиг. 3), в процессе которой определяются максимумы огибающих выходных сигналов ВТП (N_M) и их смещения относительно импульса синхронизации (SI): Т_M = t_S + t_M, где t_S - интервал времени от импульса синхронизации до первого отсчета, попавшего в зону чувствительности ВТП, t_M - временной интервал от первого отсчета, попавшего в зону чувствительности до максимума огибающей сигнала преобразователя. Момент времени t_S жестко привязан к SI и определяется числом интервалов Δt от SI до начала зоны чувствительности, а интервал t_M определяется по максимальному значению цифрового кода N_M путем интерполяционной обработки попавших в зону чувствительности ВТП отсчетов. Далее определяется разность моментов появления максимумов сигналов ВТП2 (Т_M2) и ВТП1 (T_M1): ΔT = T_M2-T_M1, (фиг. 2) и соответствующее ей значение дуги x (фиг. 1), описываемой лопастью в промежутке между моментами времени T_M1 и Т_M2:

где D_k - размах лопастей ротора винтовентилятора (фиг. 1).

Принимая во внимание, что дуга x приближенно равна хорде BC, угол раскрутки лопасти можно определить из Δ ABC в виде:

В качестве примера конкретной реализации способа рассмотрим измерение угла установки и раскрутки лопасти винтовентилятора вихретоковыми преобразователями с чувствительными элементами в виде отрезка проводника [Патент 1394912 СССР, МКИ G 01 N 27/90. Высокотемпературный вихретоковый преобразователь /Скобелев О.П., Секисов Ю.Н., Хритин А.А.].

ВТП расположены на статоре винтовентилятора, имеющего диаметр D_k = 1500 мм. Осевое смещение между ВТП 1_d = 100 мм. Угол поворота ротора от момента формирования SI до появления первой лопасти в зоне чувствительности ВТП1 ϕ_нач = 3.6^o, Угловая зона чувствительности преобразователей ϕ_ВТП = 0.8^o, число лопастей на колесе ротора М = 12. Пусть угол раскрутки лопасти ϕ задан равным 10^o.

При вращении ротора с периодом Т_об = 100 мс получены следующие значения временных интервалов: t_S1 = 1.000 мс, t_S2 = 1.388 мс, Δt = 0.053 мc. После формирования последовательностей групп импульсов питания ВТП1 и ВТП2 и аналого-цифрового преобразования их сигналов, в пределах зон чувствительности преобразователей получены две группы цифровых кодов (по 3 отсчета в каждой):
В качестве интерполирующей функции использован полином Лагранжа [Справочник по техническим основам радиоэлектроники Под ред. Б.Х. Кривицкого. В 2-х т. Т.2, М., "Энергия", 1977. стр. 31]:

При n = 2 (второй порядок интерполирующей функции 2 (фиг. 3)):

Δt - интервал времени между соседними отсчетами. Продифференцировав выражение (2) и приравняв его к нулю, можно определить интервал времени от первого отсчета группы до максимума огибающей в виде:

и значение максимума:

С помощью выражения (3) для ВТП1 и ВТП2 определены интервалы времени t_M1 = 0.072 мс, t_M2 = 0.058 мс от первых отсчетов в группах до максимумов огибающих. Разность моментов появления экстремумов сигналов ВТП:
ΔT = T_M2-T_M1 = (t_S2+t_M2)-(t_S1+t_M1) = 0.374 мc.
Затем с помощью выражения (1) определен угол раскрутки лопасти:

что соответствует заданному значению.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемый способ измерения дополнительно дает информацию об углах установки и раскрутки лопастей.

Изобретение может быть использовано для бесконтактного автоматического контроля параметров движения лопастей винтовентилятора в процессе испытаний и эксплуатации. На статоре винтовентилятора устанавливают два вихретоковых преобразователя. Расстояние между преобразователями вдоль оси винтовентилятора выбирают таким, чтобы торец лопасти не выходил из зоны чувствительности преобразователей. Преобразователи возбуждают последовательностями групп импульсов. Число групп импульсов равно числу лопастей винтовентилятора. По сигналам преобразователей определяют радиальные зазоры между лопастями и преобразователями. Способ позволяет также по разности интервалов времени между синхроимпульсом и моментами появления минимальных зазоров между лопастью и центрами обоих преобразователей определять углы раскрутки и установки лопастей. 3 ил., 1 табл.

Способ измерения параметров движения лопастей винтовентилятора, заключающийся в том, что с торцами лопастей работающего винтовентилятора вводят во взаимодействие синхронно с его вращением вихретоковый преобразователь, возбуждаемый последовательностями из групп импульсов, выбираемых по числу лопастей в колесе винтовентилятора, а число импульсов в каждой группе выбирают из условия допустимой неравномерности огибающей выходного сигнала вихретокового преобразователя и по его выходному сигналу оценивают радиальные зазоры между лопастями и указанным преобразователем, отличающийся тем, что для повышения информативности измерений используют два вихретоковых преобразователя, смещенных друг относительно друга вдоль оси ротора винтовентилятора, и определяют интервалы времени между синхроимпульсом и моментами появления зазоров между лопастью и центрами обоих преобразователей, а по их разности вычисляют углы раскрутки и установки лопастей.