СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУД КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН Российский патент 2005 года по МПК G01H11/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для бесконтактного измерения и непрерывного контроля амплитуды колебаний турбинных и компрессорных лопаток в эксплуатационных условиях.

В настоящее время наиболее современным и перспективным методом определения параметров колебаний лопаток ГТД является дискретно-фазовый метод (ДФМ) /Заблоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1977. - 160 с./, при котором регистрируют моменты прохождения периферийного сечения вращающейся лопатки мимо определенных точек корпуса (или его неподвижных деталей) и одновременно измеряют угловую или окружную скорости движения ротора турбомашины. В упомянутых точках корпуса устанавливаются на определенных расстояниях друг от друга по направлению траектории движения периферийного сечения лопатки датчики (электроразрядные, емкостные, электродинамические, оптические, акустические или иного типа), способные подавать сигнал, соответствующий моменту прохождения периферийного сечения лопатки точки, в которой расположен датчик.

Известные устройства, построенные на дискретно-фазовом методе определения амплитуд колебаний, используют статистические методы определения амплитуд колебаний каждой отдельной лопатки на основе использования информации, получаемой с датчиков за большое число оборотов ротора при стационарном режиме работы двигателя / Заблоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1977. - 160 с./. Количество измеренных интервалов времени для каждой лопатки с датчиков, необходимых для определения ее параметров колебаний зависит от требуемой точности (погрешности) и достоверности определения параметров колебаний лопаток /Заблоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1977. - 160 с.; с.51/.

Недостатком известного способа является большое время (большое число оборотов ротора турбомашины), необходимое для накопления требуемого количества статистической информации о мгновенной разношаговости лопаток, т.к. с помощью 2-х датчиков за один оборот ротора турбомашины получают только один отсчет (интервал времени) при прохождении каждой i-й лопатки, а требуемое количество отсчетов измеренных интервалов времени для каждой лопатки с датчиков, необходимых для определения ее параметров колебаний зависит от заданной точности (погрешности) и достоверности определения параметров колебаний лопаток /Заблоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1977. - 160 с.; с 51/.

Также недостатком известного способа является низкая точность определения амплитуды колебаний лопаток, т.к. амплитуду колебаний каждой лопатки определяют путем нахождения минимального и максимального промежутка времени между сигналами датчиков, которые в общем случае получены при неодинаковых частотах вращения ротора, и соответственно при неодинаковых линейных скоростях движения периферийных сечений лопаток. В реальных условиях частота вращения ротора не может быть строго постоянной во времени, поэтому умножение разницы между максимальным и минимальным промежутками времени между сигналами датчиков на среднюю, в течение всего времени накопления статистических данных, скорость движения периферийного сечения лопатки приводит к дополнительной погрешности от нестабильности частоты вращения ротора. Частота вращения ротора в течение всего времени накопления статистических данных не остается величиной строго постоянной, что, в свою очередь, может вызывать изменение интенсивности колебаний лопаток турбомашин в процессе измерений. Кроме того, изменение интенсивности колебаний лопаток может происходить и в случае поддержания частоты вращения ротора строго постоянной, если частота колебаний лопатки близка к кратным частотам вращения ротора. Это приводит к тому, что получаемая статистическая совокупность состоит из разнородных отсчетов, т.е. полученных при различных условиях: частоты вращения ротора и интенсивности колебаний лопаток турбомашины, причем степень разнородности зависит и от размеров накопленной статистической совокупности (количества отсчетов измеренных интервалов времени).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, приведенный в /Патент РФ №2207524, G 01 Н 11/ 06, Бюл. №18, 2003 г./, в котором устанавливают два периферийных датчика на корпусе турбомашины на базовом расстоянии по траектории вращения кромок лопаток. Регистрируют моменты прохождения периферийного сечения лопатки мимо датчиков, расположенных на базовом расстоянии в окружном направлении, измеряют временные интервалы прохождения каждой i-й лопатки от 1-го до 2-го датчика (между датчиками), измеряют средние, в течение соответствующих измеренных интервалов времени, линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки, вычисляют разношаговости каждой i-й лопатки путем умножения измеренных временных интервалов на средние, в течение соответствующих измеренных интервалов времени, линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки и вычитания из каждого полученного произведения базового расстояния между датчиками, накапливают статистическую совокупность разношаговостей каждой i-й лопатки, из которой определяют разницу между максимальным и минимальным значениями разношаговостей каждой i-й лопатки. По полученному для каждой i-й лопатки значению разницы между максимальным и минимальным значениями разношаговостей судят об амплитуде колебаний.

Недостатком известного способа является большое время (большое число оборотов ротора турбомашины), необходимое для накопления требуемого количества статистической информации о мгновенной разношаговости лопаток, т.к. с помощью 2-х датчиков за один оборот ротора турбомашины получают только один отсчет (интервал времени) при прохождении каждой i-й лопатки, а требуемое количество отсчетов измеренных интервалов времени для каждой лопатки с датчиков, необходимых для определения ее параметров колебаний зависит от заданной точности (погрешности) и достоверности определения параметров колебаний лопаток /Заблоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1977. - 160 с.; с.51/.

Поставлена задача повышения быстродействия (уменьшения времени и количества оборотов ротора турбомашины) определения параметров колебаний каждой i-й лопатки при заданных значениях точности (погрешности) и достоверности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин и/или повышения точности (уменьшения погрешности) и достоверности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин за прежнее время (прежнее количество оборотов ротора турбомашины).

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин, основанном на бесконтактном съеме информации о колебаниях вращающихся лопаток, устанавливают два периферийных датчика на корпусе турбомашины на базовом расстоянии по траектории вращения кромок лопаток. Регистрируют моменты прохождения периферийного сечения лопатки мимо датчиков, расположенных на базовом расстоянии в окружном направлении, измеряют временные интервалы прохождения каждой i-й лопатки от 1-го до 2-го датчика (между датчиками), измеряют средние, в течение соответствующих измеренных интервалов времени, линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки, вычисляют разношаговости каждой i-й лопатки путем умножения измеренных временных интервалов на средние, в течение соответствующих измеренных интервалов времени, линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки и вычитания из каждого полученного произведения базового расстояния между датчиками, накапливают статистическую совокупность разношаговостей каждой i-й лопатки, из которой определяют максимальное абсолютное значение разношаговости каждой i-й лопатки. По полученному для каждой i-й лопатки максимальному абсолютному значению разношаговости судят об амплитуде колебаний каждой i-й лопатки.

Для дополнительного повышения быстродействия (уменьшения времени и количества оборотов ротора турбомашины) определения параметров колебаний каждой i-й лопатки при заданных значениях точности (погрешности) и достоверности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин и/или повышения точности (уменьшения погрешности) и достоверности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин за прежнее время (прежнее количество оборотов ротора турбомашины) предлагается увеличивать полученное для каждой i-й лопатки максимальное абсолютное значение разношаговости на значение заданной погрешности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин и по увеличенному максимальному абсолютному значению разношаговости судят об амплитуде колебаний каждой i-й лопатки.

Сущность способа определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин поясняется схемами, представленными на фиг.1 и 2;

на фиг.1 показаны зависимости достоверности Р определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин от требуемого количества отсчетов N для погрешности 2% определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин,

на фиг.2 показаны зависимости достоверности Р определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин от требуемого количества отсчетов N для погрешности 5% определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин. На фигурах 1 и 2 обозначены: сплошной линией - зависимости достоверности Р определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин от требуемого количества отсчетов по прототипу, пунктирной линией - зависимости достоверности Р определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин от требуемого количества отсчетов предлагаемым способом, штриховой линией - зависимости достоверности Р определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин от требуемого количества отсчетов предлагаемым способом с увеличением максимального абсолютного значения разношаговости на значение заданной погрешности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин.

Определение амплитуд колебаний лопаток турбомашин предлагаемым способом осуществляется следующим образом. Устанавливают два периферийных датчика на корпусе турбомашины на базовом расстоянии по траектории вращения кромок лопаток. Регистрируют моменты прохождения периферийного сечения лопатки мимо датчиков, расположенных на базовом расстоянии в окружном направлении, измеряют временные интервалы прохождения каждой i-й лопатки от 1-го до 2-го датчика (по траектории движения периферийного сечения лопаток). Измеряют средние, в течение соответствующих измеренных интервалов времени, линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки. Измерение средней линейной скорости движения периферийного сечения лопатки может быть выполнено различными способами, например, с помощью тахогенератора измеряют частоту вращения ротора ω и по известной величине радиального расстояния R периферийного сечения от оси вращения ротора определяют линейную скорость движения периферийного сечения лопатки V как произведение частоты вращения ротора ω на радиальное расстояние R. Вычисляют разношаговости каждой i-й лопатки путем умножения измеренных временных интервалов на средние, в течение соответствующих измеренных интервалов времени, линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки и вычитания из каждого полученного произведения базового расстояния между датчиками. Накапливают статистическую совокупность разношаговостей каждой i-й лопатки, из которой определяют максимальное абсолютное значение разношаговости каждой i-й лопатки. По полученному для каждой i-й лопатки максимальному абсолютному значению разношаговости судят об амплитуде колебаний каждой i-й лопатки.

Для дополнительного повышения быстродействия (уменьшения времени и количества оборотов ротора турбомашины) определения параметров колебаний каждой i-й лопатки при заданных значениях точности (погрешности) и достоверности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин и/или повышения точности (уменьшения погрешности) и достоверности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин за прежнее время (прежнее количество оборотов ротора турбомашины) предлагается увеличивать полученное для каждой i-й лопатки максимальное абсолютное значение разношаговости на значение заданной погрешности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин, и по увеличенному максимальному абсолютному значению разношаговости судят об амплитуде колебаний каждой i-й лопатки.

При определении зависимостей, показанных на фиг.1 и 2, исходили из того, что колебания лопаток происходят по гармоническому закону со случайной начальной фазой ⊘ и случайным отношением частоты колебаний к частоте вращения ротора турбомашины (частоте отсчетов) - величины кратности колебаний n.

Для каждого сочетания числа отсчетов N (N=1,2...100) и точности (погрешности) Δ (Δ=2%, 5%) было проведено М=10⁵ испытаний, в каждом из которых N раз вычислялось значение у_i по формуле:

где - дробная часть суммы кратности колебаний n и величины относительной фазы ϕ для каждого испытания выбиралась с помощью датчика случайных чисел с равномерным распределением в диапазоне [0, 1] (поскольку целая часть суммы кратности колебаний n и величины относительной фазы не изменяет значение гармонической функции).

Для каждого сочетания числа отсчетов N и точности (погрешности) Δ определялось:

количество испытаний m₁ из М, в которых разность между наибольшим и наименьшим значениями у_i из N отсчетов с заданной точностью (погрешностью) Δ соответствует двойной амплитуде колебаний:

количество испытаний m₂ из М, в которых наибольшее абсолютное значение у_i из N отсчетов с заданной точностью (погрешностью) Δ соответствует амплитуде колебаний:

количество испытаний m₃ из М, в которых наибольшее абсолютное значение у_i из N отсчетов, увеличенное на значение заданной погрешности определения амплитуды колебаний с заданной точностью (погрешностью) Δ, соответствует амплитуде колебаний:

Отношение m₁ к М испытаний представляет собой вероятность определения амплитуды колебаний лопаток турбомашин для соответствующего сочетания числа отсчетов N и точности (погрешности) Δ по прототипу.

Отношение m₂ к М испытаний представляет собой вероятность определения амплитуды колебаний лопаток турбомашин для соответствующего сочетания числа отсчетов N и точности (погрешности) Δ предлагаемым способом.

Отношение m₃ к М испытаний представляет собой вероятность определения амплитуды колебаний лопаток турбомашин для соответствующего сочетания числа отсчетов N и точности (погрешности) Δ предлагаемым способом с увеличением полученного максимального абсолютного значения разношаговости на значение заданной погрешности определения амплитуд колебаний.

Так при погрешности определения амплитуды колебаний Δ=2% и достоверности Р=0,95 требуемое количество отсчетов N составит: по прототипу - 41, предлагаемым способом - 23, предлагаемым способом с увеличением максимального абсолютного значения разношаговости на значение заданной погрешности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин - 15.

Практическая полезность такого способа очень велика, вследствие того, что его использование увеличит возможности диагностирования и предотвращения аварий на энергетических и транспортных машинах, оснащенных турбинами и компрессорами, в которых лопатки по причине их чрезмерных вибраций, нагрузок являются главным источником аварий с тяжелыми последствиями.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для бесконтактного измерения и непрерывного контроля амплитуды колебаний турбинных и компрессорных лопаток в эксплуатационных условиях. Сущность изобретения: устанавливают два периферийных датчика на корпусе турбомашины на базовом расстоянии по траектории вращения кромок лопаток, регистрируют моменты прохождения периферийного сечения лопатки мимо датчиков, расположенных на базовом расстоянии в окружном направлении, измеряют временные интервалы прохождения каждой i-й лопатки от 1-го до 2-го датчика (между датчиками), измеряют средние, в течение соответствующих измеренных интервалов времени, линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки, вычисляют разношаговости каждой i-й лопатки путем умножения измеренных временных интервалов на средние, в течение соответствующих измеренных интервалов времени, линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки и вычитания из каждого полученного произведения базового расстояния между датчиками, накапливают статистическую совокупность разношаговостей каждой i-й лопатки, из которой определяют максимальное абсолютное значение разношаговости каждой i-й лопатки. Увеличивают полученное для каждой i-й лопатки максимальное абсолютное значение разношаговости на значение заданной погрешности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин, и по увеличенному максимальному абсолютному значению разношаговости судят об амплитуде колебаний каждой i-й лопатки. Технический результат - повышение точности и достоверности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин, основанный на бесконтактном съеме информации о колебаниях вращающихся лопаток, заключающийся в том, что устанавливают два периферийных датчика на корпусе турбомашины на базовом расстоянии по траектории вращения кромок лопаток, регистрируют моменты прохождения периферийного сечения лопатки мимо датчиков, расположенных на базовом расстоянии в окружном направлении, измеряют временные интервалы прохождения каждой i-й лопатки от 1-го до 2-го датчика (между датчиками), измеряют средние в течение соответствующих измеренных интервалов времени линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки, вычисляют разношаговости каждой i-й лопатки путем умножения измеренных временных интервалов на средние в течение соответствующих измеренных интервалов времени линейные скорости движения периферийного сечения каждой i-й лопатки и вычитания из каждого полученного произведения базового расстояния между датчиками, накапливают статистическую совокупность разношаговостей каждой i-й лопатки отличающийся тем, что из статистической совокупности разношаговостей каждой i-й лопатки определяют максимальное абсолютное значение разношаговости каждой i-й лопатки и по полученному для каждой i-й лопатки максимальному абсолютному значению разношаговости судят об амплитуде колебаний каждой i-й лопатки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно увеличивают полученное для каждой i-й лопатки максимальное абсолютное значение разношаговости на значение заданной погрешности определения амплитуд колебаний лопаток турбомашин и по увеличенному максимальному абсолютному значению разношаговости судят об амплитуде колебаний каждой i-й лопатки.