СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ И ОБНАРУЖЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2005 года по МПК G01B7/14 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения радиальных зазоров между торцами лопаток ротора и статором турбомашины, а также для обнаружения колебаний лопаток в лопаточных венцах ротора турбомашины, сопровождающих срывные и помпажные явления в компрессоре силовой установки.

Известен способ измерения радиальных зазоров в турбомашинах, заключающийся в том, что с торцами лопаток работающей турбомашины вводят во взаимодействие синхронизированный с ее вращением одновитковый вихретоковый преобразователь [Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. Вихретоковые датчики зазоров с чувствительными элементами в виде отрезка проводника//Приборы и системы управления, 1996, №8, с.27], возбуждаемый последовательностями из групп - пакетов импульсов и по его сигналам оценивают радиальные зазоры между лопатками и указанным преобразователем в течение нескольких периодов вращения ротора турбомашины [а.с. СССР №1779908 «Способ измерения радиальных зазоров в турбомашинах», кл. G 01 В 7/08, 1990; Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. Компьютерная мультистробоскопия в измерениях радиальных зазоров газотурбинных двигателей//Автометрия, 1996, №5, с.108].

Недостатком известного способа является то, что он не позволяют обнаруживать колебания лопаток ротора турбомашины, например при возникновении срывных явлений в ступени и помпажа турбомашины, а также оценивать интенсивность колебательного процесса.

Цель изобретения - повышение информативности измерения радиальных смещений торцов лопаток ротора турбомашины путем обнаружения колебаний лопаток, по интенсивности которых может быть оценена степень развития срывных и помпажных явлений в газовоздушном тракте ступени турбомашины.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что с торцами лопаток колеса ротора работающей турбомашины вводят во взаимодействие синхронизированный с ее вращением одновитковый вихретоковый преобразователь, возбуждаемый последовательностями из пакетов импульсов, причем число импульсов в пакете выбирают по числу контролируемых лопаток в колесе турбомашины, а число пакетов из условия допустимой неравномерности огибающей выходного сигнала вихретокового преобразователя, и по его сигналам оценивают радиальные зазоры между лопатками и указанным преобразователем в течение нескольких периодов вращения ротора турбомашины, введены дополнительные операции по определению колебаний лопаток ротора и оценки их интенсивности. О наличии и интенсивности колебаний лопаточного венца ротора турбомашины судят по отношению средних значений результатов преобразования радиальных зазоров по всем контролируемым лопаткам, зарегистрированных на режиме, при котором заведомо нет срывных и помпажных явлений и сопутствующих им колебаний лопаток, и на текущем режиме, полученных при одних и тех же угловых положениях замков лопаток, когда замки лопаток находятся напротив чувствительного элемента преобразователя. Если отношение среднего значения результата измерения радиального зазора по всем лопаткам колеса ротора, полученного на режиме, когда колебания лопаток отсутствуют, к среднему значению результата измерения радиального зазора по всем лопаткам, полученного на текущем режиме превысит допустимый уровень, фиксируется факт колебаний лопаток в лопаточном венце рабочего колеса ротора турбомашины. Об интенсивности колебательного процесса судят по величине данного отношения (чем интенсивнее колебательный процесс, тем больше отношение средних).

На фиг.1 представлена временная диаграмма, поясняющая процесс измерения радиальных зазоров и оценки интенсивности колебаний лопаток рабочего колеса ротора турбомашины, где τ_р - период вращения ротора, τ₀ - шаг дискретизации импульсов опроса преобразователей, К - число периодов вращения ротора турбомашины, в течение которых осуществляется опрос вихретокового преобразователя.

На фиг.2 представлена диаграмма, поясняющая получение усредненных значений () результатов преобразования радиальных зазоров по всем лопаткам от номера пакета импульсов опроса (номера периода вращения ротора) k в выбранном сечении при отсутствии колебаний (1), при наличии колебаний отдельных лопаток (групп лопаток) (2) и при колебании всех лопаток ступени (3).

Обнаружение колебаний торцов лопаток ротора турбомашины при цифровом измерении радиальных зазоров за несколько периодов вращения ротора происходит в 4 этапа. На первом этапе (фиг.1) измеряется период вращения ротора τ_р. На этапе 2 рассчитывается шаг дискретизации импульсов опроса преобразователей τ_О. Далее (этап 3) производится опрос вихретокового преобразователя, в соответствии с которым в течение каждого периода вращения ротора на преобразователь подаются пакеты импульсов, причем число импульсов в пакете равно числу лопаток (n_л), а период импульсов:

при этом Т≫τ_О. На каждом обороте ротора пакет импульсов смещается относительно предыдущего на шаг дискретизации τ_o, рассчитанный на этапе 2.

Длительность опроса (длительность этапа 3) определяется множеством К пакетов импульсов и составит К периодов вращения ротора.

На завершающем этапе 4 определяется факт наличия колебаний лопаток и оценивается их интенсивность. Для этого формируется массив средних (_k) по всем контролируемым лопаткам результатов преобразований, полученных при прохождении замков лопаток относительно чувствительного элемента преобразователя и соответствующих определенному номеру k^* пакета импульсов - периода вращения ротора (фиг.2)

где - результат преобразования на i-ой лопатке на k*-ом периоде вращения ротора.

Оценка интенсивности колебаний торцов лопаток ротора турбомашины осуществляется с помощью критерия q, равного отношению среднего значения выходного сигнала преобразователя по всем лопаткам при прохождении замка лопатки чувствительного элемента преобразователя, полученного при отсутствии колебаний (_1k) к среднему значению выходного сигнала преобразователя по всем лопаткам для того же положения замка лопатки, полученного для текущего режима ()

Если критерий q превышает заданное пороговое значение q_nop(q≥q_nop), то выносится суждение о наличии колебаний в лопаточном венце рабочего колеса турбомашины.

График изменения средних значений результатов преобразования при вариации k от 0 до К по всем контролируемым лопаткам при отсутствии колебаний представлен на фиг.2 (1) и имеет ярко выраженный максимум, который соответствует прохождению замками лопаток чувствительного элемента одновиткового преобразователя и пакету импульсов (обороту ротора) под номером k^*. Появление колебаний нарушает картину изменений естественных выходных сигналов одновитковых вихретоковых преобразователей, т.к. в моменты опроса преобразователей торцы лопаток могут оказаться вне зоны его максимальной чувствительности и вместо ожидаемых максимальных значений результатов после преобразования их естественных выходных сигналов появятся меньшие значения. При этом, если колебаниями будут охвачены не все лопатки, а только их часть, то характер изменений функции сохраняется, но ее максимум станет меньшим. Снижение максимума зависит от числа лопаток, охваченных колебаниями (2). Чем интенсивнее колебания, тем ближе к горизонтальной прямой (3). Если же колебаниями охвачены все лопатки, то максимум функции исчезнет, а график трансформируется в горизонтальную прямую (3).

В качестве конкретной реализации способа рассмотрим пример обнаружения колебаний торцов лопаток на одной из ступеней компрессора газотурбинного двигателя (экспериментальные данные получены в процессе стендовых испытаний в реальных условиях). Количество контролируемых лопаток на роторе исследуемой ступени - 21, причем выбрана только каждая пятая лопатка от общего числа лопаток венца.

В таблице 1 и на фиг.3 приведены результаты аналого-цифрового преобразования (₁) естественного выходного сигнала одновиткового вихретокового преобразователя для режима, когда колебания лопаток отсутствовали. Число пакетов импульсов опроса (оборотов ротора) - К=21 (номера пакетов (оборотов) k=1, 2, 3,..., 21).

В таблице 2 и на фиг.4 приведены результаты аналого-цифрового преобразования (C₂) естественного выходного сигнала используемого одновиткового вихретокового преобразователя для режима, сопровождающегося колебаниями лопаток.

На фиг.5 представлены изменения средних значений результатов преобразования по всем контролируемым лопаткам для рассматриваемого случая при отсутствии колебаний (₁) и при колебаниях лопаточного венца ротора (₂).

Как видно из табл. 1 и фиг.3 при отсутствии колебаний, когда положения замков и торцов лопаток совпадают, максимумам результатов аналого-цифрового преобразования примерно соответствует пакет импульсов (оборот ротора) под номером k*=11. Тогда, подставляя в выражения (1, 2) результаты аналого-цифрового преобразования для режима, сопровождающегося колебаниями лопаток (С_2k*) и для режима, когда колебания отсутствуют С_1k* при k*=11 n_л=21, получаем

Значение критерия q значительно превышает 1 и соответствует интенсивному колебательному процессу (фиг.5). Пороговое значение q_пор может составлять q_пор=1.2 и его превышение будет свидетельствовать о наличие колебаний.

Таблица 1
Результаты аналого-цифрового преобразования выходного сигнала преобразователя для режима, когда колебания лопаток отсутствовали№лопат.
k1234567891011121314151617181920211979585961068110277879864901051169279649910595772979696941189010785869667891161339486731071071068331049711510413610512210590998198123148114987811810811895413312015512116612415314310111710010514317915512410715012615812451691452061532151611992001331451441301882352001701451811472021676220193261200270202245242172181192166234288243218188230182262217728524432825136425230332222322224421728838630127324828922333627283662994123154803324284252832813002753944914223633213942804283699463426488436581445499490361373416361492576482440414477379499476105445165155206185425435394744844894515676065275074955524845305251156956649754561159654053552353452852160159051751751857755851255212533571450534552607497486530544529549581525474480500554597453517134545213544674605584194024895084765235254353954174454865883614261436443924938036146929728641142641045343033227729234739351326132615245349212286236378223215309331305372316233210222241296441212226161892281632091922601791702232342132492261941691791892133171621791715718712416914919512812418318717220518415212412914416522712913718108141901251161589591134147128163145118861039811518010199197598739687108667396998911610310163736975123877720697361746983456179817586808351645154897466215877536353613245716562696770476047476770 

Таблица 2
Результаты аналого-цифрового преобразования выходного сигнала преобразователя для режима, сопровождающегося колебаниями лопаток№ лопат.
k123456789101112131415161718192021127272727272830281041722814444113001071692728272727227272827272727691652954124482504532828272728272732828272828273213624939045938014429272728272727274272728282827271693534524492232827272727272727275292728272827282294164713761192728282727273228146628282727282844299463439231292728272827282714344772927282727327938248737916128272828272764534264178282827272828123432471250592727272828272692684461369282727292827148474433184282726272827141501457195281033272828272717050535811528272728282736148933527271197272827272819552027737272728272871503229100282812150282727272725952221327272727274823541752283227132113227282929290506170282728273218242120228302927142672827272727355468101273228284638944950262827271535628282727273854174928282728170466279282727275516429272827282841736428272727273583801182728272733117465382827272844129627272727444602042829272899533184929128272827461230282728301554505927282716434634719485131272828284821892828272828130130282628412487912045516927272728488157282727274141612728309044527928214112002827272948611727272745454352727282952215627

Использование: для измерения радиальных зазоров и обнаружения колебаний лопаток ротора турбомашины. Сущность: заключается в том, что о начале и интенсивности колебательного процесса в лопаточном венце колеса ротора турбомашины судят по отношению средних значений результатов преобразования радиальных зазоров по всем контролируемым лопаткам, зарегистрированных на режиме, при котором заведомо нет срывных и помпажных явлений и сопутствующих им колебаний лопаток и на текущем режиме, полученных при одних и тех же угловых положениях замков лопаток, когда замки лопаток находятся напротив чувствительного элемента преобразователя. Технический результат: повышение информативности измерения радиальных смещений торцов лопаток ротора турбомашины. 5 ил., 2 табл.

Способ измерения радиальных зазоров и обнаружения колебаний лопаток ротора турбомашины, заключающийся в том, что с торцами лопаток колеса ротора работающей турбомашины вводят во взаимодействие синхронизированный с ее вращением вихретоковый преобразователь, возбуждаемый пакетами импульсов, по сигналам которого оценивают радиальные зазоры между торцами лопаток и указанным преобразователем, отличающийся тем, что о появлении колебаний и интенсивности колебательного процесса лопаток в лопаточном венце рабочего колеса турбомашины судят по отношению средних значений результатов преобразования радиальных зазоров по всем контролируемым лопаткам, зарегистрированных на режиме, при котором заведомо нет срывных и помпажных явлений и сопутствующих им колебаний лопаток, и на текущем режиме, полученных при одних и тех же угловых положениях замков лопаток, когда замки лопаток находятся напротив чувствительного элемента преобразователя.