СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ДИСКОВ ТУРБОМАШИНЫ ПРИ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКИХ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1994 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к турбомашиностроению, в частности к способам и устройствам управления температурой дисков турбомашин при их циклических термомеханических нагружениях на стендах.

Цель изобретения - повышение надежности испытаний и предотвращение разрушения диска из-за выхода из строя токосъемного устройства.

На чертеже показана схема системы для управления температурой диска турбомашины.

Система содержит программно-задающее устройство (ПЗУ) 1, регулятор 2 температуры, состоящий из сумматора 3 и регуляторов 4, 5 нагрева и охлаждения, контур 6 регулирования мощности (КРМ) индукционных нагревателей, контур 7 регулирования расхода (КРР) охлаждающего воздуха, включающий регулятор 8 расхода, исполнительный механизм (ИМ) с регулирующим органом (РО) 9 и датчик 10 расхода. Кроме того, система содержит диск 11, датчик 12 температуры, состоящий из термопары 13, соединенной с токосъемным устройством, нормализирующий преобразователь 14, первый, второй и третий ключи 15, 16 и 17, компаратор 18, делитель 19 частоты, самоподнастраивающийся имитатор 20, содержащий первый 21 и второй 22 сумматоры, блок 23 умножения и интегратор 24, блок 25 настройки имитатора (БНИ), включающий первый сумматор 26 и первый компаратор 27, соответственно первый, второй, третий и четвертый ключи 28, 29, 30 и 31, первый и второй интеграторы 32 и 33, пятый и шестой ключи 34 и 35, второй сумматор 36, седьмой ключ 37 и второй компаратор 38.

ПЗУ 1 соединено с входом сумматора 3 и компаратора 18, последний соединен последовательно с делителем 19 частоты, выход которого подключен к управляющим входам ключей 15 и 16 и к первому управляющему входу БНИ 25. Выход термопары 13 через токосъемное устройство (на чертеже не показано) и через ключ 15 соединено с входом нормализирующего преобразователя 14, выход которого подключен к входу сумматора 3, к первому сигнальному входу БНИ 25 и через ключи 16 и 17 - к второму сигнальному входу БНИ 25. Первые два входа имитатора 20 соединены с входом КРМ 6 и выходом датчика 10 расхода воздуха, третий вход имитатора 20 соединен с сигнальным выходом БНИ 25, управляющий выход которого подключен к управляющему входу ключа 17.

Имитатор 20 содержит последовательно соединенные сумматор 21, вход которого является первым входом имитатора 20, блок 23 умножения и интегратор 24, выход которого соединен с вторым входом сумматора 21 и является выходом имитатора 20, подключенным к второму сигнальному входу БНИ 25. Имитатор 20 включает в себя также сумматор 22, выход которого подключен к второму входу блока 23 умножения, а его входы являются вторым и третьим входами имитатора 20.

В БНИ 25 соединены последовательно сумматор 26, входы которого являются сигнальными входами БНИ 25, ключи 28, 29 и 30, интегратор 32, ключ 34, сумматор 36 и ключ 37, выход которого является сигнальным выходом БНИ 25.

Вход компаратора 27 соединен с первым сигнальным входом БНИ 25, а его выход подключен к управляющему входу ключа 28 и одновременно является управляющим входом БНИ 25. Последний включает в себя также последовательно соединенные ключ 31, вход которого подключен к выходу ключа 29, интегратор 33 и ключ 35, выход которого соединен с вторым входом сумматора 36. Управляющие входы ключей 29 и 37 соединены с первым управляющим входом БНИ 25, вторым управляющим входом которого является вход компаратора 38, соединенный с выходом сумматора 3, а выход компаратора 38 подключен к управляющим входам ключей 30, 31, 34 и 35.

Способ управления температурой дисков турбомашин при термоциклических стендовых испытаниях с помощью системы управления реализуют следующим образом. Выходной сигнал датчика 12 температуры имитируют (восстанавливают) с помощью имитатора 20. С этой целью на его входы подают сигналы, пропорциональные электрической мощности индукционных нагревателей (на первый вход сумматора 21), сигнал, пропорциональный расходу охлаждающего воздуха (с датчика 10 расхода на первый вход сумматора 22).

Имитатор представляет собой апериодическое звено с переменной постоянной времени
T₂₀= T , зависящей от величины выходного сигнала U₂₂ сумматора 22 постоянной времени интегратора Т₂₄ и масштабного сигнала U_M (U_M = 10 В). Здесь и далее U_i - выходной сигнал i-го блока, K_i - коэффициент передачи i-го блока.

При равенстве постоянной Т_д времени диска и постоянной времени имитатора (Т_д = Т₂₀) равны и сигналы на выходе имитатора и преобразователя 14 (U₂₀ = U₁₄). Постоянная времени имитатора определяется величиной сигнала на выходе сумматора 22, равной U₂₂ = U₁₀+ U₃₆.

В свою очередь сигнал сумматора 36
U₃₆ = U₃₂, если ключ 34 замкнут, а ключ 35 разомкнут;
U₃₃, если ключ 34 разомкнут, а ключ 35 замкнут.

Выходной сигнала интегратора U₃₂ пропорционален разности сигналов датчика 12 температуры и имитатора 20 при охлаждении диска, а сигнал интегратора U₃₃ - этой же разности при его нагреве.

Отсюда следует, что выходной сигнал датчика температуры восстанавливается с помощью имитатора в функции сигналов, пропорциональных мощности (U₄) и коэффициенту теплоотдачи (U₁₀).

Циклы работы системы задают ПЗУ 1 через делитель 19. Во время первого цикла обратная связь замкнута по текущей температуре (ключ 15 замкнут), а имитатор в это время работает в режиме самоподнастройки. Затем в течение n (например, n = 7) циклов ключ 16 замкнут, а ключ 15 разомкнут и скользящий контакт токосъемного устройства разорван. Система управления температурой работает с обратной связью по выходному сигналу имитатора 20.

На 1-ом, 9-ом, 17-ом, 25-ом и т. д. циклах скользящий контакт токосъемного устройства и ключ 15 замкнуты, а ключ 16 разомкнут и система вновь работает с обратной связью по текущей температуре диска, а имитатор в это время работает в режиме самоподнастройки.

При выходе из строя токосъемного устройства обратная связь до конца проведения испытаний замыкается по выходному сигналу имитатора. С этой целью ключ 28 размыкается, а ключ 17 замыкается, так как выходной сигнал компаратора 27 при обрыве обратной связи равен нулю.

Автоматическая настройка имитатора 20 вызвана тем, что величина коэффициента теплоотдачи до проведения экспериментальных исследований может быть определена (по эмпирическим зависимостям) с погрешностью, равной 25-30% .

Следовательно, величина постоянной времени Т₂₀ до проведения испытаний также не может быть определена с меньшей погрешностью. Поэтому величину Т₂₀ уже на первом цикле автоматически корректируют в функции отклонения выходного сигнала имитатора 20 от текущего сигнала датчика температуры диска.

В установившемся режиме работы сигнал задания U₁ с выхода программно-задающего устройства 1 поступает на второй вход сумматора 3 и на вход компаратора 18. На первый вход сумматора 3 поступает сигнал отрицательной обратной связи либо с выхода датчика 12 температуры, либо с выхода имитатора 20. Разность сигналов задания и обратной связи U₁₅ с выхода сумматора 3 воздействует либо на регулятор 4 нагрева, либо на регулятор 5 охлаждения диска 11 в зависимости от знака этой разности U₃. На интервале нагрева сигнал U₃ ошибки системы положительный и воздействует на регулятор 4 нагрева, контур 6 регулирования мощности индукционных нагревателей таким образом, что последний поддерживает подводимую к диску мощность нагрева на уровне, соответствующем заданной интенсивности нагрева.

Одновременно сигнал с выхода сумматора 3 поступает на вход компаратора 38, который срабатывает при превышении по абсолютной величине сигналом U₃ сигнала сравнения U_ср.38. , т. е. на выходе компаратора 38 появляется сигнал U₃₈. Под действием этого сигнала ключи 30, 34 замыкаются, а ключи 31, 35 размыкаются. На участке нагрева, когда сигнал U₃₈ = 0, наоборот, ключи 30 и 34 разомкнуты, а ключи 31, 35 замкнуты.

На входе компаратора 18 сигнал U₁ сравнивается с сигналом U_ср.18, в результате чего с его выхода снимается импульсная последовательность, поступающая на вход делителя 19 частоты, коэффициент деления которого равен, например, 8. С выхода делителя 19 частоты импульсная последовательность U₁₉ управляет ключами 15, 16, 24, 37. При наличии сигнала U₁₉ = 1 ключи 15, 29 замкнуты, а ключи 16 и 37 разомкнуты. При отсутствии сигнала U₁₉ = 0 наоборот.

Компаратор 27 выдает единичный сигнал U₂₇ = 1 (при этом ключ 28 замыкается, а ключ 17 размыкается) при наличии сигнала на выходе датчика 12 температуры, а при его отсутствии сигнал на выходе компаратора U₂₇ = 0 и состояния ключей изменяются наоборот (ключ 28 размыкается, а ключ 17 замыкается).

Следовательно, на участке нагрева в течение первого цикла сигнала U₁₉ = 1, U₃₈ = 0. Поэтому ключи 29, 31, 35 замкнуты, а ключи 16, 30, 34, 37 разомкнуты. При этом с выхода датчика 12 аналоговый сигнал поступает на вход компаратора 27. Выходной сигнал компаратора U₂₇ = 1. Поэтому ключ 28 замкнут, а ключ 17 разомкнут. Это приводит к тому, что в системе автоматического управления температурой диска обратная связь замкнута по его текущей температуре (ключ 15 замкнут), а разность сигналов U₂₆ = U₁₅ - U₂₄ поступает на вход интегратора 33, в результате чего сигнал ошибки U₂₆ интегрируется в течение всего времени нагрева.

На интервале охлаждения сигнал U₃ ошибки системы (уже отрицательного знака) поступает на вход регулятора 5 охлаждения, который регулирует поток массы охлаждающего воздуха таким образом, что охлаждение диска протекает по заданной программе. Компаратор 38 срабатывает, ключи 30, 34 замыкаются, а ключи 31, 35 размыкаются. В результате этого разность сигналов U₂₆ = U₁₅ - U₂₄ поступает на вход интегратора 32.

В течение второго - восьмого циклов выходной сигнал делителя частоты U₁₉ = 0, входы интеграторов 32 и 33 отключаются ключом 29 от выхода сумматора 26, и в зависимости от знака сигнала ошибки системы подключается к первому входу сумматора 22 интегратор 32 или 33.

На интервале нагрева (U₃₈ = 0) первый вход сумматора 2 соединен ключом 35 с выходом интегратора 33, выходной сигнал которого пропорционален сигналу рассогласования U₂₆ между выходными сигналами датчика 12 температуры и имитатора 20, измеренному на интервале нагрева во времени первого цикла.

На интервале охлаждения диска (U₃₈ = 1) первый вход сумматора 22 ключом 34 подключается к выходу интегратора 32, выходной сигнал которого пропорционален сигналу рассогласования U₂₆, измеренному во время первого цикла на интервале охлаждения. В результате этого постоянная величина времени Т₂₀ (I) становится равной постоянной времени Т_д, а выходные сигналы датчика температуры и имитатора будут равны.

На втором-восьмом циклах по команде делителя частоты (U₁₉ = 0) скользящий контакт токосъемного устройства датчика температуры разрывается и обратная связь замыкается (ключ 15 разомкнут, а ключ 16 замкнут) по выходному сигналу имитатора 20.

На девятом цикле по команде делителя частоты (U₁₉ = 1) скользящий контакт токосъемного устройства вновь замыкается и обратная связь системы переключается (ключ 15 замыкается, а ключ 16 размыкается) с выхода имитатора 20 к выходу датчика 12 температуры, а отключенный наблюдатель вновь переходит в режим автоматической коррекции, которая осуществляется блоком БНИ 25, и цикл повторяется.

При выходе из строя токосъемного устройства датчика 12 температуры на всех циклах выходной сигнал датчика температуры U₁₅ ≈ 0. Сигнал на выходе компаратора 27 пропадает, и ключ 17 замыкается, в результате чего обратная связь замыкается до конца проведения испытаний по выходному сигналу имитатора 20. (56) Технический отчет ЦИАМ, N 9281, М. ; 1981.

Изобретение относится к турбомашиностроению и позволяет повысить надежность испытаний и предотвратить разрушение диска из-за выхода из строя токосъемного устройства. Измеряют т-ру диска, расход охлаждающего воздуха и мощность нагрева. Формируют по этим параметрам имитирующий сигнал датчика (Д) 12 т-ры при замкнутых скользящих контактах токосъемного устройства. Управляющий сигнал формируют по сигналу Д 12 и по нему же корректируют имитирующий сигнал. Периодически размыкают контакты и формируют управляющий сигнал по сигналу, имитирующему сигнал Д 12. Система содержит программно-задающее устройство 1, регулятор 2 т-ры, контур 6 регулирования мощности индукционных нагревателей, контур 7 регулирования расхода охлаждающего воздуха, диск 11, Д 1 й 2 т-ры, нормирующий преобразователь 14, ключи 15, 16, 17, компаратор 18, делитель 19 частоты, самонастраивающийся имитатор 20 с тремя входами и одним выходом и блок 25 настройки имитатора с двумя сигнальными входами, двумя управляющими входами, одним сигнальным выходом и одним управляющим выходом. Имитатор содержит последовательные сумматор 21, блок 23 умножения, интегратор 24, выход которого является выходом имитатора, и сумматор 22. Блок 25 содержит управляемые ключи 28, 29, 30, 31, 34, 35, 37, сумматоры 26, 36, интеграторы 32, 33 и компараторы 27, 38. При выходе из строя токосъемного устройства обратная связь до конца проведения испытаний замыкается по выходному сигналу имитатора. С этой целью ключ 28 размыкается, а ключ 17 замыкается, т. к. выходной сигнал компаратора-27 при обрыве обратной связи становится равным нулю. Автоматическая настройка имитатора вызвана тем, что величина коэффициента теплоотдачи до проведения экспериментальных исследований м. б. определена с погрешностью, равной 25 - 30% . 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления температурой дисков турбомашины при термоциклических стендовых испытаниях путем индукционного нагрева вращающегося диска и его воздушного охлаждения, измерения температуры диска контактным датчиком, съема сигнала датчика температуры с вращающегося диска через скользящие контакты токосъемного устройства формирования управляющего сигнала и регулирования по этому сигналу мощности нагрева и расхода охлаждающего воздуха, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности испытаний и предотвращения разрушения диска вследствие выхода из строя токосъемного устройства, дополнительно измеряют расход охлаждающего воздуха и мощность нагрева, формируют по этим параметрам сигнал, имитирующий сигнал датчика температуры, при замкнутых скользящих контактах токосъемного устройства управляющий сигнал формируют по сигналу датчика температуры и по нему же корректируют имитирующий сигнал, периодически размыкают скользящие контакты токосъемного устройства, а при разомкнутых контактах управляющий сигнал формируют по сигналу, имитирующему сигнал датчика температуры. 2. Система для управления температурой диска турбомашины при термоциклических стендовых испытаниях, содержащая программно-задающее устройство, соединенный с ним регулятор температуры диска с сумматором, формирующим управляющий сигнал, подключенные к регулятору температуры контур регулирования мощности индукционного нагрева и контур регулирования расхода воздуха с датчиком расхода воздуха, датчик температуры вращающегося диска, выполненный в виде термопары, соединенной токосъемным устройством, и нормализующий преобразователь, выход которого соединен с входом сумматора регулятора температуры, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, она дополнительно содержит имитатор сигнала датчика температуры с тремя входами и одним выходом, блок настройки имитатора с двумя сигнальными входами, двумя управляющими входами, одним сигнальным выходом и одним управляющим выходом, три управляемых ключа и последовательно соединенные компаратор, вход которого соединен с программно-задающим устройством, и делитель частоты, выход которого соединен с управляющими входами первых двух ключей и первым управляющим входом блока настройки имитатора, второй управляющий вход которого соединен с выходом сумматора регулятора температуры, первый сигнальный вход блока настройки имитатора соединен с выходом нормирующего преобразователя, второй сигнальный вход подключен к выходу того же преобразователя через третий ключ, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом блока настройки имитатора, первые два входа последнего соединены с входом контура регулирования мощности индукционного нагрева и выходом датчика расхода воздуха, третий вход - с сигнальным выходом блока настройки имитатора, а выход имитатора подключен к второму сигнальному входу блока настройки имитатора и через второй ключ к входу сумматора регулятора температуры, а через первый ключ соединены датчик температуры и нормализующий преобразователь. 3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что имитатор сигнала датчика температуры содержит последовательно соединенные первый сумматор, блок умножения и интегратор, выход которого является выходом имитатора, и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом блока умножения, первый вход первого сумматора является первым входом имитатора, а второй его вход соединен с выходом интегратора, входы второго сумматора являются вторым и третьим входами имитатора. 4. Система по пп. 2 и 3, отличающаяся тем, что блок настройки имитатора содержит семь управляемых ключей, два сумматора, два интегратора и два компаратора, входы первых компаратора и сумматора объединены и являются первым сигнальным входом блока настройки имитатора, второй вход первого сумматора является вторым сигнальным входом блока настройки имитатора, первый сумматор, первый, второй и третий ключи, первый интегратор, пятый ключ, второй сумматор и седьмой ключ соединены последовательно, выход седьмого ключа является сигнальным выходом блока настройки имитатора, управляющие входы второго и седьмого ключей объединены и являются первым управляющим входом блока настройки имитатора, четвертый ключ, второй интегратор и шестой ключ соединены последовательно и выход последнего подключен к второму входу второго сумматора, выход первого компаратора подключен к управляющему входу первого ключа и является одновременно управляющим выходом блока и настройки имитатора, вход второго компаратора является вторым управляющим входом блока настройки имитатора, а его выход подключен к управляющим входам третьего - шестого ключей.