close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Тема 49. Поэтический мир Ивана Бунина;pdf

код для вставкиСкачать
6928
УДК 681.518.3
ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ
ЗАЗОРОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ
УСЛОВИЯХ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ
ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
И ИХ РЕШЕНИЕ НА ОСНОВЕ
ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОВИТКОВЫХ
ВИХРЕТОКОВЫХ ДАТЧИКОВ
С.Ю. Боровик
Институт проблем управления сложными системами Российской академии наук
Россия, 443020, Самара, Садовая ул., 61
E-mail: [email protected]
Ю.Н. Секисов
Институт проблем управления сложными системами Российской академии наук
Россия, 443020, Самара, Садовая ул., 61
E-mail: [email protected]
О.П. Скобелев
Институт проблем управления сложными системами Российской академии наук
Россия, 443020, Самара, Садовая ул., 61
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, проточная часть, компрессор, турбина,
торцы лопаток, координаты смещений, радиальный зазор, одновитковый вихретоковый
датчик, методы и средства измерения
Аннотация: Рассматриваются проблемы, связанные с условиями измерения радиальных
зазоров между торцами лопаток рабочего колеса и статором, а также связанные с конструктивными ограничениями со стороны объекта измерения. Приводятся описания существующих методов и средств измерения, обеспечивающих решение обозначенных проблем, и сведения об истории и перспективах их развития
1. Введение
По публикациям [1, 2] известно, что в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию газотурбинных двигателей (ГТД) нового поколения, системы управления которого функционируют на основе текущей измерительной информации о радиальных зазорах (РЗ) между торцами лопаток рабочего колеса и статором в компрессоре
и турбине, причем основные преимущества нового поколения ГТД связаны с более высокими показателями надежности и экономичности. Отмечаются также и проблемы,
которые на сегодняшний день (по мнению авторов публикации [2]) не имеют приемлеXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
6929
мых решений. В частности выделяется проблема получения достоверной информации о
РЗ в крайне тяжелых и даже экстремальных условиях в проточной части ГТД.
Между тем еще два десятилетия назад в Институте проблем управления сложными
системами Российской академии наук (ИПУСС РАН) в сотрудничестве с ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова» (ныне ОАО «Кузнецов») были
разработаны одновитковые вихретоковые датчики (ОВТД) с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника и на их основе построены первые образцы компьютеризированных систем измерения РЗ. Системы использовались в процессе стендовых испытаний ГТД для изучения поведения РЗ на различных режимах и представляли
разработчикам двигателей документированные данные о РЗ по каждой лопатке рабочего колеса контролируемой ступени компрессора. В процессе испытаний были подтверждены работоспособность, метрологическая состоятельность и надежность систем
(суммарная наработка составляла сотни часов) [3].
В течение всего последующего периода продолжались работы, связанные с совершенствованием существующих и созданием новых систем измерения с использованием
ОВТД. За этот период были опубликованы несколько обзорных статей, в которых осуществлялась систематизация методов и средств измерения РЗ в соответствии с традиционным подходом на основе тех или иных отличительных признаков, относящихся,
например, к приемам и последовательности операций (в методах), механическим и
электрическим конфигурациям (в датчиках) и т.п.[3-8].
Настоящая статья также является обзорной, но существующие методы и средства
измерения РЗ с применением ОВТД, некоторые сведения из истории и перспективах их
развития освещаются на основе принципиально иного подхода, который акцентирует
внимание, в первую очередь, на проблемах, связанных с различными мешающими факторами, затрудняющими реализацию методов и создание работоспособных и эффективных средств измерения РЗ. При этом решением каждой из обозначенных проблем
является либо сам метод или его реализация, либо их совокупность, а содержательная
часть статьи включает два раздела: в первом рассматривается проблема измерения РЗ в
экстремальных условиях проточной части ГТД и ее решение с помощью ОВТД с ЧЭ в
виде отрезка проводника, а также преобразователя его индуктивности; во втором разделе – проблема, связанная с конструктивными ограничениями со стороны объекта измерения и ее решение на основе разработанных методов и реализующих эти методы
систем измерения.
2. Экстремальные условия измерения РЗ.
ОВТД и преобразование его выходного параметра
Измерения РЗ производятся непосредственно в проточной части газовоздушного
тракта компрессора и турбины в ограниченном пространстве, которое, как правило, определяется диаметром установочного отверстия в статорной оболочке, составляющего
8-10 мм и предназначенного для размещения ЧЭ датчика.
Если учесть, что линейная скорость движения торцов лопаток может превышать
скорость звука, то время прохождения каждой лопаткой рабочего колеса ЧЭ, а, следовательно, время измерения РЗ по каждой лопатке может оказаться очень малым и будет
исчисляться единицами микросекунд. При этом измерения РЗ производятся в условиях
повышенной температуры - более 500оС в компрессоре и свыше 1000оС в турбине, сопровождаются высоким уровнем вибраций и загрязненностью газовоздушного тракта.
Все перечисленные условия действительно и без каких либо преувеличений являются крайне тяжелыми и даже экстремальными, а потому и измерение РЗ в таких услоXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
6930
виях (и это отмечалось во Введении) можно считать одной из наиболее значимых проблем, решение которой стало возможным благодаря применению ОВТД. Работоспособность и приемлемая точность обеспечивается, прежде всего, за счет простейшей
конструкции ЧЭ, представляющего собой отрезок проводника прямоугольного сечения,
выполненного из тех же сортов нержавеющей стали, что и лопатки (рис. 1). «Безындуктивные» тоководы (ТВ), выполненные из того же материала, в виде двух коаксиальных
цилиндров проходят через установочное отверстие и соединяют ЧЭ с согласующим
трансформатором (СТ), расположенным с внешней стороны статорной оболочки. При
этом внешний и внутренний ТВ разделяет тонкий слой изоляционного покрытия на
внутреннем ТВ. Первичная обмотка СТ размещена на ферритовом сердечнике, а его
«вторичная обмотка» представляет собой объемный виток, электрически связанный с
ТВ1.
В торцевой части внутреннего ТВ поблизости к ЧЭ размещен горячий спай термопары (ТП), контролирующей изменения температуры ЧЭ и предназначенной для использования в канале термокоррекции системы измерения РЗ (вывод проводов ТП
осуществляется через осевое отверстие внутреннего ТВ2).
В перспективе планируется разработка и создание ОВТД с элементами конструкций, изготовленными на высокотемпературной керамике с электропроводными и изолирующими покрытиями для ЧЭ и ТВ [9].
Схематическое изображение ОВТД (его электрическая конфигурация) и результаты
электромагнитного взаимодействия ЧЭ с торцевой частью лопатки, находящейся на
расстоянии РЗ от ЧЭ, представлены на рис. 2.
E
E
Объемный
виток
Наружный ТВ
i
Первичная
обмотка СТ
СТ
iЧЭ, iл
iл
ЧЭ
ЧЭ
t
iЧЭ
iЧЭ
Внутренний ТВ
t
РЗ
Горячий
спай ТП
Lэ
Lчэ
iл
РЗ
РЗ0
0<РЗ<
LЭ0
а)
Рис. 1. Механическая
конфигурация ОВТД.
t
б)
Рис. 2.
Электрическая
конфигурация
ОВТД (а) и временные диаграммы токов и
эквивалентной индуктивности ЧЭ (б).
1
Существует несколько вариантов СТ, которые отличаются допустимыми температурами ферритовых
сердечников – близкими к номинальным и повышенными до 400оС (точка Кюри), рассчитанными на
применение в турбинах, где температура в зоне размещения СТ вне статорной оболочки (под кожухом)
может существенно превышать нормальную (также известен высокотемпературный вариант «воздушного СТ» с керамическим сердечником) [9].
2
Для повышения точности измерения температуры ЧЭ в ОВТД может быть встроена дополнительная
ТП, горячий спай которой размещается поблизости от СТ. Описание алгоритма обработки данных обеих
ТП приведено в работах [10, 11].
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
6931
Предполагается, что СТ не искажает передний фронт напряжения питания прямоугольной формы, которое в контуре ЧЭ возбуждает ток iЧЭ. Если лопатка находится на
большом расстоянии от ЧЭ (РЗ), а влияние вихревых токов в самом ЧЭ, связанных
с магнитным полем, вызванным током iЧЭ, можно пренебречь, то ток iЧЭ определяется
только индуктивностью LЧЭ и омическим сопротивлением rЧЭ, причем изменения iЧЭ во
времени будут иметь экспоненциально нарастающий характер (рис. 2, б, пунктирная
линия). С приближением торца лопатки (РЗ0) под действием магнитного поля (тока
iЧЭ), в лопатке появляются вихревые токи, а в имитирующем лопатку контуре – ток iл,
также изменяющийся во времени. Этот ток (iл(t)) влияет на результирующее магнитное
поле, что приводит к изменениям формы тока iЧЭ(t) и его отклонениям от экспоненциальной зависимости (рис. 2, б, сплошная линия). Такие отклонения можно интерпретировать как влияние переменной во времени эквивалентной индуктивности LЭ(t), непостоянство которой в переходном режиме объясняется влиянием вихревых токов iл. В
работе [3] показано, что в начале переходного процесса при t0 эквивалентная индук

i 
тивность минимальна  LЭ  LЭ 0  lim  LЧЭ  M л  , где M – взаимная индуктивность
t 0 
iЧЭ 

контуров токов iЧЭ и iл), и зависит от РЗ. При t вихревые токи затухают (iл=0), индуктивность LЭ возрастает и стремится к LЧЭ (рис. 2, б). Очевидно, что начало переходного процесса характеризуется наибольшей чувствительностью индуктивности LЭ0 к
изменениям РЗ, и в этой связи момент времени t=0 наиболее привлекателен для последующих преобразований3.
Поэтому для преобразования изменений эквивалентной индуктивности ЧЭ (LЭ)
следует использовать так называемый метод первой производной (ПП) [3], который
предусматривает фиксацию производной тока i в первичной обмотке СТ в момент времени t0. При этом предполагается, что индуктивность первичной обмотки L  n 2 LЭ ,
где n – коэффициент трансформации СТ ( n  w1 w , w1 и w2 – число витков, причем
2
w2=1), а ее омическое сопротивление – R [3].
Если не учитывать собственную емкость первичной обмотки СТ, то переходный
процесс в ее цепи при импульсном питании E с учетом изменяющейся во времени LЭ(t),
а, следовательно, и L(t), описывается уравнением
L(t )
di

 dL(t )
i
 R  E .
dt

 dt
Производная тока в момент появления напряжения E может быть найдена без решения
уравнения, так как i=0 при t=0 и, следовательно,
di
E
, где L(0) – индуктивность

dt t  0 L(0)
при t=0 ( L(0)  w12 LЭ 0 ). Это означает, что производная тока не зависит от сопротивления
R и определяется мгновенным значением индуктивности.
Таким образом, метод ПП обеспечивает минимальное время преобразования, максимальную чувствительность к РЗ в момент времени t=0 и повышение точности за счет
исключения влияния изменений R.
Обращаясь далее к истории измерительных цепей (ИЦ), построенных на основе метода ПП, следует отметить, что его реализация начиналась с дифференциальных цепей
в виде мота Блумлейна, в два смежных плеча которого включались рабочий и компен3
Аналогичные результаты получены на численных моделях электромагнитного взаимодействия идеализированного ЧЭ с имитатором лопатки в виде плоской прямоугольной пластины и даже с имитатором
сложной формы, соответствующей реально существующим лопаткам с учетом их геометрических и
электрофизических параметров [12-14].
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
6932
сационный ОВТД4, а в остальные плечи – две катушки с тесной магнитной связью. Это
обеспечивало практически нулевое входное сопротивление для токов в датчиках при
подаче в диагональ питания прямоугольного импульсного напряжения, а также получение в другой диагонали напряжения, соответствующего производной разности токов,
протекающих через датчики. При этом производная в момент подачи питания определяется изменениями индуктивности рабочего ОВТД. Разумеется, паразитные параметры ИЦ, в частности, собственные емкости ОВТД и катушек, сдвигают фиксируемый
максимум производной к моменту времени tm>0, но время tm составляло при этом всего
единицы процента от постоянной времени ОВТД (а, следовательно, и постоянной времени ИЦ).
Очевидный недостаток моста Блумлейна – это наличие моточных элементов, т.е.
катушек, выполняющих операцию дифференцирования токов. Этот недостаток устранялся в дифференциальной ИЦ, в которой вместо катушек включены резисторы, а разностное напряжение с них, пропорциональное разности токов в рабочем и компенсационном ОВТД, подается на операционный усилитель (ОУ) в режиме дифференцирования. При этом максимум выходного напряжения ОУ (в момент tm), как и в ИЦ с мостом
Блумлейна, фиксируется в запоминающем устройстве (ЗУ). Однако резисторы, включенные последовательно с первичной обмоткой СТ датчиков, уменьшают постоянную
времени входной части ИЦ и увеличивают процентное отношение tm к постоянной времени, что, в принципе, противоречит основному положению метода ПП об измерении в
начале переходного процесса.
Поэтому на сегодняшний день наиболее приемлемой и перспективной представляется ИЦ, получившая в работе [7] название «электронного аналога моста Блумлейна»
(рис. 3, а). В рабочей и компенсационной ветвях входной части ИЦ вместо таких резисторов включены преобразователи «ток-напряжение» (ПТН) на ОУ. Разностное напряжение (с выходов ПТН1 и ПТН2) усиливается масштабирующим усилителем (МУс) с
дифференциальными входами, а напряжение на его выходе (UМ) фиксируется через короткий интервал времени, равный длительности импульса питания (t) либо в ЗУ для
последующего аналого-цифрового преобразования (АЦП), либо подается непосредственно на вход микросхемы АЦП, обеспечивающей преобразование амплитудного значения напряжения (UМ) в код (C) [15].
E
i
ОВТД1
U1
E
ЗУ
U
МУс
ПТН
ОВТД2
UM
i
ПТН
i2
U2
АЦП
C
U1
U2
U
t
U1-U2
t
а)
t
t
U
U
i1
i1
i2
t
б)
в)
Рис. 3. Структура ИЦ (а), временные диаграммы (б) и внешний вид преобразователя (в).
Необходимо подчеркнуть, что разностное напряжение с выходов ПТН (ΔU) за время t является результатом приближенного дифференцирования U t , которое соот-

4

ЧЭ компенсационного ОВТД также находится в газовоздушном тракте в одинаковых температурных
условиях с ЧЭ рабочего датчика, но в момент измерения РЗ торцы лопаток находятся вне зоны его чувствительности (между лопатками).
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
6933
ветствует изменениям тока (Δi) в рабочем ОВТД за то же время, т.е. приближенному
значению производной тока i t (рис. 3, б). В конечном счете, напряжение U на вы-
 
ходе ЗУ, как и цифровой код C на выходе АЦП, будут в соответствии с методом ПП
определяться изменениями эквивалентной индуктивности ЧЭ в начальной области переходного процесса (обычно t составляет менее 0.2 мкс).
Рассматриваемая ИЦ является основой преобразователя (рис. 3, в), встроенного в
линию связи с рабочим и компенсационным ОВТД (датчики изготовлены в производственных условиях с применением современных технологий).
В ближайшей перспективе планируется разработка и создание преобразователя, в
котором предполагается использование микросхемы АЦП повышенной разрядности
(до 18) с дифференциальными входами, подключаемыми непосредственно к выходам
ПТН.
3. Конструктивные ограничения. Кластерные методы
и их реализация в системах измерения
На начальном этапе применения ОВТД в составе технических средств систем измерения РЗ предполагалось, что изменения РЗ вызывают упругие и температурные деформации лопаточного колеса только в одном (радиальном) направлении, а изгибные и
угловые деформации пера лопаток, а также осевые смещения колеса отсутствуют. Поэтому было достаточно двух установочных отверстий в статорной оболочке для рабочего и компенсационного ОВТД, включенных в дифференциальную ИЦ преобразователя.
Вместе с тем в реальных условиях торцы лопаток совершают сложное движение и
смещение в радиальном направлении, от которого зависят РЗ, является лишь одной из
координат в системе отсчета OXYZ, где РЗ соответствует координата y (точка M) (рис.
4). Для получения достоверных данных о РЗ с помощью ОВТД необходима информация о всех координатных составляющих, т.е. многомерная информация, и ее обеспечивают методы, предусматривающие использование кластеров ОВТД (групп одинаковых
датчиков), ЧЭ которых определенным образом ориентированы относительно торца лопатки, а число датчиков в составе кластера соответствует числу искомых координат
смещений (такие методы получили название «кластерных»5) [3].
Один из вариантов кластерных методов предусматривает сосредоточение ОВТД в
непосредственной близости к точке наблюдения (точка O – начало отсчета и геометрический центр (г.ц.) сосредоточенного кластера (СК) ОВТД). СК содержит два датчика,
предназначенных для измерения смещений торцов лопаток в осевом (x) и радиальном
(y) направлениях (рис. 5, а).
Однако необходимость выполнения даже двух установочных отверстий в статорной оболочке, сосредоточенных на сравнительно небольшой площади, вызывает негативную реакцию со стороны разработчиков двигателя, которая усиливается с увеличением числа искомых координат и соответствующего числа ОВТД в составе СК (тем более в связи с увеличением установочных отверстий вдвое за счет использования дополнительных ОВТД для компенсации температурных воздействий (на рис. 5, а ЧЭ ОВТД,
выполняющего рабочие функции, обозначены ЧЭ-Р, компенсационные – ЧЭ-К)).
5
Применение кластерных методов приобретает особую значимость в диагностике опасных состояний
ГТД (например, помпажа) и, разумеется, в процессе экспериментальных исследований на этапе разработки ГТД.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
6934
nл
Статор
nл-1
x
O
y, РЗ
M
M
X
Y
y1
ЧЭ2-К
ЧЭ1-Р
O
O
ЧЭ1-К
Колесо ротора
Лопатка

Z
Торец
лопатки 1
Торец
лопатки 1
Z
2
Z
ЧЭ1-К
ЧЭ2-К
O
X
z
X
nл
Торцы
лопаток
M
O
ЧЭ2-Р
O
X
X
ЧЭ2-Р
Замок
Z
Z
Z
M
ЧЭ1-Р
Колесо
ротора
x
X
3
Этап 1
а)
Рис. 4. Смещения торца
лопатки в системе отсчета OXYZ.
O
X
Этап 2
б)
Рис. 5. Размещение датчиков в СК (а) и
РК (б).
Устранить избыточное сосредоточение датчиков и установочных отверстий при
уменьшении их числа позволяет вариант, предусматривающий использование распределенного кластера (РК) ОВТД.
На рис. 5, б представлено размещение РК из двух ОВТД, предназначенных для измерения тех же двух координат (x, y). ЧЭ1 занимает прежнее положение (что и в СК), а
ЧЭ2 эквидистантно смещен на угол 1.5л, где л – угловой шаг установки лопаток на
рабочем колесе (ему соответствует смещение г.ц. и начала системы отсчета на расстояние OO). Измерение x,y-координат происходит в два этапа. На этапе 1, когда замок лопатки 1 проходит г.ц. (точку O), ЧЭ1 выполняет рабочие функции (ЧЭ1-Р), а ЧЭ2 - компенсационные (ЧЭ2-К). На этапе 2, когда замок лопатки проходит точку O, ЧЭ1 напротив, выполняет компенсационные функции (ЧЭ1-К), а ЧЭ2 – рабочие (ЧЭ2-Р).
При этом один из возможных способов фиксации информативных значений индуктивностей ЧЭ ОВТД в обоих вариантах кластерных методов предусматривает предварительное измерение периода вращения рабочего колеса, расчет моментов прохождения замком каждой лопатки г.ц., т.е. точки O начала системы отсчета в СК ОВТД (рис.
5, а) или точек O и O в РК ОВТД (рис. 5, б), которые вычисляются по измеренному периоду и известному числу лопаток, а также получение цифровых кодов в эти моменты
времени, соответствующих информативным значениям индуктивностей ЧЭ ОВТД.
Следует отметить, что реализация этого способа связана с серьезными организационными и техническими трудностями создания измерительных каналов периода вращения каждой из контролируемых ступеней компрессора или турбины с дополнительным синхросигналом начала периода6.
Второй способ ориентирован только на РК ОВТД и отличается от первого фиксацией минимальных значений индуктивностей при прохождении выбранной лопаткой в
зоне чувствительности ЧЭ-Р, причем необходимость в измерении периода вращения и
последующих связанных с ним операций отпадает. Поскольку оба ОВТД включают в
дифференциальную ИЦ (рис.3, а), то минимальным значениям индуктивности соответствуют экстремальные (min и max) значения кодов C1 и C2. На основе этих значений, а
6
В значительной степени технические трудности устраняются при использовании в качестве датчиков
скорости вращения (периода) и синхросигналов ОВТД [16].
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
6935
также градуировочных характеристик, полученных экспериментально (C1(x, y) и C2(x,
y)) составляется система уравнений (C1=C1(x, y) и C2=C2(x, y)), решением которой являются искомые координаты x и y.
И, наконец, в тех случаях, когда число разрешенных установочных отверстий в
статорной оболочке меньше числа искомых координат и соответствующего им числа
ОВТД в составе кластера, представляется возможным применение неполного кластера
ОВТД, а «неизмеряемые» координаты вычисляются с помощью специально разработанных моделей поведения лопаток в реальном времени с учетом текущих параметров
режима и окружающей среды [17, 18]7.
Кроме того, завершая краткий обзор кластерных методов, следует отметить, что в
перспективных разработках турбин применяются лопатки сложной формы с повышенной кривизной поверхностей пера и выступами в торцевой части (сечение плоскостью,
перпендикулярной оси одного из возможных конструктивных вариантов турбинной
лопатки, имеет резко выраженную «серповидную» форму, а сечение плоскостью, параллельной ее оси, в торцевой части – «U-образную» форму). Такая форма лопаток является дополнительным конструктивным ограничением и мешающим фактором, препятствующим применению существующих кластерных методов и одновременно весомым основанием к разработке новых более перспективных их разновидностей, предназначенных для использования в этом направлении. В частности, в предлагаемых кластерных методах измерения радиальных и осевых смещений торцов турбинных лопаток сложной формы также предусмотрены РК ОВТД, но они отличаются размещением
ЧЭ на статоре и углом разворота ЧЭ относительно направления вращения лопаточного
колеса, что позволяет использовать минимальные значения индуктивности ЧЭ в качестве информативного параметра [8].
На рис. 6 представлена обобщенная структурно-функциональная схема системы,
реализующей возможные разновидности кластерных методов измерения координат
смещения торцов лопаток, в том числе и РЗ.
Кластеры
ОВТД
1
ТП
Преобразование индуктивностей
ОВТД в напряжение и цифровой код
Предварительная
обработка
Управление
Вычисление физических
значений искомых
координат (в т.ч. РЗ),
моделирование
неизмеряемых координат,
термокоррекция
…
n
ДСВ
ТП
Нормализация
и преобразование
в цифровой код
Вычисление
температуры ЧЭ ОВТД
Формирование сигналов
и преобразование периода
в цифровой код
Вычисление
скорости вращения
(периода)
Рис. 6. Обобщенная структурно-функциональная схема систем измерения.
После преобразования индуктивностей ЧЭ ОВТД в напряжение и код производится
предварительная обработка, включающая отбраковку и сжатие данных, а также выделение информативных значений кодов (в соответствии с рассмотренными вариантами
методов).
Сигналы ТП, встроенных в ОВТД, нормализуются, преобразуются в код и далее
после вычисления температуры используются для термокоррекции, а сигналы датчиков
скорости вращения (ДСВ) после формирования, преобразования периода вращения в
7
Модель изгиба лопасти винтовентилятора позволила уменьшить число установочных отверстий (и датчиков) при измерении РЗ между торцами лопастей и статорной оболочкой [19].
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
6936
код и расчета в единицах времени и скорости, используются для управления предварительной обработкой (получения информативных значений кодов) и моделирования
«неизмеряемых» координат в соответствии с реализуемыми разновидностями кластерных методов.
Конкретное воплощение структурно-функциональной схемы зависит от решаемых
задач. В частности при испытаниях полноразмерных ГТД и исследованиях на нескольких ступенях компрессора или турбины предпочтительно использование магистральномодульных систем. Примером тому является 16-ти канальная система измерения радиальных и осевых смещений торцов лопаток, которая имеет два уровня, обеспечивающих последовательно-параллельную обработку измерительной информации. Нижний
уровень содержит средства сбора и обработки измерительной информации (измерительные и микропроцессорные модули, размещенные в Еврокрейте 3U). Модули объединены в четыре микропроцессорные станции, каждая из которых обеспечивает управление сбором и преобразованиями сигналов с четырех рабочих ОВТД, установленных
на одной из ступеней компрессора или турбины. Общее управление системой, обработка измерительной информации, ее регистрация и оперативное отображение осуществляется на верхнем уровне в ПЭВМ [20].
Если исследования ведутся на одной ступени (или узле) с небольшим объемом информации, то возможно применение стандартных выносных модулей или встраиваемых в ПЭВМ плат (платы PCL-712 (фирма Advantech), L-783 (фирма LCard), модули
E14-440, E20-10 (фирма LCard) и др.) Предполагается, что в этом случае нестандартные
преобразователи индуктивностей ОВТД встроены в линии связи от датчиков до плат
(модулей) [3, 4].
Метрологические исследования измерительных каналов с ОВТД показали, что систематическая составляющая основной погрешности измерения РЗ в диапазоне от 0 до 3
мм не превышает 3%, а случайная составляющая – не более 1%.
4. Заключение
Проведен анализ проблем, связанных с тяжелыми и экстремальными условиями
измерения координат смещений (включая РЗ) торцов лопаток рабочего колеса компрессора и турбины ГТД, и конструктивными ограничениями со стороны объекта измерения.
Предложены пути решения указанных проблем с помощью разработанных ОВТД с
ЧЭ в виде отрезка проводника и преобразователя его индуктивности, а также кластерных методов и систем измерения, реализующих эти методы.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
Боровик С.Ю., Данильченко В.П., Секисов Ю.Н. Активное регулирование радиальных зазоров в проточной части ГТД (обзор зарубежных публикаций) // Газотурбинные технологии. 2011. № 2. C. 3640.
Simon D., Sanjay G., Hunter G., Ten-Huei G., Semega K. Sensor Needs for Control and Health Management of Intelligent Aircraft Engines // NASA TM-2004-213202 ARL-TR-3251 GT2004-54324. 2004. 16 p.
Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. Самара: Изд-во СамНЦ РАН, 2001. 188 с.
Кластерные методы и средства измерения деформаций статора и координат смещений торцов лопаток и лопастей в газотурбинных двигателях / Под общ. ред. Скобелева О.П. М.: Машиностроение,
2011. 298 с.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
6937
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Беленький Л.Б., Боровик С.Ю., Скобелев О.П. Методы и средства измерения радиальных зазоров,
координат смещений торцов лопаток и лопастей, а также деформаций статорных оболочек. История,
современное состояние и перспективы развития // Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Труды XI международной конференции. Самара: СамНЦ РАН, 2009. С. 332-334.
Беленький Л.Б., Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Одновитковые вихретоковые датчики: от
кластерных композиций к кластерным конструкциям // Проблемы управления и моделирования в
сложных системах. Труды VI международной конференции. Самара: СамНЦ РАН, 2004. С. 437-443.
Беленький Л.Б., Скобелев О.П. Электронный аналог измерительной цепи в виде моста Блумлейна с
одновитковыми вихретоковыми датчиками // Проблемы управления и моделирования в сложных
системах. Труды XIII международной конференции. Самара: СамНЦ РАН, 2011. С. 300-304.
Боровик С.Ю., Кутейникова М.М., Райков Б.К., Секисов О.П., Скобелев О.П. Измерение радиальных
зазоров между статором турбины и торцами лопаток сложной формы с помощью одновитковых вихретоковых датчиков // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 10. С. 38-46.
Кутейникова М.М., Райков Б.К., Скобелев О.П. Конструктивные разновидности высокотемпературных одновитковых вихретоковых датчиков // Проблемы управления и моделирования в сложных
системах. Труды XIV международной конференции. Самара: СамНЦ РАН, 2012. С. 595-601.
Боровик С.Ю., Кутейникова М.М., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Погрешность измерения температуры чувствительного элемента одновиткового вихретокового датчика в каналах термокоррекции
системы сбора информации о многокоординатных смещениях торцов лопаток и метод ее уменьшения // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». 2012. №3 (35). С. 43-48.
Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Динамические температурные погрешности в каналах
термокоррекции семейств градуировочных характеристик системы измерения с кластерами одновитковых вихретоковых датчиков // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 12. С. 62-64.
Боровик С.Ю., Маринина Ю.В., Секисов Ю.Н. Модель кластерного одновиткового вихретокового
датчика на основе метода конечных элементов // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки».
2007. № 1 (19). С. 76-83.
Кутейникова М.М., Секисов Ю.Н. Модели электромагнитного взаимодействия чувствительных элементов одновитковых вихретоковых датчиков и лопаток. Состояние и развитие // Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Труды XIV международной конференции. Самара:
СамНЦ РАН, 2012. С. 589-594.
Кутейников М.М., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Модель электромагнитного взаимодействия чувствительного элемента одновиткового вихретокового датчика с торцом лопатки сложной формы //
Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Труды XV международной конференции. Самара: СамНЦ РАН, 2013. С. 627-635.
Беленький Л.Б., Скобелев О.П. Измерительная цепь с одновитковыми вихретоковыми датчиками и
приближенным дифференцированием // Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Труды XIV международной конференции. Самара: СамНЦ РАН, 2012. С. 602-606.
Белопухов В.Н., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Система измерения скорости вращения ротора ГТД на
основе одновитковых вихретоковых датчиков // Проблемы управления и моделирования в сложных
системах. Труды XIII международной конференции. Самара: СамНЦ РАН, 2011. С. 311-315.
Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Обобщенное представление методов получения измерительной информации о координатах смещений торцов лопаток и лопастей // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 3. С. 19-24.
Боровик С.Ю., Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Тулупова В.В. Метод измерения радиальных смещений лопастей винтовентилятора с использованием каналов физической и виртуальной
коррекции // Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Труды V международной
конференции. Самара: СамНЦ РАН, 2003. С. 512-520.
Боровик С.Ю., Райков Б.К., Тулупова В.В. Система измерения радиальных смещений торцов лопастей винтовентилятора // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. № 7. С. 35-40.
Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Тулупова В.В. Измерение и вычисление координатных
составляющих многомерных перемещений торцов лопаток в процессе вращения ротора // Автометрия. 2001. № 2. С. 103-111.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа