способ измерения радиальных зазоров и обнаружения колебаний лопаток ротора турбомашины

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 _р - период вращения ротора, ₀ - 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 _р. На этапе 2 рассчитывается шаг дискретизации импульсов опроса преобразователей _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> _О. На каждом обороте ротора пакет импульсов смещается относительно предыдущего на шаг дискретизации _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(qq _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 (C ₂) 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. k	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
1	97	95	85	96	106	81	102	77	87	98	64	90	105	116	92	79	64	99	105	95	77
2	97	96	96	94	118	90	107	85	86	96	67	89	116	133	94	86	73	107	107	106	83
3	104	97	115	104	136	105	122	105	90	99	81	98	123	148	114	98	78	118	108	118	95
4	133	120	155	121	166	124	153	143	101	117	100	105	143	179	155	124	107	150	126	158	124
5	169	145	206	153	215	161	199	200	133	145	144	130	188	235	200	170	145	181	147	202	167
6	220	193	261	200	270	202	245	242	172	181	192	166	234	288	243	218	188	230	182	262	217
7	285	244	328	251	364	252	303	322	223	222	244	217	288	386	301	273	248	289	223	336	272
8	366	299	412	315	480	332	428	425	283	281	300	275	394	491	422	363	321	394	280	428	369
9	463	426	488	436	581	445	499	490	361	373	416	361	492	576	482	440	414	477	379	499	476
10	544	516	515	520	618	542	543	539	474	484	489	451	567	606	527	507	495	552	484	530	525
11	569	566	497	545	611	596	540	535	523	534	528	521	601	590	517	517	518	577	558	512	552
12	533	571	450	534	552	607	497	486	530	544	529	549	581	525	474	480	500	554	597	453	517
13	454	521	354	467	460	558	419	402	489	508	476	523	525	435	395	417	445	486	588	361	426
14	364	439	249	380	361	469	297	286	411	426	410	453	430	332	277	292	347	393	513	261	326
15	245	349	212	286	236	378	223	215	309	331	305	372	316	233	210	222	241	296	441	212	226
16	189	228	163	209	192	260	179	170	223	234	213	249	226	194	169	179	189	213	317	162	179
17	157	187	124	169	149	195	128	124	183	187	172	205	184	152	124	129	144	165	227	129	137
18	108	141	90	125	116	158	95	91	134	147	128	163	145	118	86	103	98	115	180	101	99
19	75	98	73	96	87	108	66	73	96	99	89	116	103	101	63	73	69	75	123	87	77
20	69	73	61	74	69	83	45	61	79	81	75	86	80	83	51	64	51	54	89	74	66
21	58	77	53	63	53	61	32	45	71	65	62	69	67	70	47	60	47	47	67	70

Таблица 2 Результаты аналого-цифрового преобразования выходного сигнала преобразователя для режима, сопровождающегося колебаниями лопаток
№ лопат. k	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
1	27	27	27	27	27	28	30	28	104	172	281	444	411	300	107	169	27	28	27	27	27
2	27	27	28	27	27	27	27	69	165	295	412	448	250	453	28	28	27	27	28	27	27
3	28	28	27	28	28	27	32	136	249	390	459	380	144	29	27	27	28	27	27	27	27
4	27	27	28	28	28	27	27	169	353	452	449	223	28	27	27	27	27	27	27	27	27
5	29	27	28	27	28	27	28	229	416	471	376	119	27	28	28	27	27	27	32	28	146
6	28	28	27	27	28	28	44	299	463	439	231	29	27	28	27	28	27	28	27	143	447
7	29	27	28	27	27	32	79	382	487	379	161	28	27	28	28	27	27	64	53	426	417
8	28	28	27	27	28	28	123	432	471	250	59	27	27	27	28	28	27	269	268	446	136
9	28	27	27	29	28	27	148	474	433	184	28	27	26	27	28	27	141	501	457	195	28
10	33	27	28	28	27	27	170	505	358	115	28	27	27	28	28	27	361	489	335	27	27
11	97	27	28	27	27	28	195	520	277	37	27	27	28	27	28	71	503	229	100	28	28
12	150	28	27	27	27	27	259	522	213	27	27	27	27	27	48	235	417	52	28	32	27
13	211	32	27	28	29	29	290	506	170	28	27	28	27	32	182	421	202	28	30	29	27
14	267	28	27	27	27	27	355	468	101	27	32	28	28	46	389	449	50	26	28	27	27
15	356	28	28	27	27	27	385	417	49	28	28	27	28	170	466	279	28	27	27	27	55
16	429	27	28	27	28	28	417	364	28	27	27	27	27	358	380	118	27	28	27	27	331
17	465	38	28	27	27	28	441	296	27	27	27	27	44	460	204	28	29	27	28	99	533
18	492	91	28	27	28	27	461	230	28	27	28	30	155	450	59	27	28	27	164	346	347
19	485	131	27	28	28	28	482	189	28	28	27	28	281	301	30	28	26	28	412	487	91
20	455	169	27	27	27	28	488	157	28	27	27	27	414	161	27	28	30	90	445	279	28
21	411	200	28	27	27	29	486	117	27	27	27	45	454	35	27	27	28	295	221	56	27