Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ КРУТИЛЬНЫХ И ИЗГИБНЫХ СМЕЩЕНИЙ ТОРЦОВ ЛОПАТОК РАБОЧЕГО КОЛЕСА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ СРЫВНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного обнаружения крутильных и изгибных смещений торцов лопаток рабочего колеса осевого компрессора при исследовании в нем срывных явлений, например срывного флаттера.

Способ позволяет обнаруживать смещение торцов лопаток относительно квазистатического, регулярно повторяющегося его положения, предписанного принципом действия осевого компрессора при аналогичных параметрах режима работы, но без срывных явлений.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение технических средств бесконтактного измерения смещений торцов лопаток компрессора, снижение числа установочных отверстий и площади нарушенной поверхности статора, необходимой для установки преобразователей, повышение информативности измерений за счет учета большего числа координатных составляющих пространственных смещений торцов лопаток.

Известен способ измерения параметров движения торцов лопаток ротора турбомашины и устройство для его реализации [Патент 2231750 РФ, МПК G01В 7/14, 7/30, G01Р 3/50 - №2001128250/28; Способ измерения параметров движения торцов лопаток ротора турбомашины и устройство для его реализации / Боровик С.Ю., Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Заявл. 18.10.2001; опубл. 27.06.2004, бюл. №18], заключающийся в том, что с торцами лопаток ротора работающей турбомашины вводят во взаимодействие один дифференциальный вихретоковый преобразователь с двумя чувствительными элементами, выполненными в виде отрезка проводника, и по параметрам выходного сигнала преобразователя оценивают линейную скорость, период вращения ротора, осевое смещение ротора, угол раскрутки пера лопатки относительно начальной установки, зазор между торцом лопатки и торцом преобразователя. Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет определить составляющую изгибного смещения лопатки вдоль оси вращения ротора турбомашины.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются способы измерения многомерных перемещений и обнаружения колебаний торцов лопаток ротора турбомашины [Патент 2272990 РФ, МПК G01В 7/14 - №2002117185/28; Способ измерения многомерных перемещений и обнаружения колебаний торцов лопаток ротора турбомашины / Боровик С.Ю., Райков Б.К., Секисов Ю.Н. и др., Заявл. 27.06.2002; опубл. 27.03.2006, бюл. №9; С.Ю.Боровик, Б.К.Райков, Ю.Н.Секисов, О.П.Скобелев, В.В.Тулупова Метод квазипараллельных измерений и вычислений координатных составляющих многомерных перемещений торцов лопаток // Проблемы управления и моделирования в сложных системах / Труды V Международной конференции, Самара, Россия, 17-21 июня 2003. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2003. - с.506-511], заключающиеся в том, что на статоре турбомашины определенным образом устанавливают композицию из трех одновитковых вихретоковых преобразователей и по значениям выходных сигналов всех преобразователей, полученных одновременно для определенного момента времени, путем решения системы из трех уравнений, полученных на основе семейств градуировочных характеристик преобразователей, получают оценку смещений торцов лопаток в радиальном, осевом направлениях и в направлении вращения ротора турбомашины. Недостатком указанного способа является то, что его реализация предусматривает установку трех вихретоковых преобразователей в ограниченном пространстве и требует выполнения соответствующего числа установочных отверстий, что негативно сказывается на прочности и надежности конструкции исследуемой установки. Кроме того, известный способ не позволяет определить крутильную (угловую) составляющую смещения торца лопатки, представляющую интерес для исследователей срывных явлений в компрессоре (например, срывного флаттера лопатки компрессора). Необходимо также отметить, что погрешность установки вихретоковых преобразователей относительно друг друга на статоре компрессора относительно их взаимоположения при градуировке, приводит к дополнительной погрешности измерения искомых параметров.

Известно также устройство, в котором три чувствительных элемента одновитковых вихретоковых преобразователей совмещены в одном корпусе [Б.К.Райков. Кластерный вихретоковый датчик для измерения смещений торцов лопастей винтовентилятора по трем координатам // Проблемы управления и моделирования в сложных системах / Труды VII Международной конференции, Самара, Россия, 27 июня - 1 июля 2005. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2005. - с.189-192], что позволяет сохранять взаимное положение чувствительных элементов вихретоковых преобразователей и на исследуемом объекте и на градуировочной установке. Применение кластерного преобразователя обеспечивает уменьшение числа установочных отверстий в статорной оболочке турбомашины при снижении их площади. Относительное положение чувствительных элементов образует фигуру равностороннего треугольника. Однако устройство ориентировано на измерение только линейных координат смещений (X, Y, Z).

Предлагается способ обнаружения как крутильных, так и изгибных смещений торцов лопаток рабочего колеса осевого компрессора при исследовании в нем срывных явлений, например срывного флаттера, который заключается в том, что то с торцом каждой лопатки работающего компрессора вводят во взаимодействие кластерный одновитковый вихретоковый преобразователь с тремя чувствительными элементами в виде линейных отрезков проводников, расположенными в плоскости торца преобразователя таким образом, что проводники образуют равносторонний треугольник. Кластерный одновитковый вихретоковый преобразователь устанавливают на статоре осевого компрессора таким образом, что положение одного чувствительного элемента оказывается совпадающим с направлением оси вращения компрессора.

Чувствительные элементы кластерного вихретокового преобразователя включают через согласующие трансформаторы в составе преобразователя в измерительные цепи измерительных каналов. Импульсный опрос измерительных цепей производится одновременно один раз за оборот ротора компрессора в момент, когда центр замка лопатки оказывается под началом системы отсчета, соответствующей геометрическому центру треугольника, образованного чувствительными элементами кластерного вихретокового преобразователя. Опрашиваются все измерительные каналы кластерного вихретокового преобразователя одновременно и фиксируются соответствующие цифровые коды C₁, C₂ и С₃.

Результаты преобразования выходных параметров кластерного вихретокового преобразователя (коды C₁, C₂ и С₃) дополняют результатом моделирования радиального смещения Y_л (радиального зазора). При возникновении срывных явлений изменения Y_л сравнительно невелики. Их моделирование производится на основе расчета упругих и термических деформаций ротора и статора осевого компрессора по измеренным с помощью аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования, значениям частоты вращения ротора компрессора, температуры рабочего тела (газа) в ступени компрессора и температуре статора компрессора.

По найденным значениям цифровых кодов C₁, C₂ и С₃, и результату моделирования Y_л, путем решения системы из трех уравнений, полученных на основе семейств градуировочных характеристик измерительных каналов кластерного вихретокового преобразователя, снятых предварительно перед испытаниями, определяют фактические на момент опроса измерительных каналов значения угла разворота торца каждой лопатки (ϕ_л), смещение его в осевом направлении (Х_л) и в направлении вращения (Z_л).

На фиг.1 представлена схематически ступень осевого компрессора система отсчета (X, Y, Z), где 1 - вал ротора осевого компрессора, 2 - ступица колеса, 3 - диск колеса ротора, 4 - лопатка, 5 - статор. В некоторый фиксированный момент времени t_i материальная точка М, которая находится на торцевой поверхности и оси разворота лопатки, совмещается с осью Y координатной системы XYZ, начало отсчета которой (0) находится на поверхности неподвижного статора, а сама система жестко связана со статором. Именно в этот момент и производится фиксация кодов C1, C2 и С3.

На фиг.2 представлена схема, поясняющая размещение кластерного одновиткового вихретокового преобразователя на статоре осевого компрессора, где 3 - диск колеса осевого компрессора, 4 - лопатка, 5 - статор, 6, 7, 8 - первый, второй и третий чувствительные элементы кластерного одновиткового вихретокового датчика соответственно.

На фиг.3 представлена диаграмма, поясняющая этапы обнаружения крутильных и изгибных смещений торцов лопаток рабочего колеса осевого компрессора при исследованиях срывных явлений, где τ_р - период вращения ротора компрессора, t_гц1, t_гц2, ..., t_гцnл - моменты времени, соответствующие прохождению центрами замков лопаток геометрического центра треугольника, образованного чувствительными элементами кластерного вихретоковоо преобразователя.

На фиг.4 представлены временные диаграммы, поясняющие опрос измерительных каналов кластерного одновиткового вихретокового преобразователя, где SYNC - импульс синхронизации, поступающий от стандартного датчика частоты вращения, входящего в состав стендового оборудования, С₁, C₂, С₃ - коды, полученные в результате аналого-цифрового преобразования естественных выходных сигналов (индуктивностей) кластерного вихретокового преобразователя, t_гц1, t_гц2, ..., t_гцi..., t_гцnл - моменты времени, соответствующие прохождению центрами замков лопаток 1, 2, ..., i, ..., n_л под геометрическим центром треугольника, образованного чувствительными элементами кластерного вихретокового преобразователя.

Обнаружение крутильных и изгибных смещений торцов лопаток рабочего колеса осевого компрессора при исследованиях срывных явлений (например, срывного флаттера) предлагаемым способом осуществляется следующим образом. После подачи команды, инициирующей процесс измерения, по временному интервалу между двумя соседними импульсами датчика частоты вращения, входящего в состав стендового оборудования определяют период вращения ротора осевого компрессора τ_p и рассчитывают моменты времени фиксации результатов преобразования всех параметров кластерного одновиткового вихретокового преобразователя, соответствующие моментам прохождения центрами замков лопаток t_гц1, t_гц2, ..., t_гцnл (n_л - число лопаток осевого компрессора) геометрического центра треугольника, образованного чувствительными элементами кластерного вихретокового преобразователя.

Каждый импульс опроса обеспечивает подачу питания трех измерительных цепей с чувствительными элементами кластерного одновиткового вихретокового преобразователя и запускает процесс преобразования их выходных параметров в напряжения и далее - в цифровые коды C₁, C₂, С₃ (фиг.4).

Учет неизмеряемой величины радиального зазора между торцом лопатки и статором осевого компрессора (Y_л), влияющего на результат измерения углового смещения торца лопатки (ϕ_л), смещения его в осевом направлении (Х_л) и в направлении вращения ротора (Z_л), осуществляется путем моделирования деформаций ротора и статора осевого компрессора под действием центробежной силы и температуры рабочего тела (газа) внутри ступени компрессора. Моделирование осуществляется на основе информации о частоте вращения ротора компрессора, температуре рабочего тела (газа) внутри ступени компрессора и температуры статора, поступающей от аппаратно-программных средств, входящих в состав стендового оборудования.

Рассмотрим пример вычисления радиального зазора между торцами лопаток и статором осевого компрессора с помощью простейших моделей упругой и термических деформаций элементов конструкции силовой установки.

Пусть проводятся исследования осевого компрессора следующего типоразмера (фиг.1): радиус вала ротора - 0,07 м, радиус ступицы колеса ротора - 0,24 м, радиус диска колеса ротора - 0,35 м, длина лопатки - 0,05 м, внутренний радиус статора - 0,712 м. Предположим, что согласно измерительным данным, полученным от стендовой системы измерения частоты вращения ротора компрессора и температур в газовоздушном тракте и элементах конструкции компрессора, ротор компрессора вращается с частотой 3000 об/мин, а температуры рабочего тела (газа) внутри ступени компрессора и внутренней поверхности статора за время Δt=250 сек уменьшились относительно первоначальных на 50°С и 49°С соответственно.

Материал элементов конструкции статора и ротора был выбран идентичным - нержавеющая сталь, и характеризуется следующими параметрами: модуль Юнга - 18 ГПа, плотность - 7900 кг/м³, температурный коэффициент расширения - 11,5·10^-61/°С.

Для рассмотренного выше режима работы осевого компрессора, изменение радиального зазора между торцом лопатки и внутренней поверхностью статора обусловлено упругими вытяжками элементов конструкции ротора (ступицы, диска, лопатки, см. фиг.1) под действием центробежной силы, термическим расширением элементов конструкции ротора и статора.

Расчет упругой деформации под действием центробежной силы осуществлялся отдельно для ступицы, диска и лопатки ротора осевого компрессора с использованием второго закона Ньютона с последующим интегрированием результатов в соответствии с известными зависимостями механики и теории прочности [Степин П.А. Сопротивление материалов: Учебник для немашиностроительных специальностей вузов. - 7-е изд. - М.: Высш. школа, 1983. - 303 с.]. Для указанного режима работы силовой установки и характеристик материала конструкции элементов ротора компрессора полная упругая деформация элементов ротора осевого компрессора под действием центробежной силы, равная сумме упругих деформаций ступицы, диска и лопатки, составила 0,087 мм.

Расчет термической деформации ступицы, диска и лопатки ротора осевого компрессора осуществлялся в предположении о равномерном распределении температуры по объему соответственно ступицы, диска и лопатки методом электротепловых аналогий [Ольсон Г. Динамические аналогии / Пер. с англ. Коробочкина Б.Л. - М.: Иностранная литература, 1947. - 224 с.]. Для указанного режима работы силовой установки и характеристик материала конструкции элементов ротора компрессора полная термическая деформация элементов ротора осевого компрессора, равная сумме термических деформаций ступицы, диска и лопатки, составила 0,237 мм.

Расчет термической деформации внутренней поверхности статора осевого компрессора осуществлялся с помощью упрощенной модели линейного расширения [Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. - М.: Наука, 1989. - 576 с.]. Для указанного режима работы силовой установки и характеристик материала конструкции элементов статора компрессора полная термическая деформация внутренней поверхности статора осевого компрессора составила 0,401 мм.

Таким образом, согласно проведенным расчетам, радиальный зазор между торцом лопатки ротора и статором осевого компрессора за время, равное Δt, уменьшился на 0,251 мм и составил 1,749 мм (исходная величина зазора составляла 2 мм).

Фактические на момент опроса значения угла разворота торца каждой лопатки (ϕ_л), смещение его в осевом направлении (Х_л) и в направлении вращения (Z_л) находятся путем решения системы из трех уравнений, полученных на основе снятых экспериментально семейств градуировочных характеристик измерительных каналов, связывающих коды аналого-цифрового преобразования естественных выходных сигналов чувствительных элементов кластерного одновиткового вихретокового преобразователя для контролируемой лопатки (С₁, С₂, С₃), найденные в один и тот же момент времени прохождения ее замка через геометрический центр треугольника, образованного чувствительными элементами кластерного вихретокового преобразователя, с углом разворота торца лопатки (ϕ_л), смещением его в осевом направлении (Х_л), в радиальном направлении (Y_л) и в направлении вращения (Z_л):

Решение системы (1) осуществляется известными численными методами, например методом простых итераций [Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. - М: Наука, 1989. - 432 с.]