Способ определения деформации лопаток вращающегося колеса турбомашины и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение предназначено для измерения деформаций подвижных элементов конструкций машин и механизмов и может быть использовано в турбомашиностроении для бесконтактного измерения колебаний лопаток, радиальных зазоров, а также для индикации усталостной прочности, повреждения или обрыва лопаток. Сущность способа состоит в том, что устанавливают в корпусе турбомашины оптоэлектронный и вихревой датчики, регистрируют отраженный от торцов лопаток поток излучения, измеряют интервалы времени между серединами импульсов датчиков, измеряют зазор между торцами лопаток и корпусом двигателя с помощью вихретокового датчика и с учетом этих параметров определяют величину деформации по угловому положению торцов лопаток, а по величине перемещения торца лопатки и его угловому положению определяют форму колебаний лопаток. Устройство для осуществления способа содержит источник излучения, вихретоковый датчик, возбудители, равнорасположенные по окружности диска лопаточного колеса и соответствующие корневым сечениям лопаток, импульсный датчик, а также средство определения величины деформации и формы колебаний лопаток. С помощью данного изобретения повышается достоверность определения деформации лопаток. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение предназначено для измерения деформаций подвижных элементов конструкций машин и механизмов и может быть использовано в турбомашиностроении для бесконтактного измерения колебаний лопаток, радиальных зазоров, а также для индикации усталостной прочности, повреждения или обрыва лопаток.

Известен способ определения деформаций лопаток и устройство "Элура" для его осуществления (Заблоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин, М., Машиностроение, 1977, стр. 33-34), заключающийся в том, что измеряют при помощи периферийного и корневого импульсных датчиков временной интервал, пропорциональный перемещении внешнего торца лопатки, а по перемещении определяют деформации лопатки.

Недостатком известного способа и устройства его реализующего является низкая информативность, неоднозначность оценки механических напряжений-деформаций пера лопатки вследствие отсутствия данных о соответствии полученной информации форме колебаний лопатки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины и устройство для его осуществления (авторское свидетельство N 1450531, от 29.11.1985 г.), заключающийся в том, что устанавливают в корпусе турбомашины неподвижный оптоэлектронный и вихретоковый датчики, формируют на внешних торцах лопаток зеркально-отражающие участки, направляют поток излучения на зеркально-отражающие участки перпендикулярно оси колеса, регистрируют отраженный поток излучения, измеряют интервалы времени между серединами электрических импульсов датчиков, измеряют величину зазора между лопаткой и корпусом посредством вихретокового датчика и с учетом этих параметров определяют величину деформации лопатки по угловому положению торца лопатки, пропорционального полученному временному интервалу и обратно пропорционального зазору между лопаткой и корпусом. Здесь и далее по тексту угловое положение торца лопатки определяется как угол между нормалью к геометрическому центру внешнего торца лопатки и радиусом, касательным к осевой линии лопатки в месте ее заделки в диске лопаточного колеса.

Известный способ осуществляется устройством (авторское свидетельство N 1450531, от 29.11.1985 г.), содержащим неподвижный оптоэлектронный и вихретоковый датчики, светопроводящую систему, источник излучения, фотоприемник, преобразователь параметров вихретокового датчика, блок формирования электрических импульсов, два блока выделения середин электрических импульсов, блок определения временных интервалов, пиковый детектор, дифференцирующую цепь. Недостатком известного способа и устройства его реализующего является необходимость получения априорной информации о форме колебаний пера лопатки для адекватного определения уровня механических напряжений по угловому положению торца лопатки.

В основу изобретения поставлена задача - расширение функциональных возможностей и повышение достоверности определения деформаций лопаток вращавшегося колеса турбомашины посредством определения и учета формы колебаний лопаток. Для достижения поставленной задачи в способе определения деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины, согласно изобретению, формируют электрические импульсы, соответствующие корневым сечениям лопаток, измеряют временные интервалы между серединами полученных электрических импульсов и серединами электрических импульсов неподвижного вихретокового датчика, расположенного в корпусе турбомашины над периферийными торцами лопаток, по временному интервалу определяют величину перемещения торца лопатки при ее колебаниях, а по величине перемещения торца лопатки и его угловому положению определяют форму колебаний пера лопатки, а по величине перемещения торца лопатки и форме ее колебаний однозначно, расчетным путем, определяют величину деформации лопатки. Для реализации способа в известное устройство, содержащее зеркально-отражающий участок покрытия на периферийном торце лопатки, светопроводящую систему, состоящую из двух световодов, одни из концов которых объединены в приемно-передающий коллектор, установленный в корпусе турбомашины, источник излучения, подключенный к одному из свободных концов светопроводящей системы, фотоприемник, подключенный ко второму свободному концу светопроводящей системы, вихретоковый датчик, расположенный соосно с приемно-передающим коллектором светопроводящей системы в корпусе турбомашины, преобразователь параметров вихретокового датчика, вход которого соединен с вихретоковым датчиком, два формирователя электрических импульсов, подключенные, соответственно, к выходам фотоприемника преобразователя параметров вихретокового датчика, два блока выделения середин электрических импульсов, подключенных, соответственно, к выходам формирователей электрических импульсов, блок определения временных интервалов, входы которого соединены, соответственно, с выходами блоков выделения середин электрических импульсов, пиковый детектор, вход которого подключен к выходу преобразователя параметров вихретокового датчика, дифференцирующую цепь, вход которой соединен с выходом формирователя электрических импульсов преобразователя параметров вихретокового датчика, а выход дифференцирующей цепи подключен ко входу "сброс" пикового детектора, перемножитель электрических сигналов, первый вход которого соединен с выходом блока определения временных интервалов, а второй вход соединен с выходом пикового детектора, дополнительно введены возбудители, равнорасположенные по окружности диска лопаточного колеса и соответствующие корневым сечениям лопаток, импульсный датчик, расположенный на неподвижной детали турбомашины против возбудителей, формирователь электрических импульсов, подключенный к импульсному датчику, блок выделения середины электрических импульсов, вход которого соединен с выходом формирователя середин электрических импульсов импульсного датчика, блок определения временных интервалов, один из входов которого соединен с выходом блока выделения середин электрических импульсов импульсного датчика, а второй вход соединен с выходом блока формирования середин электрических импульсов вихретокового датчика, преобразователь координат, один из входов которого соединен с выходом блока определения временных интервалов между серединами импульсов вихретокового и импульсного датчиков, а второй вход соединен с выходом перемножителя электрических импульсов, выход преобразователя координат служит выходом устройства.

Предлагаемое техническое решение обладает новизной, так как авторам не известны способы и устройства, содержащие признаки, фигурирующие в предлагаемом изобретении в качестве отличительных.

Расширение функциональных возможностей и повышение достоверности определения деформаций лопаток в предлагаемом способе и устройстве его реализующем достигается совместным использованием информации о величине перемещений торца лопатки и углового положения торца лопатки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, на фиг. 2 приведены расчетные зависимости углового положения торца лопатки от относительного перемещения торцев лопатки для различных форм колебаний.

Определение деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины по предложенному способу осуществляется следующим образом.

На диске лопаточного колеса турбомашины устанавливают возбудители, например зубчатое колесо или штыри, равнорасположенные по окружности диска лопаточного колеса и соответствующие корневым сечениям лопаток. На неподвижной детали турбомашины против возбудителей устанавливают импульсный датчик, например оптоэлектронный, емкостный или вихретоковый, регистрируют электрические импульсы, получаемые в результате взаимодействия возбудителей с импульсным датчиком. На внешних кромках лопаток колеса турбомашины формируют зеркально-отражающие участки покрытия, например, путем механической обработки, путем гальванического покрытия или путем закрепления пластин с зеркально-отражающей поверхностью. Устанавливают в корпусе турбомашины неподвижные датчики, расположенные соосно между собой. Первый датчик - в виде приемно-передающего коллектора U-образной светопроводящей системы, второй - вихретоковый датчик. Формируют поток излучения и направляют его с помощью светопроводящей системы на зеркально-отражающие участки торцев лопаток, перпендикулярно оси колеса. Принимают часть отраженного потока и регистрируют его с помощью фотоприемника. Электрический сигнал взаимодействия внешней кромки лопатки с вихретоковым датчиком, после соответствующей обработки, приводят к виду, удобному для последующего выделения его середины. Вследствие деформации лопаток при вращении лопаточного колеса, внешний торец лопатки отклоняется от первоначального положения на некоторый угол . Положение диаграммы направленности потока, отраженного зеркально, существенно зависит от изменения пространственного положения поверхности внешнего торца лопатки, поэтому максимум диаграммы направленности зеркально-отраженного потока отклоняется от первоначального положения на тот же , и середина электрического импульса, соответствующего зеркально-отраженному потоку, отклоняется на некоторую величину t1 ~ . Середина же электрического импульса вихретокового датчика, в силу его нечувствительности к изменении пространственно-углового положения внешнего торца лопатки, во времени не сдвигается (см. описание прототипа). После этого электрические сигналы с фотоприемника, вихретокового датчика и импульсного датчика формируют по амплитуде, выделяют середины этих импульсов и затем находят временные интервалы между серединами электрических сигналов импульсного датчика и вихретокового датчика, соответствующие величине отклонения торца лопатки в окружном направлении от ее исходного радиального положения t2 ~ k, а также между серединами электрических сигналов фотоприемника и вихретокового датчика t3. Затем временной интервал t3 корректируют на величину зазора между внешним торцем лопатки и корпусом (см. описание прототипа), например, путем умножения его на амплитудное значение импульса вихретокового датчика. Откорректированный выходной сигнал пропорционален угловому положению внешнего торца лопатки t1 ~ . По величине отклонения торца лопатки k с учетом углового положения внешнего торца лопатки определяют величину деформации лопатки.

Известно (Гуров А. Ф., Севрук Д.Д. Конструкция и проектирование двигательных установок. М. , Машиностроение. 1980, стр. 183), что форма упругой линии колеблющейся лопатки описывается дифференциальным уравнением (EIU)-cPU = 0, где E - модуль упругости 1-го рода; I - момент инерции площади поперечного сечения лопатки относительно плоскости наименьшей жесткости; c - круговая частота собственных колебаний лопатки; - плотность материала лопатки; P - площадь текущего поперечного сечения лопатки; U - функция прогиба.

Для лопатки постоянного поперечного сечения полное решение этого уравнения записывается в виде: где Z - текущая координата по длине лопатки; l - длина лопатки.

Уравнение имеет бесконечное количество корней. Однако практическое значение имеют первые из них.

Для первой формы изгибных колебаний лопатки: 1 = 1,875; A = B = 0; C = - 7,342 ; D = 10,0.

Для второй формы изгибных колебаний лопатки: 2 = 4,694; A = B = 0; C = - 10,0; D = 10,186.

Для третьей формы: 3 = 7,855; A = B = 0; C = 9,998; D = -9,99.

Для четвертой формы: 4 = 10,996; A = B = 0; C = - 9,997; D = 9,998.

Каждому значению соответствует своя форма упругой линии (Гуров А.Ф., Севрук Д.Д. Конструкция и проектирование двигательных установок. М., Машиностроение, 1980, стр. 185, рис. 6.21) и определенная частота колебаний. Т.о., для одинаковой по величине возбуждающей силе при разных формах колебаний торец лопатки в окружном направлении отклоняется существенно на разную величину. Поэтому при измерениях деформаций лопаток по величине перемещений их периферийных торцев необходимо иметь информацию о форме колебаний лопатки. С другой стороны при одинаковой возбуждающей силе и разных формах колебаний периферийный торец лопатки имеет свое определенное угловое положение.

Угловое положение торца лопатки определяется углом отклонения нормали торца лопатки от радиального ее положения. При различных возбуждающих силах (различном отклонении "К" торца лопатки) для каждой формы колебаний положение нормали к торцу лопатки совпадает с направлением касательной к форме упругой линии при z = 1 и определяется первой производной от функции Поэтому: Здесь - угол отклонения нормали торца лопатки от радиального направления: k - величина отклонения торца лопатки в окружном направлении от радиального положения.

Области существования зависимостей = f(k/l) для первых четырех форм колебаний лопатки приведены на фиг. 2. Секторы 1, 2, 3 и 4 обозначают области колебаний лопаток по, соответственно, 1, 2, 3 и 4-ой формам. Конкретный вид зависимостей = (k/1) в секторах, приведен для компрессорной лопатки первой ступени двигателя НК12-СТ.

Известно, что величина деформации - механическое напряжение в конкретном сечении пера лопатки (Z = Zi) - пропорциональна второй производной от функции упругой линии лопатки.

Поэтому: Ez = U(z) = (K;). Т. о. , имеется возможность, измеряя величину отклонения торца лопатки в окружном направлении от ее исходного радиального положения и угловое положение сечения периферийного торца лопатки, определять деформации лопаток без априорного знания частоты возбуждающей силы.

Устройство для определения деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины (фиг. 1 ) содержит зеркально-отражающий участок 1 покрытия на периферийном торце лопатки, светопроводящую систему 2, состоящую из двух световодов, одни из концов которых объединены в приемно-передающий коллектор, установленный в корпусе 3 турбомашины, источник 4 излучения, подключенный к одному из свободных концов светопроводящей системы, например A, фотоприемник 5, подключенный ко второму свободному концу светопроводящей системы, например B, вихретоковый датчик 6, установленный соосно с приемно-передающим коллектором светопроводящей системы в корпусе 3 турбомашины, преобразователь 7 параметров вихретокового датчика, вход которого соединен с вихретоковым датчиком 6, формирователи 8, 9 электрических прямоугольных импульсов, подключенные соответственно к выходу фотоприемника 5 и выходу преобразователя 7 параметров вихретокового датчика 6, блоки 10, 11 выделения середин электрических импульсов, подключенных, соответственно, к выходам формирователей 8, 9 электрических прямоугольных импульсов, блок 12 определения временных интервалов, входы которого соединены, соответственно, с выходами блоков 10, 11 выделения середины электрических импульсов, пиковый детектор 13, вход которого подключен к выходу преобразователя 7 параметров вихретокового датчика, дифференцирующую цепь 14, вход которой соединен с выходом формирователя 9 электрических импульсов, а выход дифференцирующей цепи подключен к входу "Сброс" пикового детектора 13, перемножитель 15 электрических сигналов, первый вход которого соединен с выходом блока 12 определения временных интервалов, а второй вход - соединен с выходом пикового детектора 13, возбудители 16, установленные на диске 17 лопаточного колеса на равном расстоянии друг от друга напротив корневых сечений лопаток, импульсный датчик 18, установленный на неподвижной детали турбомашины напротив траектории движения возбудителей 16, формирователь 19 электрических прямоугольных импульсов, подключенный к импульсному датчику 18, блок 20 выделения середины электрических импульсов, вход которого соединен с выходом формирователя 19. блок 21 определения временных интервалов, один из входов которого соединен с выходом блока 20 выделения середин электрических импульсов, а второй вход соединен с выходом блока 11 выделения середин электрических импульсов, преобразователь 22 координат из декартовых в полярные, один из входов которого соединен с выходом блока 21 определения временных интервалов, а второй вход соединен с выходом перемножителя 15 электрических сигналов, выход преобразователя 22 координат служит выходом устройства.

Устройство, реализующее предлагаемый способ определения деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины (см. фиг.1 ), работает следующим образом.

Источник 4 излучения излучает поток, который канализируется по световоду A к приемно-передающему коллектору светопроводящей системы 2 и излучается с него в направлении траектории движения зеркально-отражающих участков 1 внешних торцев лопаток. Излученный поток, попадая на зеркально-отражающий участок 1, отражается от него и частично попадает на приемно-передающий коллектор светопроводящей системы 2, затем по световоду B канализируется к фотоприемнику 5. Вихретоковый датчик 6, расположенный соосно с приемно-передающим коллектором светопроводящей системы 2, в корпусе 3 турбомашины, изменяет свои электрические параметры во время прохождения возле него внешних торцев лопаток. В преобразователе 7 параметров вихретокового датчика 6 параметры этого датчика преобразуются в электрические сигналы. Далее электрические сигналы с выхода преобразователя 7 параметров вихретокового датчика 6 и фотоприемника 5 поступают, соответственно, в блоки 9, 8 формирования электрических прямоугольных импульсов, затем с выхода блока 8 сигнал поступает в блок 10 выделения середины электрических импульсов, а с выхода блока 9 - в блок 11 выделения середин электрических импульсов, после чего определяется временной интервал между найденными серединами в блоке 12. На информационный вход пикового детектора 13 поступает сигнал с выхода преобразователя 7 параметров вихретокового датчика 6 и во время существования импульса на выходе преобразователя 7 с выхода пикового детектора 13 снимается напряжение, соответствующее максимальному значению напряжения электрического импульса с выхода блока 7. Выходной сигнал в виде прямоугольного импульса с выхода блока 9 дифференцируется цепью 14 и поступает на вход "сброс" пикового детектора 13. Поэтому напряжение на выходе пикового детектора уменьшается скачкообразно до нуля по окончании выходного сигнала блока 9, тем самым пиковый детектор 13 сбрасывается и готов к приему очередного электрического импульса. Электрические сигналы с выхода блока 12 и пикового детектора 13 поступают, соответственно, на первый и второй входы перемножителя 15 электрических сигналов, где перемножаются между собой. Одновременно с вышеописанными процессами импульсный датчик 18 вырабатывает импульсы во время прохождения возле него возбудителей 16, например штырей, установленных на диске 17 лопаточного колеса. Далее электрические импульсы с импульсного датчика 18 поступают в блок 19 формирования по длительности и амплитуде, затем с выхода блока 19 сформированный прямоугольный импульс поступает в блок 20 выделения середин электрических импульсов, после чего определяется временной интервал между серединами электрических импульсов вихретокового и импульсного датчиков в блоке 21. Выходной сигнал блока 21, пропорциональный величине отклонения торца лопатки от исходного радиального положения, подается на один из входов преобразователя 22 координат, на второй вход которого поступает напряжение, пропорциональное угловому положению внешнего торца лопатки с блока 15. Преобразователь координат 22 преобразует совокупность входных сигналов к полярной форме, в результате чего на его выходах устанавливается информация об амплитуде и фазе векторного сигнала, т.е. о величине колебаний внешнего торца лопатки в окружном направлении и форме колебаний лопатки. Выход преобразователя 22 координат служит выходом устройства. Пусть, например, фаза векторного сигнала оказалась во втором секторе (см. фиг. 2). Это означает, что лопатка колеблется по второй изгибной форме. Амплитуда вектора равна A. Это означает, что относительное перемещение (величина колебаний) торца лопатки k/1 = 0,04.

Формула изобретения

1. Способ определения деформаций лопаток вращающегося колеса турбомашины, заключающийся в том, что устанавливают в корпусе турбомашины неподвижный оптоэлектронный и вихретоковый датчики, формируют на внешних торцах лопаток зеркально отражающие участки, направляют поток излучения на зеркально отражающие участки перпендикулярно оси колеса, регистрируют отраженный поток излучения, измеряют интервалы времени между серединами электрических импульсов датчиков, измеряют величину зазора между лопатками и корпусом посредством вихретокового датчика и с учетом этих параметров определяют величину деформации лопаток по угловому положению торцов лопаток, пропорциональному полученным временным интервалам и обратно пропорциональному зазорам между лопатками и корпусом, формируют электрические импульсы, соответствующие корневым сечениям лопаток, измеряют временные интервалы между серединами полученных электрических импульсов и серединами электрических импульсов неподвижного вихретокового датчика, расположенного в корпусе турбомашины над периферийными торцами лопаток, по временному интервалу определяют величину перемещения торца лопатки при ее колебаниях, а по величине перемещения торца лопатки и его угловому положению определяют форму колебаний пера лопатки и по величине перемещения торца лопатки и форме ее колебаний определяют величину деформации лопатки.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее зеркально отражающий участок покрытия на периферийном торце лопатки, светопроводящую систему, состоящую из двух световодов, одни из концов которых объединены в приемно-передающий коллектор, установленный в корпусе турбомашины, источник излучения, подключенный к одному из свободных концов светопроводящей системы, фотоприемник, подключенный ко второму свободному концу светопроводящей системы, вихретоковый датчик, расположенный соосно с приемно-передающим коллектором светопроводящей системы в корпусе турбомашины, преобразователь параметров вихретокового датчика, вход которого соединен с вихретоковым датчиком, два формирователя электрических импульсов, подключенных соответственно к выходам фотоприемника и преобразователя параметров вихретокового датчика, два блока выделения середин электрических импульсов, подключенных соответственно к выходам формирователей электрических импульсов, блок определения временных интервалов, входы которого соединены соответственно с выходами блоков выделения середин электрических импульсов, пиковый детектор, вход которого подключен к выходу преобразователя параметров вихретокового датчика, дифференцирующую цепь, вход которой соединен с выходом формирователя электрических импульсов преобразователя параметров вихретокового датчика, а выход дифференцирующей цепи подключен ко входу "Сброс" пикового детектора, перемножитель электрических сигналов, первый вход которого соединен с выходом блока определения временных интервалов, а второй вход соединен с выходом пикового детектора, отличающееся тем, что дополнительно введены возбудители, равнорасположенные по окружности диска лопаточного колеса и соответствующие корневым сечениям лопаток, импульсный датчик, расположенный на неподвижной детали турбомашины против возбудителей, формирователь электрических импульсов, подключенный к импульсному датчику, блок выделения середины электрических импульсов, вход которого соединен с выходом формирователя электрических импульсов импульсного датчика, блок определения временных интервалов между серединами импульсов импульсного и вихретокового датчиков, один из входов которого соединен с выходом блока выделения середин электрических импульсов импульсного датчика, а второй вход соединен с выходом блока выделения середин электрических импульсов вихретокового датчика, преобразователь координат, один из входов которого соединен с выходом блока определения временных интервалов между серединами импульсов вихретокового и импульсного датчиков, а второй вход соединен с выходом перемножителя электрических импульсов, а выход преобразователя координат служит выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2