Преобразователи параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов на основе комплексированного чувствительного элемента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Бояркина Ульяна Викторовна

• Бояркина Ульяна Викторовна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Бояркина Ульяна Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАНИЙ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ТУРБОАГРЕГАТА

1.1 Классификация деформаций лопаток турбоагрегата

1.2 Преобразователи параметров колебаний лопаток и требования, предъявляемые к ним

1.3 Сравнительная оценка преобразователей параметров колебаний

лопаток

1.4 Выводы по главе

2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОАГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСИРОВАННОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

2.1 Структурная схема преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов

2.2 Анализ перемещений торца лопатки при изгибно-крутильных колебаниях

2.3 Математическая модель преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток

2.4 Исследование математической модели преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток

2.4.1 Анализ зависимости параметров информационных сигналов от расстояния до контролируемого объекта

2.4.2 Анализ зависимости амплитуды информационного сигнала от величины установочных зазоров

2.4.3 Анализ зависимости формы информационного сигнала от размерных соотношений ППЭ и торца лопатки

2.4.4 Анализ зависимости формы информационного сигнала от угла

поворота лопатки

2.5 Ограничения и допущения при определении параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов

2.6 Определение параметров крутильных колебаний лопаток

2.7 Определение смещения оси поворота лопаток

2.8 Направление дальнейшего развития преобразователей параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов

2.9 Выводы по главе

3 МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОАГРЕГАТОВ

3.1 Структура погрешностей преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток

3.2 Методическая погрешность преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток

3.3 Погрешности основных блоков преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток

3.3.1 Инструментальная погрешность СВЧ канала преобразователя параметров крутильных колебаний

3.3.2 Инструментальная погрешность оптоэлектронного канала преобразователя параметров крутильных колебаний

3.4 Дополнительные погрешности блоков преобразователя параметров крутильных колебаний

3.5 Погрешность измерения параметров крутильных колебаний лопаток

3.6 Выводы по главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОАГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСИРОВАННОГО

ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

4.1 Исследование информационных сигналов преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток от величины установочного зазора

4.2 Исследование зависимости амплитуды информационных сигналов преобразователя параметров крутильных колебаний от углового положения

отражателя

4.3 Исследование динамических характеристик преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток

4.4 Выводы по главе

5 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОАГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСИРОВАННОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

5.1 Конструкция преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток

5.2 Схемотехническая реализация СВЧ канала

5.3 Схемотехническая реализация оптоэлектронного канала

5.4 Реализация схемы обработки информационного сигнала

5.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Преобразователи параметров крутильных колебаний лопаток являются важнейшим источником информации для систем управления режимами работы турбоагрегатов различного назначения. Основными параметрами крутильных колебаний являются их амплитуда, частота и фаза, которые могут изменяться в широких пределах [1].

Современные подходы к созданию бесконтактных преобразователей параметров колебаний лопаток турбоагрегатов сформировались на базе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ известных российских учёных: Боришанского К.Н., Боровика С.Ю., Васина Н.Н., Данилина А.И., Заблоцкого И.Е., Медникова В.А., Меркулова А.И., Секисова Ю.Н., Скобелева О.П., Стеблева Ю.И., Урьева Е.В., а также зарубежных ученых: M. Twerdochlib, Michael Zielinski, Gerhard Ziller и др [2-12]. Промышленно выпускаемые бесконтактные преобразователи в большинстве случаев используют в качестве чувствительного элемента ёмкостные, вихретоковые, индукционные и индуктивные первичные преобразователи (1111) [13-19].

Однако, перечисленные преобразователи не удовлетворяют всему комплексу предъявляемых к ним требований, в частности погрешности, связанной с нестабильностью зазора между преобразователем и объектом контроля, высоким уровнем вибраций, а также температурными изменениями геометрических и электрофизических параметров ПП [20].

Как показывает анализ патентов и научно-технической литературы, в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют бесконтактные преобразователи на основе комплексированного чувствительного элемента, формирующего информативные сигналы одновременно в оптическом и СВЧ диапазонах. Реализация чувствительного элемента с использованием только одного из указанных диапазонов приводит либо к увеличению количества установочных отверстий в корпусе турбомашины и снижению его прочности (СВЧ - диапазон), либо к взаимному влиянию информационных потоков, что существенно усложняет алгоритм обработки информации (оптический диапазон).

Преобразователи на основе комплексированного чувствительного элемента менее восприимчивы к промышленным электромагнитным помехам, имеют высокую чувствительность, позволяют устранить избыточное количество установочных отверстий в корпусе турбоагрегата. Применение такого рода преобразователей для контроля параметров крутильных колебаний лопаток позволяет, в отличие от известных конструкций, использовать один чувствительный элемент для получения информации, как об амплитуде, так и о частоте и фазе исследуемых колебаний, повысить точность и достоверность получаемой информации.

Однако вопросы разработки рациональных конструктивных решений, теоретического и экспериментального обоснования технических возможностей преобразователей на основе комплексированного чувствительного элемента до сих пор не нашли должного отражения в научно-технической литературе. В связи с этим тема диссертационной работы, направленной на разработку, теоретическое и экспериментальное обоснование преобразователей параметров крутильных колебаний на основе комплексированного чувствительного элемента является актуальной.

Область исследований - преобразователи параметров крутильных колебаний лопаток для системы управления турбоагрегатов.

Объект исследований - способы и технические средства улучшения эксплуатационных характеристик преобразователей крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов на основе комплексированного чувствительного элемента для системы управления турбоагрегатов.

Цель работы - расширение функциональных возможностей и повышение точности преобразователей параметров крутильных колебаний лопаток на основе комплексированного чувствительного элемента в условиях ограниченного препарирования корпуса турбоагрегата.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Провести сравнительный анализ методов построения преобразователей параметров колебаний лопаток для определения базовой структурной схемы устройства на основе комплексированного чувствительного элемента.

2. Разработать математическую модель и на её основе провести моделирование процесса формирования информационных сигналов преобразователя при бесконтактном взаимодействии комплексированного чувствительного элемента с поверхностью торца контролируемой лопатки турбоагрегата.

3. Разработать методику анализа информационных сигналов преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток для определения амплитуды, частоты и фазы крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов.

4. Провести метрологический анализ преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов.

5. Разработать макетный образец преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов с комплексированным чувствительным элементом и провести его экспериментальные исследования.

Научная новизна работы:

1. Математическая модель функционирования комплексированного чувствительного элемента преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов, отображающая процесс взаимодействия торца лопатки с оптическим и СВЧ приёмо-передающими элементами в моменты минимальных значений изгибных колебаний.

2. Методика получения информации об амплитуде, частоте и фазе крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов, основанная на анализе временных интервалов между выходными импульсами четырех оптоэлектронных каналов комплексированного чувствительного элемента.

3. Аналитические выражения для оценки погрешностей преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов на основе комплексированного чувствительного элемента.

Теоретическая значимость диссертации заключается в развитии теории преобразователей с комплексированным чувствительным элементом, методов формирования и анализа информационных сигналов преобразователей параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов.

Практическая значимость полученных результатов заключается в:

1. Создании действующего образца преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов, позволяющего с более высокой точностью определять амплитуду, частоту и фазу крутильных колебаний лопаток.

2. Разработке алгоритма и программы обработки информационных сигналов преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов, позволяющих определять амплитуду, частоту и фазу крутильных колебаний лопаток.

3. Разработке программного обеспечения для моделирования информационных сигналов преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов, позволяющего определить его основные эксплуатационные и метрологические характеристики.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях дискретно-фазового метода (ДФМ), методах математического и компьютерного моделирования, математическом аппарате аналитической геометрии и линейной алгебры, теоретических положениях фотометрии и геометрической оптики, теории колебаний, численных методах решения трансцендентных уравнений, методах статистической обработки экспериментальных данных, теории погрешностей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель функционирования комплексированного чувствительного элемента преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов.

2. Методика получения информации об амплитуде, частоте и фазе крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов.

3. Аналитические выражения для оценки погрешностей преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов.

4. Результаты физического моделирования и экспериментальных исследований преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов, позволяющие определить условия его эффективной эксплуатации.

Степень разработанности темы

Среди разработок ПП для определения параметров колебаний лопаток турбоагрегатов можно выделить работы российских ученых. Боровиком С.Ю. и Секисовым Ю.Н. исследованы многомерные перемещения элементов турбоагрегатов с помощью одновитковых вихретоковых преобразователей, Боришанским К.Н. разработаны методы определения скоростей колебаний лопаток с помощью индукционных преобразователей, Данилиным А.И. представлено решение задачи контроля изгибных колебаний с помощью оптоэлектронного преобразователя (ОЭП).

Однако на данный момент отсутствуют исследования возможностей совместного использования оптоэлектронных и СВЧ функциональных элементов в составе комплексированного преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов. Существующие математические модели не учитывают совместное применение преобразователей c различным диапазоном рабочих частот, влияние изгибных колебаний на определение параметров крутильных колебаний, влияние расположения преобразователей на информационный сигнал и требуют дополнительных исследований.

Соответствие специальности

Диссертация соответствует п. 2 «Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик» паспорта научной специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления».

Степень достоверности

Достоверность определяется обоснованностью принятых допущений теоретических положений и моделей, подтверждается совпадением экспериментальных исследований и расчетных данных, а также результатами косвенной верификации основных положений и выводов диссертации. Полученные результаты не противоречат известным положениям фундаментальной науки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Преобразователи параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов на основе комплексированного чувствительного элемента»

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 8 международных и всероссийских конференциях: Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2016 г.); Всероссийской научно-технической конференции: «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г. Самара, 2015-2020 гг.); Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (г. Екатеринбург, 2019 г.).

Публикации

По результатам диссертационных исследований и разработок опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи - в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК России, 1 статья - в научном издании, входящем в международную реферативную базу данных Scopus.

Реализация результатов работы. Изготовленные образцы и результаты исследований используются в: ПАО «Кузнецов» в процессе стендовых испытаний по изучению вибронагруженности лопаток в виде устройства для бесконтактного определения параметров крутильных колебаний, а также в учебном процессе в составе лабораторной работы «Исследование состояния лопаток турбомашин бесконтактными способами» при подготовке студентов по специальности «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей»» Самарского университета, что подтверждается актами использования.

Личный вклад автора

Все результаты, определяющие научную новизну диссертационной работы, получены автором лично. Часть экспериментальных работ проведена с участием инженерного коллектива НИЛ-43 кафедры радиотехники Самарского университета.

Структура и объём работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 88 наименований и 1 приложения. Диссертация содержит 143 страницы, 70 рисунков, 9 таблиц.

1 ОБЗОР ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАНИЙ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК

ТУРБОАГРЕГАТА

1.1 Классификация деформаций лопаток турбоагрегата

При проектировании и доводке турбоагрегатов особое внимание уделяется безопасности их эксплуатации. В связи с этим к элементам вращающихся узлов турбоагрегатов предъявляются особые требования, связанные с их длительной и надежной работой. В первую очередь это касается лопаток, как самых многочисленных элементов, подвергающихся аэродинамическим и центробежным нагрузкам, а также воздействию высоких температур [21]. В результате влияния данных факторов лопатки подвергаются деформациям, которые могут привести к их повреждению и возникновению аварийной ситуации. Деформационные процессы, проходящие в лопатках, весьма сложны и не всегда адекватно описываются математическими моделями, что обуславливает необходимость их изучения и разработки новых способов контроля основных видов деформационных процессов [10]. На рисунке 1 .1 представлена классификация деформаций лопаток турбоагрегатов по характеру нагрузки и виду воздействия, с учётом формы колебаний.

Рисунок 1.1 - Классификация деформаций лопаток турбоагрегатов

По виду воздействия, которому подвергается перо лопатки, деформации подразделяются на: продольные, изгибные, крутильные и сложные. В первом приближении, лопатку можно представить как плоскую пластину, которая закреплена в диске одним концом, как показано на рисунке 1.2 [22].

Диск '

к

Рисунок 1.2 - Замещение лопатки прямоугольной пластиной К продольным деформациям относят деформации, вызванные воздействием центробежных сил, а также влиянием температурных нагрузок. В результате происходит растяжение лопатки вдоль ее центральной оси 02, что ведет к увеличению ее длины и уменьшению зазора между торцом лопатки и корпусом турбоагрегата. Уменьшение предельно допустимого зазора может привести к задеванию лопаткой корпуса и повреждению лопатки.

В процессе работы двигателя лопатки компрессора и турбины помимо продольных деформаций растяжения испытывают деформации изгиба вдоль осей ОХ и ОУ, а также деформации кручения вокруг оси 02 под действием центробежных и аэродинамических сил [23].

Величина аэродинамических сил определяется режимом работы двигателя и режимом полета. Они обусловлены воздействием газового потока на поверхность лопатки, в результате чего образуется перепад давлений между вогнутой (корытом) и выпуклой (спинкой) частями её профиля.

Изгиб лопатки центробежными силами происходит в том случае, когда линия, соединяющая центры тяжести отдельных сечений лопатки, не совпадает с радиальным направлением, в результате происходит изменение кривизны центральной оси лопатки.

Деформации кручении являются следствием действия на лопатку скручивающих моментов аэродинамических сил, которые возникают вследствие того, что центр приложения равнодействующих газовых сил не совпадает с центром жесткости [23]. Кручение лопатки под воздействием нагрузки ведет к изменению исходного положения поперечных сечений лопатки, в результате они совершают поворот вокруг центральной оси лопатки, изменяя исходное положение в зависимости от степени кручения. В соответствии с теорией изгибно-крутильных деформаций изменение исходного положения поперечных сечений лопатки определяется величиной относительного угла закручивания поперечного сечения [23]. Данный вид деформации является одним из самых распространенных; например, известны случаи возбуждения резонансных колебаний лопаток по высокочастотной крутильной форме при работе двигателя в полете на режиме малого газа, когда происходит снижение самолета с эшелона [21].

Сложные деформации встречаются наиболее часто и сочетают в себе несколько видов деформационного воздействия, что значительно осложняет их анализ. По этой причине возникает необходимость в разработке новых методов и специальной аппаратуры, позволяющей выполнять селекцию по видам деформационного воздействия. Так, например, при определении параметров крутильных колебаний лопаток необходимо исключить изгибную составляющую.

По характеру нагрузки, которой подвергаются лопатки, выделяют статические и динамические деформации [24]. Статические деформации медленно изменяются во времени. Такие деформации обусловлены центробежными силами, возникающими при вращении лопаточного колеса и аэродинамическими силами, возникающими при взаимодействии профиля пера

лопатки с потоком, а также разностью давлений газа перед профилем лопатки и за ним.

Динамические деформации являются самыми многочисленными. К ним относят деформации, вызванные колебаниями лопаток под действием периодически изменяющихся во времени сил, в результате этого возникают вынужденные колебания с частотой равной частоте возбуждающих сил.

При кратковременном воздействии упругой деформирующей силы лопатка начинает совершать свободные колебания, которые происходят с определенными для конкретной лопатки частотами, которые называются собственными [22].

В случае совпадения одной из собственных частот лопатки с частотой переменных газовых сил, действующих на лопатку, возникает резонанс, что приводит к резкому увеличению амплитуды колебаний [25]. При появлении резонансных колебаний напряжения в лопатках резко увеличиваются, в результате чего может произойти их разрушение. Поломка одной лопатки часто приводит к повреждению и разрушению остальных.

Периодичность действия сил, вызывающих вынужденные колебания лопаток, объясняется парциальностью подвода газа к рабочей лопатке, связанной с наличием спрямляющих лопаток в лопаточном аппарате турбомашины. Так как число этих лопаток конечно, то возникает изменение давления и скорости воздуха по окружности колеса и, следовательно, на каждую рабочую лопатку действуют переменные усилия. При числе спрямляющих лопаток к и числе оборотов ротора в секунду п каждая рабочая лопатка испытывает за секунду кп изменений усилия и совершает столько же вынужденных колебаний [26].

Переменные усилия, действующие на лопатки, появляются при отклонении размеров компрессорных лопаток от средних значений. При этом расходы газа через отдельные межлопаточные каналы получаются разными. Разными будут скорости и давления газа на выходе из каналов. Если отклонение в размерах имеет только одна лопатка, то при числе оборотов ротора в секунду п рабочие лопатки по этой причине будут совершать п колебаний в секунду.

В спрямляющем аппарате ступени осевого компрессора шаг лопаток по всей окружности должен оставаться одинаковым. Если же в месте соединения обеих половин спрямляющего аппарата шаг лопаток будет изменяться, то это приведёт к появлению вынужденных колебаний каждой рабочей лопатки с частотой, равной 2п.

При работе ступени турбоагрегата на нерасчётных режимах в лопатках возникают срывные колебания [27]. При этом переменные газовые силы не носят чётко выраженного периодического характера.

В случае, когда переменные силы, действующие на лопатку, равны силам диссипации и совпадают по частоте и фазе, возможно установление автоколебаний, которые являются опасными из-за резкого возрастания напряжений при небольшом изменении режима. Для лопаток компрессора возможны автоколебания при закритических углах атаки («срывной флаттер»). Изменение угла атаки ведет к изменению силы, действующей на лопатку. Если угол атаки на данном режиме меньше критического, то воздушный поток оказывает сопротивление колебанию лопатки. Если же угол атаки больше критического, то воздушный поток снабжает колеблющуюся лопатку дополнительной энергией. Таким образом, при недостаточной интенсивности демпфирования в материале лопатки и замке, в результате её случайных отклонений возможно возникновение флаттера [24].

Помимо специфических видов динамических деформаций, представленных выше, колебания лопаток можно классифицировать по их форме. Формы колебаний различают по количеству неподвижных точек на центральной оси лопатки или неподвижных линий на её поверхности, формирующихся в процессе колебаний [25]. Формы изгибных и крутильных колебаний представлены на рисунках 1.3 и 1.4, соответственно.

Каждой форме колебаний соответствует своя собственная частота, которая тем выше, чем больше номер формы. Однако в большинстве случаев наиболее опасной является первая форма колебаний, поэтому высшими формами во многих случаях пренебрегают.

Рисунок 1.3 - Изгибные колебания лопаток турбомашин

Рисунок 1.4 - Крутильные колебания лопаток турбомашин

Таким образом, одним из наиболее перспективных направлений получения информации о деформационном состоянии лопаток для обеспечения их безопасной эксплуатации является контроль параметров первой формы колебаний лопаток.

1.2 Преобразователи параметров колебаний лопаток и требования,

предъявляемые к ним

Определение технического состояния лопаток турбоагрегатов можно осуществить с применением бесконтактных средств диагностики на основе вихретоковых [11, 27, 29-31], индукционных [11, 27], ёмкостных, оптических [3238], волноводных [39-44] преобразователей. Выбор типа ПП осуществляется с учетом возможности его эксплуатации в условиях повышенной вибрации, высоких температур и перепадов давления. Также важным фактором в выборе ПП является его быстродействие и надежность конструкции.

Конкретизируя эти условия, можно отметить, что ПП параметров колебаний лопаток должны удовлетворять требованиям по условиям эксплуатации турбоагрегата, а именно:

- выдерживать воздействия высоких температур и агрессивных сред при наличии внешних электромагнитных полей;

- обеспечивать герметизацию турбоагрегата, не влияя на распределение потока газа внутри проточного тракта агрегата;

- обладать высоким быстродействием контрольно-измерительной аппаратуры, так как перемещение торцов лопаток турбоагрегата осуществляется с большими скоростями. Быстродействие измерительной аппаратуры должно быть не менее 1 секунды, это необходимо для обработки полученной информации и исключения аварийной ситуации [27].

Изучение опыта применения перечисленных выше преобразователей выявило ряд их недостатков. Так, например, вихретоковые преобразователи эксплуатируются в малом диапазоне рабочих температур, определяемом температурными свойствами изоляции сигнального провода. Индуктивные преобразователи с магнитным сердечником (индукционные) реагируют только на ферромагнитные материалы, которые практически не используются в современных газовых турбинах и не позволяют исследовать деформационное состояние лопаток из других материалов [28]. Кроме этого, применение индуктивных преобразователей с ферромагнитным сердечником ограничивается температурой Кюри, при превышении которой ПП теряет работоспособность. Рабочий зазор между торцом лопатки и индуктивным преобразователем зависит от диаметра измерительной обмотки, что не позволяет получить высокую чувствительность при миниатюризации конструкции датчика. Данный недостаток справедлив и для ёмкостных преобразователей.

Ёмкостные преобразователи обладают повышенной чувствительностью к электромагнитному излучению, так как они представляют собой открытую антенную систему, что затрудняет их использование вблизи электрогенераторов.

В отличие от рассмотренных выше типов датчиков оптоэлектронные ПП не требуют применения специальных видов изоляции сигнального провода, которым выполнена сигнальная обмотка индуктивных и вихретоковых преобразователей, так как светопроводящая система на основе термостойкого стекла обеспечивает

работоспособность системы до температур 450...500 °С. Применение световодов из кварцевого стекла обеспечивает работоспособность светопроводящей системы до температуры 1200 °С [27].

Особенности эксплуатации оптоэлектронных преобразователей определяются особенностями распространения оптического излучения. Наличие факторов, ухудшающих его характеристики, ведет к уменьшению расстояния воздействия. Такими факторами могут быть пыль, дым, влажность окружающей среды. Для компенсации влияния мешающих эксплуатационных факторов и подстройки под реальные условия эксплуатации ОЭП имеют регулировку чувствительности.

Волноводные СВЧ преобразователи свободны от всех приведенных выше недостатков, связанных с условиями эксплуатации 1111: загрязненность поверхности излучателя практически не влияет на распространение электромагнитного излучения; волноводный преобразователь, выполненный из жаропрочных сплавов, способен выдерживать высокие температуры эксплуатации. По этой причине данный тип преобразователей является одним из самых перспективных для контроля параметров колебаний лопаток.

Таким образом, анализ влияния эксплуатационных условий тракта турбоагрегата на работу ПП показал, что для определения деформационного состояния лопаток и измерения параметров их крутильных колебаний целесообразно использовать оптоэлектронные и волноводные СВЧ 1111.

1.3 Сравнительная оценка преобразователей параметров колебаний лопаток

В период эксплуатации турбоагрегата применяются два подхода для оценки параметров колебаний лопаток: контроль при проведении ремонтно-профилактических работ и эксплуатационный контроль. Наиболее качественная оценка технического состояния лопаток возможна во время проведения ремонтных работ, однако, при этом требуется полный вывод турбоагрегата из эксплуатации и, более того, его частичная разборка. По этой причине особый интерес представляют средства диагностики, позволяющие осуществить

эксплуатационный контроль - диагностику в процессе работы турбоагрегата под нагрузкой для определения оставшегося ресурса лопаток [45].

На рисунке 1. 5 приведена классификация современных методов

диагностики технического состояния лопаток, применяемых при эксплуатационном контроле, которые можно разделить на две большие группы: контактные и бесконтактные. Одним из основных контактных методов

диагностики является тензометрирование. Реализация данного метода

осуществляется путем наклеивания тензодатчиков на поверхность лопатки, которые при деформации контролируемой поверхности изменяют свое сопротивление. Выходной информационный сигнал тензодатчика с помощью

вращающегося токосъемника подают на регистрирующую аппаратуру.

Методы диагностики деформационного состояния лопаток

Контактные методы

К X сЗ 03

о

Он

Он

н

(I)

о со X

Н

Рисунок 1.5 - Классификация методов диагностики деформационного состояния лопаток турбоагрегатов при крутильных колебаниях

Основными недостатками метода тензометрирования являются низкий срок службы тензодатчиков, который в среднем составляет несколько десятков часов, а также сложность и большая трудоёмкость препарирования турбоагрегата [2].

К бесконтактным методам относятся: стробоскопирование, спектральный анализ, ДФМ.

Метод контроля технического состояния лопаток с помощью стробоскопирования представлен в работах [32, 34-36]. В основе метода лежит стробоскопический эффект, позволяющий получать изображения движущегося с высокой скоростью торца лопатки посредством, например, устройства, представленного рисунке 1.6, а. Для этого применяется источник излучения, формирующий синхронно с движением торцов последовательность световых импульсов, которые канализируются с помощью жгута оптических волокон в направлении траектории движения торцов контролируемых лопаток газотурбинного двигателя как показано на рисунке 1.6, б. Для увеличения угла обзора датчика в смотровое окно устанавливают рассеивающую линзу.

Рисунок 1.6 - Структурная схема устройства для контроля углового положения

торцов лопаток турбоагрегатов

Регистрация положения торцов лопаток осуществляется с помощью цифровой камеры, которая фиксирует изображения в инфракрасном или видимом спектрах. Для первичной обработки и хранения полученных изображений

положения торцов лопаток применяется процессор, соединенный с цифровой камерой. Синхронизация работы камеры осуществляется с помощью оборотного датчика таким образом, чтобы торец контролируемой лопатки наблюдался в смотровом окне на каждом обороте ротора турбоагрегата. Частота отсчета и выбор времени съемки цифровой камеры определяется процессором для создания набора данных изображений, зафиксированных в разные моменты времени для одной и той же лопатки [37]. Движение торца быстродвижущейся лопатки визуально фиксируется за счет использования источника высокоскоростной импульсной подсветки, в то время как затвор камеры находится в открытом состоянии (рисунок 1.6, б). Устройство позволяет получить с высоким разрешением изображения положений торца лопатки турбоагрегата, проходящего через смотровое окно со скоростью до 400 м/с.

Для идентификации одного или нескольких режимов колебательного процесса движущейся лопатки процессор обрабатывает серию информационных изображений.

В работе [36] предложено контролировать положение только входной или выходной кромки лопатки, как показано на рисунке 1.7, а, при этом отслеживается ситуация превышения допустимого диапазона параметров колебания лопатки (рисунок 1.7, б).

Диапазон

допустимого

Обзор

оптической системы

отклонения

Лопатка

лопатки

Хл\ Лоп

отклонения лопатки

Пределы допустимого

а)

б)

Рисунок 1.7 - Положение торца лопатки турбоагрегата при: а) отсутствии отклонений; б) отклонении лопатки за допустимые пределы

Сравнение полученных изображений торца лопатки позволяет отследить выход за пределы допустимого отклонения, например, выходной кромки лопатки. Использование предложенного метода ограничено ввиду сложности синхронизации времени прохождения торца лопатки и световой вспышки, особенно на переходных режимах, а также длительного времени накопления информации, необходимого для создания массива данных о техническом состоянии лопаток.

Метод спектрального анализа представлен в работе [28]. Метод основан на регистрации изменений частотного спектра сигналов ПП, фиксирующих положения торца лопатки за каждый оборот ротора.

Среди существующих бесконтактных методов контроля и измерений параметров колебаний лопаток в настоящее время получил широкое распространение ДФМ диагностики, представленный в работах [2,4,7,9,27,28,31]. В основе ДФМ определения параметров крутильных форм колебаний лопаток лежит возможность измерения разности пройденных расстояний колеблющимися входной и выходной кромками конкретной лопатки на каждом обороте ротора. Измеренная разность расстояний позволяет определить зависимость угла % поворота торца лопатки при наличии крутильных колебаний от относительных временных перемещений входной и выходной кромок лопатки [2]:

ctg% = (1 - ctg3- ctg3), g

где 3- угол установки периферийного сечения лопатки; g - положение узла деформации лопатки относительно датчика; y и y2 - перемещения входной и выходной кромок лопатки.

Устройство, реализующее ДФМ, как правило, включает в себя два периферийных преобразователя, установленных в корпусе турбоагрегата над траекторией движения торцов лопаток, генерирующих импульсы в момент прохождения мимо них входной и выходной кромок лопаток, как показано на рисунке 1.8. При регистрации крутильных форм колебаний на результат измерений оказывает влияние взаимное расположение преобразователей [33]. Для

фиксации максимального перемещения, как показано на рисунке 1.9, периферийный датчик Дп1 устанавливают над входной кромкой лопаток, датчик Дп2 - над выходной.

Рисунок 1.8 - Структурная схема устройства для контроля технического состояния лопаток при крутильных колебаниях

Временной интервал между импульсными сигналами, сформированными Дп1 и Дп2, пропорционален расстоянию, которое проходит входная кромка контролируемой лопатки до активной зоны датчика Дп1 после того, как выходная кромка лопатки появилась в активной зоне датчика Дп2. При колебаниях с частотой, некратной частоте вращения ротора, входные и выходные кромки лопатки будут проходить под датчиками разные расстояния на каждом обороте ротора. В зависимости от фазы колебаний лопатка на каждом обороте ротора будет появляться в активной зоне преобразователя либо раньше, либо позже [21]. На основании накопленной информации для выбранной лопатки вычисляется разница между максимальными и минимальными временными интервалами. Таким образом, размах колебания можно определить, зная скорость вращения ротора и проходимое входными и выходными кромками лопаток расстояние.

Если лопатка не совершает крутильных колебаний, расстояния, пройденные входными и выходными кромками лопатки, на каждом обороте ротора лопаточного колеса и при постоянной скорости его вращения будут равными.

Рисунок 1.9 - Расположение датчиков для измерения параметров крутильных

колебаний лопаток

Для выделения информации, соответствующей колебательным процессам конкретной лопатки и синхронизации работы устройства, предусмотрена установка оборотного датчика, генерирующего импульсный сигнал за каждый оборот ротора турбоагрегата.

Применение ДФМ имеет ограничения, связанные с синхронными колебаниями лопаток и частотой вращения ротора. Точность указанного метода зависит от объема накопленной информации (т.е. от количества оборотов ротора). Для повышения точности результатов измерения устанавливаются дополнительные периферийные датчики. Использование данного метода для определения параметров крутильных колебаний предполагает учет погрешности, вносимой осевым перемещением торцов лопаток во время эксплуатации, вызванным колебаниями ротора или обусловленным нагреванием и остыванием корпуса турбины [21].

Анализ научно-технической литературы показал, что в настоящее время развитие ДФМ для определения параметров крутильных колебаний нашло отражение в работах отечественных учёных Боришанского К.Н., Данилина А.И., Гусева В.Г., Заблоцкого И.Е., Коростелёва Ю.А., Шестакова В.Н., Шипова Р.А. [2,4,7,9,26,46,47]. Существенный вклад в развитие ДФМ внес коллектив отраслевой научно-исследовательской лаборатории электрических методов производственного контроля (ОНИЛ-5) КУАИ, в частности: Конюхов Н.Е., Медников В.А., Шатерников В.Е.

Один из первых этапов развития ДФМ отражен в работе Гусева В.Г., Шестакова В.Н. [47,48]. Авторами, в дополнение к классическому расположению датчиков в устройстве, введен измеритель смещения ротора с датчиком, позволяющим учитывать осевой сдвиг ротора, который приводит к осевому смещению лопаток в процессе увеличения частоты вращения ротора, что в свою очередь влияет на результат измерения угла разворота лопаток. Под воздействием осевого сдвига ротора каждый из периферийных датчиков фиксирует смещенное положение кромок лопаток, при этом сдвиг передней и задней кромок будет различным. В формулу определения угла разворота лопаток предложено ввести поправку для учета осевых смещений ротора:

х = - у2 - ^ОСТ - ^,

где у1 и у2 - перемещения входной и выходной кромок лопатки; £ - осевой сдвиг ротора; а и а2 - углы между касательными к периферийному сечению лопатки в месте установки периферийного датчика; й - расстояние между периферийными датчиками.

Величины поправки, вызванные осевым сдвигом для входной и выходной кромок лопатки, определяются следующим образом:

ус1 = Stgаl

^Уа2 = ^а2 ,

где у и у - отклонение кромок лопатки вследствие осевого смещения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бояркина Ульяна Викторовна, 2021 год

Источник

излучения

Фи1ьтр Компаратор мк

>

Рисунок 3.7 - Структурная схема оптоэлектронного канала преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток

Основными источниками инструментальной погрешности ОЭП являются источник излучения и фотоприемник. Если в качестве источника излучения используется светодиод, то разброс величины яркости внутри одной партии светодиодов может составлять до 30%. По этой причине следует ориентироваться на минимальные значения яркости светодиода, указанные в инструкции по эксплуатации.

В процессе измерения параметров крутильных колебаний возможно загрязнение отражающей поверхности торцов лопаток или оптических каналов ОЭП, которое приведет к снижению уровня сигнала на входе фотоприемника и его зашумленности. С учетом собственных шумов фотоприемника величина зашумленности информационного сигнала составляет уфп= 2 • 10 "4.

Временная задержка, получаемая при регистрации информационных импульсов, главным образом обусловлена инерционностью фотоприемника. Время задержки середины информационного импульса, сформированного фотоприемником, определяется выражением:

т

фп

Топ + V 2

где топ - задержка при включении фотоприемника;

т0# - задержка при выключении фотоприемника.

Следует отметить, что задержка сигнала не будет оказывать существенного влияния на измерение интервала времени между информационными импульсами, так как временному сдвигу подвергаются оба импульса.

С целью уменьшения шумовой составляющей в выходном сигнале фотоприемника используется фильтр нижних частот, который также вносит задержку в информационный сигнал, определяемую групповым временем задержки. Для пассивного однозвенного фильтра задержка будет равна постоянной времени цепи:

Тф = ЯС.

Аналогично задержке сигнала при переключении фотоприемника, данная задержка сигнала не будет оказывать существенного влияния на измерение интервала времени между информационными импульсами.

Для стабильности регистрации информационных импульсов используется компаратор с положительной обратной связью, как показано на рисунке 3.8, следствием которой является гистерезис сигнала на выходе компаратора.

Рисунок 3.8 - Компаратор оптоэлектронного канала

Ширина гистерезиса компаратора, с учетом компенсации нуля, определяется выражением:

Я

ин (ион - иоь),

Я1 + Я2

где и - напряжение верхнего логического уровня компаратора;

и - напряжение нижнего логического уровня компаратора. При этом должно выполняться условие:

иН »УфРоЬ

С учетом снижения уровня сигнала на входе компаратора из-за воздействия дестабилизирующих факторов реализуется адаптивный уровень компарирования. Для этого сигнал с выхода фильтра подается на вход АЦП микроконтроллера, в котором осуществляется определение пикового значения информационного сигнала и . Величина уровня компарирования определяется соотношением:

и = 0,7и .

опорн ' пик

При нормальном режиме работы ОЭП пиковое значение информационного сигнала составляет 2,5В. В случае, когда пиковое значение информационного сигнала составляет меньше 1В, микроконтроллер выдает сообщение об ошибке и измерения прекращаются.

Перестройка уровня компарирования осуществляется ЦАП микроконтроллера каждый оборот ротора для следующего измерения. Ошибка уровня компарирования определяется выражением:

и

AU,

_ ОПЦАП

ОПОР ~ -НЦАП

2

где иопцА11 - опорное напряжение ЦАП, ^щл - разрядность ЦАП.

При использовании в устройстве для определения параметров крутильных колебаний лопаток 12-битного ЦАП ошибка компарирования составляет A Uопор = 0,805мВ, UH = 2 мВ.

Время задержки, обусловленное работой компаратора, определяется выражением:

т = Аи ОПОР + ин

2БЯ

где БЯ - максимальная скорость нарастания сигнала.

Таким образом, время задержки компаратора составляет тк = 0,1мкс. Для измерения временных интервалов между информационными импульсами использовался микроконтроллер, в состав которого входит таймер. Точность измерения временных интервалов определяется частотой тактирования таймера микроконтроллера. Измерение времени осуществляется между серединами информационных импульсов, длительность импульсов также определяется с помощью таймеров, как показано на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Определение временного интервала между информационными импульсами

Погрешность определения середины импульса таймером равна пропуску одного такта на переднем фронте импульса, одного такта на заднем фронте импульса и одного такта при определении середины импульса. Таким образом, погрешность определения временного интервала между серединами двух импульсов равна шести тактам. Для микроконтроллера STМ32F407 с частотой тактирования таймера / = 48МГц погрешность определения временного

интервала составляет Ат = 0,125 мкс, что соответствует ут = 6,6 • 10 _3%.

Нестабильность частоты кварцевого генератора также вызывает постоянное запаздывание, которое определяется из условия:

1 1

ррт { '

^ Об

обе

' обе

Г

^ оз

ррт 1 +

106

V 10 У

Приведенная погрешность нестабильности кварцевого генератора:

у = Ат / = 2,5 -10 -3%.

/ ррт ррт^ тах '

Таким образом, основной вклад в инструментальную погрешность определения временного интервала вносит таймер микроконтроллера. Уменьшение данной погрешности может быть осуществлено за счет увеличения частоты тактирования таймера.

Суммарная относительная погрешность оптоэлектронного канала преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток составляет уоэп = 1,23 -10 -2%.

Таким образом, суммарная инструментальная погрешность преобразователя крутильных колебаний лопаток составляет уи = 0,3%.

3.4 Дополнительные погрешности блоков преобразователя параметров

крутильных колебаний

В разделе 3.1 рассматривались причины возникновения дополнительных погрешностей преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток. Одним из основных факторов, влияющих на режимы работы СВЧ и оптоэлектронных ПП является нестабильность температуры. Для минимизации температурного воздействия в зоне перепадов температуры располагают только элементы преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток, а блоки устройства, предназначенные для обработки и анализа сигналов, выносятся за пределы рабочей зоны. Кроме этого, для стабилизации температуры автодинный модуль, источники оптического излучения и фотоприемники располагаются внутри термостата, состоящего из датчика температуры и схемы её регулировки.

Температурное воздействие на элементы ПП приводит к их линейному расширению, которое необходимо учитывать при установке ПП в корпусе турбоагрегата [42]. Однако изменение температурного поля в месте расположения

ПП за интервал времени измерения параметров колебательного процесса происходит достаточно медленно, поэтому температурное воздействие в процессе интервала измерения можно считать постоянным.

В процессе определения технического состояния лопаток турбоагрегата возникают паразитные переотражения СВЧ сигнала от элементов внутреннего тракта турбоагрегата, а также паразитные засветки фотоприемников. По этой причине в измерительных цепях используются элементы регулировки для предварительной настройки чувствительности фотоприемников и дополнительные меры по компенсации паразитной составляющей автодинного сигнала. Автодинный модуль и фотоприемники преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток также чувствительны к электромагнитным помехам в цепях питания. Поэтому к стабильности источника питания предъявляются повышенные требования, а также должны выполняться экранировка сигнальных и питающих цепей.

Существенный вклад в дополнительную погрешность преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток вносит неточная юстировка ПП в корпусе турбоагрегата. Окружное смещение ПП при его установке в корпус турбоагрегата, как показано на рисунке 3.10, вносит дополнительную погрешность при измерении угла поворота торца лопатки.

Рисунок 3.10 - Смещение преобразователя по окружности при монтаже

В этом случае дополнительная погрешность определения угла поворота лопатки, обусловленная смещением преобразователя по окружности, будет равна углу смещения Аа. Точность установки преобразователя определяется ценой деления лимба контрольного угломера. При цене деления контрольного угломера Аа = +10' дополнительная погрешность составляет уд = 0,25%.

Для установки преобразователя необходимо, чтобы на корпусе 1111 и на корпусе турбоагрегата располагались установочные метки, при точном совмещении которых можно было судить о том, что преобразователь установлен правильно. Также следует отметить, что использование при монтаже преобразователя более точного угломера позволит значительно уменьшить дополнительную погрешность измерения угла поворота лопатки.

3.5 Погрешность измерения параметров крутильных колебаний лопаток

Погрешности измерения параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов определяются погрешностями преобразователя параметров крутильных колебаний, которая зависит от погрешностей измерения временного интервала. Данные погрешности для наихудших случаев определенны ранее в пунктах 3.1-3.4 и сведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Погрешности преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегата_

Погрешность Значение (%)

Методическая 0,55

Инструментальная 0,3

Дополнительная погрешность 0,25

Суммарная погрешность ( уу) 0,88

Для экспериментальной установки с параметрами, приведенными в таблице 2.1, основная приведенная погрешность определения временного интервала равна Уосн = 0,63%. С учетом дополнительной погрешности, определенной в пункте 3.4, результирующая приведенная погрешность определения временного интервала равна уа= 0,88%.

Угол поворота лопаток турбоагрегата определяется выражением (2.25). Погрешность измерения угла поворота лопаток зависит от погрешности

измерения временного интервала между информационными импульсами, частотой вращения лопаточного колеса и точности измерения расстояния между оптоэлектронными каналами:

8а =

\2 л2 У <-

8а —Ат

V ^ ,

+

8а —Аа da

+

8а

V dюв

Ас

0,5

(3.4)

где Ат- погрешность определения временного интервала между информационными импульсами, Ас5 - погрешность определения частоты вращения лопаточного колеса, Аа - погрешность определения расстояния между оптоэлектронными каналами.

Параметры, влияющие на погрешность измерения угла поворота лопатки: рад

сов = 41,5 л

Я = 0,1м; I = 0,035м; а = 0,014м; т = 1880мкс.

с

Ас = 0,2л ; Аа = 2 • 10~4 м; Ат = утт = 17мкс. с

Компоненты суммы в выражении (3.4) определялись по формулам:

8а dт

8а da

Ат =

св (Я + I)Ат

св (Я + т2Л

= 3,158 • 10

-3

а

1 +

V

а

У

Аа =

свт( Я + I )Аа

= 5,127 • 10-3;

г св ( я +1 т2л

а

1+

V

V

а

У

У

8а к (Я + 1)тАс -АС =—т- 4 '

в

dс

в

а

г

1 +

св (Я + I)т

2 Л

= 3,459•10

-3

V

а

У

В общем виде выражение (3.4) можно представить в виде:

8а =

ас (Я +1)

а2 + (с (Я +1 )т)2

■Ат

+

свт( Я +1)

А2 (

а2 + (с (Я +1 )т)2

Аа

+

а( Я +1 )т

а2 + (с (Я +1 )т)

2 Ас

0,5

2

2

Для экспериментальной установки с параметрами, приведенными в таблице 2.1 приведенная погрешность угла поворота равна 0,71%.

В соответствии с (2.25) погрешность определения амплитуды крутильных колебаний лопатки:

5®к=5а. (3.5)

Приведенная погрешность определения угла поворота с учетом формулы (3.5) равна 0,71%

Оценка погрешностей измерения амплитуды, частоты и фазы крутильных колебаний лопаток турбоагрегата с помощью преобразователя с комплексированным чувствительным элементом на основе четырехканального ОЭП выполняется методом наихудшего случая. Интервалы времени между информационными импульсами с помощью таймера микроконтроллера определяются дискретно, по этой причине истинные значения интервалов времени будут лежать между двумя дискретными значениями, нижним уровнем и верхним уровнем ^ интервала, полученными от таймера. Интервал между истинным значением и уровнями выбирается не меньше абсолютной погрешности таймера микроконтроллера, вычисленной в пункте 3.3.2.

С учетом того, что ошибка при измерении каждого из трех информационных интервалов времени может быть как в сторону нижнего уровня, так и в сторону верхнего уровня следует рассмотреть восемь вариантов решения системы уравнений (2.39) и выбрать наихудшие значения.

Варианты информационных интервалов времени полученных в процессе измерений представлены в таблицы 3.3

N Т, мкс т2, мкс т3, мкс

1 'Н1 'Н 2 'Н 3

2 ' В1 'н 2 'Н 3

3 'Н1 '■В 2 'Н 3

4 'В1 ''В 2 'Н 3

5 'Н1 'Н 2 'В3

6 'В1 'Н 2 'В3

7 'Н1 ''В 2 'В3

8 'В1 ' В 2 ' В 3

Результаты оценки погрешности определения параметров крутильных колебаний лопаток сведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Результаты оценки погрешности параметров крутильных ^ колебаний

N тх, мкс т2, мкс тъ, мкс /к, Гц Фк

1 116,5 494,4 556,2 19,996 504,789 -0,01

2 116,75 494,4 556,2 19,939 498,88 -0,065

3 116,5 494,65 556,2 20,111 508,426 -0,108

4 116,75 494,65 556,2 20,054 502,619 -0,182

5 116,5 494,4 556,45 19,939 510,86 -0,076

6 116,75 494,4 556,45 19,882 505,109 -0,151

7 116,5 494,65 556,45 20,054 514,396 -0,194

8 116,75 494,65 556,45 19,996 508,743 -0,432

Выбираем наихудшие значения среди результатов оценки погрешности амплитуды, частоты и фазы крутильных колебаний лопаток, соответственно вк= 19,882°, /к = 514,396Гц и ф =-0,432°. Таким образом, относительная погрешность амплитуды и частоты крутильных колебаний лопаток, измеренные преобразователем с комплексированным чувствительным элементом на основе четырехканального ОЭП составляют:

У& = 0,59% ур = 1,86% Г9= 0,24%

3.6 Выводы по главе 3

1. Классификация погрешностей преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток показала, что основными компонентами погрешности устройства являются методическая, инструментальная и дополнительные погрешности.

2. Анализ процесса образования методической погрешности преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток выявил, что основными факторами её формирования являются линеаризация траектории движения торца лопаток при определении технического состояния и неточное определение радиального направления оси лопатки при изгибных колебаниях.

3. Анализ инструментальных погрешностей СВЧ канала выявил, что главным фактором формирования погрешности являются собственные шумы автодина, погрешности усилительных каскадов и АЦП микроконтроллера.

4. Анализ инструментальных погрешностей оптоэлектронного канала выявил, что главным фактором формирования погрешности являются неточность измерения временных интервалов.

5. Анализ дополнительных преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток показал необходимость термостабилизации автодинного модуля и фотоприемников, а также необходимость контроля точности юстировки преобразователя при его монтаже в корпусе турбоагрегата.

6. Произведена оценка погрешности двухканального преобразователя параметров крутильных колебаний при измерении угла поворота и амплитуды крутильных колебаний лопатки для экспериментальной установки, которая составила 0,71%.

7. Произведена оценка погрешностей четырехканального преобразователя параметров крутильных колебаний при измерении амплитуды, частоты и фазы крутильных колебаний лопатки, которые составили у& = 0,59%, ур = 1,86% и

Уф = 0,24% соответственно.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОАГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСИРОВАННОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

На рисунке 4.1. представлен экспериментальный стенд для определения метрологических и эксплуатационных характеристик преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов, выполненного на основе комплексированного чувствительного элемента с использованием СВЧ и оптоэлектронных преобразователей.

Рисунок 4.1- Экспериментальная установка для исследования преобразователя параметров крутильных колебаний

Экспериментальный стенд состоит из имитатора микротурбины, комплекта специально изготовленных имитаторов лопаток, с величиной микронеровностей на торцах с Яа = 50нм, стальной рамы для монтажа преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток в соответствии с требуемыми установочными зазорами и под различными углами к поверхности торцов контролируемых лопаток, а также источников питания и осциллографа OWON 088302 для регистрации выходных сигналов преобразователя.

Параметры имитатора микротурбины приведены в таблице 2.1. Исследования характеристик преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов проводились в нормальных условиях.

Контроль установочного зазора между торцом лопатки и ППЭ преобразователя параметров крутильных колебаний осуществлялся поверенным микрометром МК-25 с допуском ± 2 мкм. Контроль установочного угла между диском и торцом лопатки осуществлялся поверенным угломером с нониусом 4УМ с допуском ± 10'.

4.1 Исследование информационных сигналов преобразователя параметров

крутильных колебаний лопаток от величины установочного зазора

Для определения рекомендаций по выбору величины установочного зазора между ППЭ первичного преобразователя и торцом контролируемой лопатки проводилось исследование его влияния на информационные сигналы преобразователя.

Схема экспериментальной установки для исследования выходного сигнала оптоэлектронного канала преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток от величины установочного зазора представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Экспериментальная установка для исследования зависимости параметров информационных сигналов преобразователя параметров крутильных

колебаний лопаток от установочного зазора

В металлической раме экспериментального стенда смонтирована неподвижная нониусная система регулировки и фиксирования зазора, на которую устанавливается излучатель оптоэлектронного канала ПП. С выхода ОЭП сигнал поступает на усилитель, а затем на осциллограф для измерения параметров информационного сигнала. Питание электронной части схемы осуществляется источником питания со стабилизированным выходным напряжением.

Оптоэлектронный канал состоит из чередующихся 4 приемных и 5 излучающих световодов диаметром 0,5 мм, расположенных в металлической защитной трубке. Зондирующее излучение формируется светодиодом ОБЬ-3014ЦКС10, приём излучения осуществляется фототранзистором BPW85C [79]. Зависимость выходного напряжения оптоэлектронного канала от величины установочного зазора представлена на рисунке 4.3 [80].

1

0,5

0

0 2 4 4,5 5,5 6 8 £ мм

Рисунок 4.3- Зависимость амплитуды информационного сигнала оптоэлектронного канала от величины установочного зазора

При использовании в качестве отражателя стальной пластины шириной 5 мм сигнал и (£) возрастает до величины зазора 1 мм, при дальнейшем увеличении зазора выходное напряжение оптоэлектронного канала уменьшается. При использовании в качестве отражателя цилиндрической поверхности радиусом 5 мм сигнал и2 (£) с увеличением зазора монотонно убывает. Для

Г / 'абочий д иапазон

1 I \ »/ \ г * \ * \ 1 \ г \ 1 1 \ 1 1 Л Г 1 \ 1 Л 1 г 1 1 1 » /

* 1 1 Г 1 1 1 \ -1/2 Чш

однозначного определения изменения величины зазора необходимо выбрать линейный участок характеристики в диапазоне зазоров % = 1,5...6,0мм [80].

Зависимость амплитуды информационного сигнала СВЧ канала преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток от величины зазора

между ППЭ и контролируемой поверхностью представлена на рисунке 4.4 [81].

Шв

0.5

0

-0.5

-1

ч \ ч у ч \ ч \ 1 \ / Ра / бочий диапаз он

1 \ 1 \ 1 \ 1 \ 1 у 1 Л 1 1 \ 1 \ ■ V 1 Л г г / 1 / г / I / I / I / 1 ! 1 1 1 ■к 1 1 1 1 "к / 1 1 / ;

1 V 1 у г X г 1 ч V г Л 1 * * * /

0

4 4,5 5,5 6

8

С мм

Рисунок 4.4 - Зависимость амплитуды информационного сигнала СВЧ канала от

величины установочного зазора

В эксперименте использовался СВЧ канал, выполненный на основе автодинного модуля «Тигель-08». Как и в эксперименте с оптоэлектронным каналом, использовались отражатели, имитирующие разные участки поверхности лопатки: плоская стальная пластина шириной 5 мм (и(%)) и отражатель с цилиндрической поверхностью радиусом 5 мм (ЦУ2 (%)). Для однозначного

определения изменения величины зазора необходимо выбрать нарастающие или спадающие линейные участки характеристики [80].

Таким образом, рабочие точки оптоэлектронного и СВЧ каналов должны лежать на линейных участках характеристик, соответствующих одному зазору. Под данное требование лучше всего подходят два диапазона установочных зазоров 1,5...2,5мм и 4,5...5,5мм, из которых более предпочтительным является

диапазон установочного зазора 4,5...5,5мм ввиду большей равномерности характеристик.

4.2 Исследование зависимости амплитуды информационных сигналов преобразователя параметров крутильных колебаний от углового положения

отражателя

Структурная схема экспериментальной установки для определения зависимости информационных сигналов преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток от углового положения отражателя представлена на рисунке 4.5.

4

Рисунок 4.5 - Структурная схема экспериментальной установки для определения амплитуды информационного сигнала при изменении углового положения отражателя

В центре поворотной платформы 1 устанавливается преобразователь параметров крутильных колебаний 2 таким образом, чтобы ППЭ изменял свое угловое положение в оба направления поворота. Перед ППЭ в направлении 0° неподвижно устанавливается цилиндрический отражатель 3 таким образом, чтобы при повороте платформы расстояние между отражателем и ППЭ оставалось неизменным. Информационный сигнал с выхода преобразователя параметров

крутильных колебаний подается на цифровой осциллограф 4 для регистрации результатов эксперимента.

Зависимости амплитуды информационных сигналов оптоэлектронного и СВЧ каналов от углового положения отражателя представлены на рисунке 4.6. При смещении отражателя в диапазоне углов от -5° до 5° амплитуда информационного сигнала СВЧ канала уменьшается не более чем на 1%. Ширина сектора, в котором амплитуда сигнала оптоэлектронного канала изменяется не более чем 0,7 раза, составляет около 20° [80].

(р, град

Рисунок 4.6 - Зависимость амплитуды информационных сигналов оптоэлектронного и СВЧ каналов от углового положения отражателя

4.3 Исследование динамических характеристик преобразователя параметров

крутильных колебаний лопаток

Проверка динамических характеристик преобразователя для определения угла поворота и амплитуды крутильных колебаний лопаток осуществлялась на экспериментальной установке, представленной на рисунке 4.7. На стальной раме 1 экспериментального стенда над траекторией движения торцов лопатки устанавливается излучатель 2 преобразователя параметров крутильных колебаний

лопаток, формирующий зондирующее оптическое и СВЧ излучение в направлении контролируемой поверхности. Отражаясь от торцов лопаток, установленных в лопаточном колесе 3, которое приводится в движение электродвигателем 4, излучение поступает на ППЭ первичного преобразователя. В результате, на его выходе формируются информационные сигналы, которые после дальнейшей фильтрации, усиления и компарирования в блоке 5 выводятся на экране осциллографа 6 О^ОЫ ВБ8302. Для синхронизации осциллографа используется оборотный датчик 7, взаимодействующий с оборотной меткой 8, установленной на диске лопаточного колеса. Питание схемы осуществляется стабилизированным источником напряжения 9.

Рисунок 4.7 - Структурная схема экспериментальной установки для исследования динамических характеристик преобразователя параметров крутильных колебаний

лопаток турбоагрегата

В результате статистического накопления информации выбираются осциллограммы сигнала с выхода СВЧ канала, соответствующие установочному зазору 5 мм, пример осциллограммы приведен на рисунке 4.8. Информация об углах поворота лопатки содержится в длительности временного интервала между прямоугольными импульсами, полученными при взаимодействии двух оптоэлектронных каналов с контролируемым торцом. Осциллограмма сигнала с

выхода фотоэлемента при взаимодействии преобразователя параметров крутильных колебаний с лопаткой, закрученной на 3,67°, представлена на рисунке 4.9 [21]. Сигнал имеет форму колоколообразных импульсов, расположенных на временных осях осциллографа один под другим (при соответствующей их синхронизации), так как при таком угле поворота кромки лопатки проходят под излучателями ОЭП практически одновременно.

Рисунок 4.8 - Осциллограмма на выходе СВЧ канала, соответствующая

установочному зазору 5 мм

Рисунок 4.9 - Осциллограмма сигнала на выходе оптоэлектронного первичного преобразователя, соответствующая углу поворота лопатки 3,67°

Анализируя вид представленной выше осциллограммы, можно сделать вывод, что для более эффективного определения положения торца лопатки сигнал нуждается в усилении, фильтрации и компарировании. На рисунке 4.10 представлена осциллограмма сигнала на выходе компаратора.

ш ЭП StoL - -fl- ^037 8.3ms ^

г

{ _ -

©2VBW- и . и и d i v (SOQMS/s) ГмТ 200us Я [ _Г 1.5 2V

Qzv- -3 . 08div : Depth:10M

©F: 83.06Hz © Vp 4.800v

Рисунок 4.10 -Осциллограмма сигнала на выходе компаратора, соответствующая

углу поворота лопатки 3,67°

На рисунках 4.11 и 4.12 представлены осциллограммы сигналов, соответствующих углам поворота 61° и 67°, соответственно. Следует отметить, что при уменьшении угла поворота лопатки относительно плоскости диска лопаточного колеса происходит увеличение временного интервала между информационными импульсами.

E> В " i i r ' i ' ' ' ' i .............. ...........

©2VBW- O.OOdiv (5 OOMS/s) Depth : 10M M : 2 0 Ous ► G J-1.52V J

@2V- -3 . 08div Тип

COXP .

GJ _

Рисунок 4.11 - Осциллограммы сигналов на выходе компаратора, соответствующие углу поворота лопатки 61°

Рисунок 4.12 -Осциллограммы сигналов на выходе компаратора, соответствующие углу поворота лопатки 67°

На рисунке 4.13 представлены осциллограммы, полученные при взаимодействии преобразователя с торцами трех лопаток, установленных с углом поворота 3,67°, 61° и 67°, слева направо. При увеличении угла поворота происходит уменьшение длительности информационных импульсов.

Рисунок 4.13 -Осциллограммы сигналов на выходе компаратора, при взаимодействии преобразователя с лопатками, закрученными на 3,67°, 61° и 67°

Для оценки экспериментальных результатов и математического моделирования в таблицу 4.1 сведены расчетные и экспериментальные значения временных интервалов, соответствующих углам поворота лопаток, установленных в диске.

Таблица 4.1 - Расчётные и экспериментальные значения углов поворота

Величина Расчетные значения Экспериментальные Экспериментально

угла временного значения временного определенная

поворота интервала, мкс интервала, мкс величина угла

лопатки, ° поворота лопатки, °

3,67 51 50 3,6

61 1435 1410 60,57

67 1880 1835 66,57

Для определения величины угла поворота лопатки было проанализировано 100 осциллограмм. Данное количество осциллограмм позволяет выбрать для анализа момент времени, когда лопатка изогнута не более 2% от амплитудного значения с вероятностью 0,9. Результаты математического моделирования и эксперимента по определению угла поворота торца лопатки отличаются не более чем на 0,19%.

4.4 Выводы по главе 4

1. Экспериментальное исследование амплитуды информационных сигналов преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток от величины установочного зазора и = / (£) показало хорошую корреляцию экспериментальных и расчетных информационных сигналов. Амплитуда огибающей информационных сигналов преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов уменьшается с увеличением расстояния до контролируемой поверхности. Для определения параметров крутильных колебаний лопаток при данном конструктивном исполнении ПП лучше всего подходят два диапазона установочных зазоров: 1,5...2,5мм и 4,5...5,5мм, из которых более предпочтительным является диапазон установочного зазора 4,5...5,5мм ввиду большей равномерности амплитудных характеристик.

2. Экспериментальные исследования зависимости амплитуды выходного сигнала оптоэлектронного преобразователя от углового положения поверхности торца контролируемой лопатки и = / (а) показали, что ширина зоны взаимодействия преобразователя, в которой амплитуда информационного сигнала изменяется не более чем 0,7 раза, составляет 20°.

3. Исследование взаимодействия преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов с поверхностью имитаторов торцов лопаток с углами поворота 3,67°, 61° и 67° показало хорошую корреляцию величины информационных временных интервалов с результатами, полученными при исследовании математической модели.

4. В результате статистической обработки и анализа 100 осциллограмм информационного сигнала преобразователя параметров крутильных колебаний определены углы поворота лопаток: 3,6°, 60,57° и 66,57°; результаты математического моделирования информационных сигналов отличаются от результатов эксперимента не более чем на 0,19 %.

5 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБОАГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСИРОВАННОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

По результатам исследований преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов, выполненного на основе СВЧ и оптоэлектронных преобразователей, разработано устройство для определения параметров крутильных колебаний, структурная схема которого рассматривалась в пункте 2.1.

5.1 Конструкция преобразователя параметров крутильных

колебаний лопаток

Комплексированный чувствительный элемент 1111 параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов состоит из СВЧ и оптоэлектронных преобразователей, конструктивно объединенных в одном корпусе [82]. СВЧ преобразователь состоит из автодинного модуля, выполняющего функции генератора, приемника и смесителя сигналов, и волноводной системы, формирующей электромагнитное излучение в направлении контролируемой поверхности.

Автодинный генератор выполнен на гибридно-интегральном модуле «Тигель-08» на основе планарных диодов Ганна. Основные технические характеристики модуля «Тигель-08» приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Основные технические характеристики модуля «Тигель-08»

Параметр Значение

Рабочее напряжение модуля, В 3,8

Рабочий ток модуля, мА 76

Мощность излучения, мВт 0,45

Частота излучения, ГГц 34,5

Габариты, мм 24х14х6

Излучатель СВЧ преобразователя выполнен на основе круглого волновода диаметром 8 мм. С внешней стороны волновода выполнена резьба М10, посредством которой он вворачивается в центр каркаса, в котором смонтированы ОЭП. При изготовлении излучателя используется нержавеющая сталь марки

12Х18НТ, поскольку данный материал устойчив к тяжелым эксплуатационным условиям внутреннего тракта турбоагрегата. Для предотвращения воздействия агрессивных сред на ПП внутреннее пространство волновода заполняется диэлектриком: радиопрозрачной керамикой или кварцевым стеклом [42]. Для герметизации зазора между внутренней поверхностью волновода и диэлектрической вставкой используется герметик типа ЬОСТГТБ. Для уменьшения влияния электромагнитных помех, питание автодинного генератора осуществляется с помощью короткого экранированного кабеля. Экран кабеля соединяется с анодом автодинного модуля посредством пайки.

Фотография внешнего вида первичного СВЧ преобразователя представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Первичный СВЧ преобразователь

Излучающая система ОЭП состоит из четырех пучков световодов, расположенных внутри защитного кожуха параллельно стенкам круглого волновода и формирующих излучение в направлении поверхности торца контролируемой лопатки, как показано на рисунке 5.2 [66]. В результате, излучатели ОЭП располагаются в вершинах прямоугольника, большая сторона

которого параллельна направлению движения лопаток [65], как показано на

1 - автодинный модуль , 2 - штырь, 3 - волновод, 4 - световоды

Рисунок 5.2 - Схема первичного преобразователя параметров крутильных

колебаний лопаток

Рисунок 5.3 - Фотография первичного преобразователя параметров крутильных колебаний лопаток с комплексированным чувствительным элементом

Каждый оптоэлектронный канал состоит из 4 приемных и 5 передающих световодов диаметром 500 мкм, расположенных между собой в шахматном порядке. Световоды изготавливаются из кварц-полимерного оптического волокна, рассчитанного на длину волны зондирующего излучения 660 нм. Ввод и прием излучения в световоды осуществляется с помощью оптических коннекторов. Фиксация световодов в защитном кожухе осуществляется герметиком типа

ЬОСТГТБ. На внешней стенке защитного кожуха выполняется резьба, с помощью которой ПП монтируется в корпусе турбоагрегата.

Внешний вид ПП для определения параметров колебаний лопаток показан на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 -Первичный преобразователь для определения параметров

крутильных колебаний лопаток

5.2 Схемотехническая реализация СВЧ канала

Регистрация автодинного отклика осуществляется по схеме с включением нагрузочного резистора в цепь питания диода Ганна. Схема, представленная на рисунке 5.5, обладает низкой стоимостью и наиболее простым конструктивным исполнением, однако, обладает низким коэффициентом полезного действия, так как часть энергии расходуется на нагрев нагрузочного резистора R1 при протекании через него тока.

Для обеспечения стабильности напряжения питания автодинного модуля используется стабилизатор напряжения, реализованный на операционном усилителе DA1 с отрицательной обратной связью и элементах R1, R3 и VT1. В результате с помощью операционного усилителя DA1 и транзистора VT1

поддерживается постоянное напряжение, заданное источником опорного напряжения, и обеспечивается практически нулевое входное сопротивление схемы регистрации относительно анода автодинного модуля [83].

Источник опорного напряжения выполнен на параметрическом стабилизаторе состоящем из стабилитрона УП1 с напряжением стабилизации 8,2 В и токоограничивающего резистора Я7. Регулировка опорного напряжения осуществляется переменным резистором Я2.

Автодинный сигнал регистрируется на резисторе Я\ с помощью усилителя ПА2, реализованного на малошумящих ОУ ТЬ071. Ввиду значительной величины тока питания автодинного модуля резистор Я1 будет рассеивать значительную мощность в виде тепла, поэтому его номинальная мощность должна составлять не менее 2Вт.

Для компенсации смещения нуля усилительных каскадов ПА2 и ПА3 применяются переменные резисторы Я8 и Я13 соответственно.

Для увеличения отношения сигнал-помеха автодинного преобразователя в цепях питания устанавливаются фильтры, состоящие из блокировочных индуктивностей Ь1, Ь2, электролитических конденсаторов С 6, С 7, шунтирующих низкочастотные помехи и керамических конденсаторов С4, С5 шунтирующих высокочастотные помехи.

Электрическая принципиальная схема СВЧ-канала преобразователя приведена на рисунке 5.5.

5.3 Схемотехническая реализация оптоэлектронного канала

Для регистрации положения торца лопатки используются оптоэлектронные преобразователи, состоящие из источника излучения и фотоприемника. Источник зондирующего излучения, представленный на рисунке 5.6, реализован на светодиоде УП1 и токоограничивающем резисторе Я1. Питание светодиодного излучателя осуществляется специализированным источником со стабилизацией тока.

Рисунок 5.5 - Принципиальная электрическая схема СВЧ канала преобразователя

Рисунок 5.6 - Принципиальная электрическая схема оптоэлектронного канала на основе фототранзистора

Приемник отраженного от контролируемой поверхности излучения реализуется на фоточувствительных элементах, таких как фотодиод и фототранзистор. Наиболее широкое применение в схемах преобразования освещенности в электрический сигнал получили фотодиоды. Схема, представленная на рисунке 5.7, позволяет преобразовать выходной ток светодиода в электрический сигнал.

Сигнал на выходе операционного усилителя описывается выражением:

ивьа = 1РК2,

где I - ток, протекающий через светодиод под воздействием светового потока.

Из-за низкой чувствительности к световому потоку фотодиода УВ1, сопротивление резистора Я2 в цепи обратной связи операционного усилителя ВА1 должно составлять единицы МОм. Большое сопротивление резистора в цепи обратной связи усилителя дает значительный температурный дрейф напряжения из-за температурного коэффициента входного тока усилителя [84]. Для компенсации данной ошибки к неинвертирующему входу ОУ подключают резистор Я1 с сопротивлением, равным сопротивлению резистора Я2. Устранение большей части шума осуществляется добавлением емкостной

развязки С1 [84,85].

Рисунок 5.7 - Схема преобразования тока фотодиода в напряжение

Фототранзисторы обладают большей чувствительностью к световому потоку, однако обладают существенной инерционностью из-за перезаряда емкости коллекторно-базового перехода малым фототоком [86]. Для повышения рабочих частот используется схема подключения фототранзистора УТ1 с общим коллектором, представленная на рисунке 5.7, в которой информационный сигнал регистрируется с помощью преобразователя ток в напряжение, выполненном на операционном усилителе ПА1 и резисторе Я2 .

Цепи компенсации смещения нуля усилителя ПА1 выполнены на резисторах Я3 и Я4 соответственно.

С целью уменьшения влияния низкочастотных шумов на информационный сигнал на выходе преобразователя ток в напряжение устанавливается ФНЧ, выполненный на элементах Я5 и С3 [87].

Для устойчивой регистрации информационных импульсов микроконтроллером применяется компаратор, выполненный на ОУ ПА2 и резисторах Я6 и Я7 . С целью уменьшения влияния шумов на входы компаратора вводится положительная обратная связь с помощью резистора Я8 . Цепи компенсации смещения нуля компаратора ПА2 выполнены на резисторах Я9 и Я10 соответственно.

Уровень срабатывания компаратора задается с помощью ЦАП, что позволяет выполнить коррекцию в случае изменения амплитуды информационных импульсов. Для этого каждый оборот ротора с помощью встроенного АЦП микроконтроллера осуществляется считывание пикового значения информационного импульса на выходе фильтра, затем эти значения анализируются и перед следующим циклом измерения осуществляется коррекция уровня компарирования.

В случае, если в зоне взаимодействия преобразователя появляется торец лопатки, загорается светодиод УП2, предназначенный для индикации захвата сигнала компаратором во время предварительной настройки оптоэлектронного преобразователя.

Для увеличения отношения сигнал-помеха оптоэлектронного преобразователя в цепях питания устанавливается блокировочные индуктивности Ь1, Ь2, для уменьшения шумов в области нижних частот - электролитические конденсаторы С2, С5, для уменьшения шумов в области высоких частот -керамический конденсатор С1, С4.

Согласование выхода 5 В оптоэлектронного преобразователя со входом 3,3 В микроконтроллера осуществляется с помощью диода Шоттки УВ3.

Для уменьшения влияния гистерезиса при формировании информационного сигнала могут применяться быстродействующие операционные усилители, а также специальные схемы компарирования [88].

На рисунке 5.8 приведена фотография печатной платы устройства для определения параметров крутильных колебаний лопаток турбоагрегатов.

Рисунок 5.8 - Печатная плата преобразователя параметров крутильных

колебаний лопаток

Для уменьшения паразитной засветки фототранзистора от расположенного рядом светодиода на прозрачную часть корпуса фототранзистора и светодиода надеваются защитные кембрики, ограничивающие попадание светового потока вне линзы. Канализация светового потока от излучателя осуществляется с помощью кварцевых световодов.

5.4 Реализация схемы обработки информационного сигнала

Для преобразования аналоговых информационных сигналов СВЧ и оптоэлектронных ПП в цифровую форму реализована схема обработки информационного сигнала на микроконтроллере STM32F407VG, с максимальной частотой тактирования 168 МГц. Данный микроконтроллер обладает высоким быстродействием и значительной функциональностью периферийных устройств, из которых задействованы: интерфейс SPI, 12-разрядный АЦП с частотой преобразования 2,4 ЖГц, пять портов ввода-вывода, имеющие возможность работы с внешними прерываниями, таймеры и поддержка USB для передачи данных на ЭВМ. Оптимальным вариантом реализации схемы обработки информационного сигнала является применение отладочной платы STM32F4DISCOVERY, позволяющей осуществить подключение к периферийным устройствам микроконтроллера, как показано на рисунке 5.9.

Схема обработки информационного сигнала работает следующим образом. В момент, когда датчик оборотов (ДО) взаимодействует с оборотной меткой, срабатывает внешнее прерывание на порту микроконтроллера и запускается таймер для определения частоты вращения ротора.

Информационные сигналы с оптоэлектронных каналов (ОЭК1...ОЭК4) поступают на порты микроконтроллера и вызывают внешние прерывания в случае нарастания фронта сигнала. В момент первого прерывания запускается таймер, который измеряет временные интервалы между первым и последующим прерываниями. Значения информационных временных интервалов записываются в памяти микроконтроллера.

Сигнал с выхода СВЧ канала (СВЧК) преобразуется в цифровой код с помощью встроенного АЦП микроконтроллера. Из массива полученных значений выбирается максимальное значение, которое соответствует текущему зазору между преобразователем и торцом лопатки. В случае, если контролируемая лопатка подвергается минимальным изгибным деформациям, измеренные временные интервалы, соответствующие положению входных и выходных кромок лопатки, анализируются, выполняется вычисление параметров

крутильных колебаний, архивирование данных и формирование команд для системы управления режимами работы турбоагрегата.

Рисунок 5.9 - Схема обработки информационных сигналов на

STM32F4DISCOVERY

Коррекция уровня компарирования сигналов ОЭП осуществляется посредством ЦАП DAC8512FSZ, расположенных на плате коррекции и управляемых по интерфейсу SPI. Для выполнения коррекции уровня компарирования сигнал с выхода фильтра поступает на АЦП микроконтроллера, в котором определяется величина опорного напряжения, достаточная для безошибочного определения наличия информационного импульса.

Для передачи данных на ЭВМ программа микроконтроллера реализует виртуальный COM-порт через шину USB. Для приема данных необходимо, чтобы на ЭВМ был установлен драйвер STSW-STM32102: просмотр переданной информации может быть осуществлен в терминальной программе.

Алгоритм обработки информационного сигнала представлен на рисунке

5.10.

Рисунок 5.10 - Алгоритм обработки информационного сигнала

Внешний вид схемы обработки информационных сигналов реализованный на модуле STМ32F4DISCOVERY, представлен на рисунке 5.11.

Рисунок 5.11 - Реализация схемы обработки информационных сигналов на

STM32F4DISCOVERY

Разработанное устройство позволяет определять амплитуду, частоту и фазу крутильных колебаний лопаток для систем управления режимами работы турбоагрегатов. Внешний вид устройства представлен на рисунках 5.12 и 5.13. Основные технические характеристики устройства представлены в таблице 5.2.

Рисунок 5.12 - Внешний вид передней панели устройства для контроля параметров крутильных колебаний лопаток

* да

Рисунок 5.13 - Внешний вид задней панели устройства для контроля параметров

крутильных колебаний лопаток

Данное устройство используется ПАО «Кузнецов» в процессе стендовых

испытаний по изучению вибронагруженности лопаток вентиляторной ступени на

изделии Д-4 в виде устройства для бесконтактного определения параметров

колебаний и в учебном процессе Самарского университета по специальности

(160901.65) «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей» в

курсе «Электрические измерения» в составе лабораторной работы «Исследование

состояния лопаток турбомашин бесконтактными способами».

Таблица 5.2 - Основные технические характеристики преобразователя для контроля параметров крутильных колебаний лопаток_

Параметр Значение