Системы измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Тулупова, Виктория Владимировна

• Тулупова, Виктория Владимировна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тулупова, Виктория Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

1 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОКООРДИНАТНЫХ СМЕЩЕНИЙ ТОРЦОВ ЛОПАТОК И ЛОПАСТЕЙ.

1.1 Газотурбинные двигатели как объекты измерения.

1.2 Существующие кластерные методы измерения координатных составляющих смещений с помощью одновитковых вихретоковых датчиков.

1.3 Предлагаемые методы.

1.3.1 Кластерный метод измерения измерения X, Y, Z-координат смещений торцов лопаток.

1.3.2 Кластерный метод измеренияX, Y, Z, ^координат смещений торцов лопастей.

1.3.3 Метод измерения У-координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров).

1.4 Концепция измерений, обобщающая существующие и предлагаемые методы измерения многокоординатных смещений торцов лопаток и лопастей.

1.5 Обзор существующих и перспективных одновитковых вихретоковых датчиков для использования в кластерных методах измерения.

Выводы к разделу

2 СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОКООРДИНАТНЫХ СМЕЩЕНИЙ ТОРЦОВ ЛОПАТОК И ЛОПАСТЕЙ.

2.1 Обобщенная структурно-функциональная схема.

2.2 Алгоритмы функционирования.

2.2.1 Алгоритмы управления преобразованиями и вычислениями.

2.2.2 Алгоритмы вычисления координат.

2.2.3 Алгоритм моделирования неизмеряемых X, Z— координат смещений торцов лопастей винтовентилятора.

2.2.4 Алгоритмы обнаружения колебаний лопаток.

Выводы к разделу 2.

3 ПОГРЕШНОСТИ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ СМЕЩЕНИЙ ТОРЦОВ ЛОПАТОК И ЛОПАСТЕЙ.

3.1 Погрешности вычисления X, Y,Z- и X,Y, Z, координат

3.1.1 Погрешности алгоритмов решения систем уравнений.

3.1.2 Влияние погрешностей входных данных.

3.2 Погрешности вычисления Y- координат смещений торцов лопастей с моделированием неизмеряемых X,Z— координат

Выводы к разделу 3.

4 СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ СМЕЩЕНИЙ ТОРЦОВ ЛОПАТОК И ЛОПАСТЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ ГТД.

4.1 Система измерения^, Y, Z- координат смещений торцов лопаток.

4.1.1 Технические средства действующего макета системы.

4.1.2 Программное обеспечение.

4.1.3 Аппаратно-программные средства моделирования.

4.1.4 Лабораторные исследования действующего макета системы.

4.2 Система измерения Y- координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров).

4.2.1 Технические средства.

4.2.2 Программное обеспечение системы.

4.2.3 Метрологические исследования и результаты применения системы в стендовых испытаниях.

Выводы к разделу 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системы измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора»

Актуальность темы. Экономичность и надежность современных газотурбинных двигателей (ГТД), в том числе винтовентиляторных, зависят от радиальных зазоров между торцами лопаток и статором компрессора и турбины, а также от радиальных зазоров между торцами лопастей и статорной оболочкой винтовентилятора. С уменьшением радиальных зазоров, связанным с радиальными смещениями торцов лопаток и лопастей, экономичность ГТД возрастает, но его надежность уменьшается из-за возможного касания торцами поверхности статора (статорной оболочки). При этом смещения торцов лопаток и лопастей являются многомерными и в выбранной системе отсчета характеризуются несколькими координатными составляющими. Причиной смещений являются тепловые и упругие деформации, которые зависят от геометрических и физических параметров элементов конструкций, параметров окружающей среды, а также особенностей конструирования и функционирования ГТД на различных режимах работы.

Если предположить, что используется прямоугольная система отсчета, жестко связанная со статором (статорной оболочкой), то нельзя исключить все возможные линейные (X, Y,Z) и угловые (q>x, q>y, <Pz) составляющие смещений относительно координатных осей, хотя реально эти составляющие существенно различны по величине и некоторыми из них можно пренебречь.

Известны методы измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора с помощью одновитковых вихретоковых датчиков (ОВТД) с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, способных работать в тяжелых условиях, в том числе при высоких температурах. Методы предусматривают использование кластера ОВТД, в котором количество и расположение чувствительных элементов датчиков зависит от характера измеряемых смещений и определяется числом искомых координатных составляющих. Представляется очевидным, что точность измерения координатных составляющих и, в частности, радиальных смещений и связанных с ними радиальных зазоров, зависит от числа измеряемых координатных составляющих, а, следовательно, от «полноты» используемого кластера датчиков. Вместе с тем, с увеличением числа датчиков в кластере требуется увеличение числа установочных отверстий в статоре (статорной оболочке), что в определенных условиях может оказать отрицательное влияние на прочность изделий и их надежность. В этой связи разработчики ГТД стремятся уменьшить число ОВТД в кластере, и, соответственно, число установочных отверстий до минимума, сохраняя при этом требования к точности измерений. Но требуемая точность измерений возможна только при условии, что неизмеряемые координатные составляющие пренебрежимо малы, а в противном случае они становятся мешающими факторами, снижающими точность измерений и требующих специальных мер по уменьшению их влияния.

Поэтому совершенствование существующих и разработка новых методов и систем измерения, реализующих эти методы и обеспечивающих необходимую точность, как при отсутствии, так и при наличии ограничений на установку требуемого числа ОВТД в составе кластера, является актуальной задачей, решение которой имеет важное значение в экспериментальных исследованиях в процессе доводки и испытаниях ГТД, а также для диагностики и управления в процессе эксплуатации двигателей.

Принятый подход к построению систем измерения. Рассматриваемые в диссертации системы предназначены для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора (X, Y, Z- и X, Y, Z, <ру-координатных составляющих соответственно).

Известно, что с увеличением скорости вращения ротора и возрастающими тяговыми усилиями двигателя происходят изгибы пера лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора, которые сопровождаются смещениями их торцов в радиальном, осевом и в направлении вращения, т.е. изменениями всех трех координат X, Y, Z, а также 6 координаты фу, связанной с принудительными изменениями угла поворота лопастей при смене режима. При этом угловые смещения лопастей составляют до 40 град., а линейные - 10-И 5 мм. Величина составляющих смещений торцов лопаток в штатных режимах работы двигателя на 1-2 порядка меньше, однако, в нештатных режимах, например, в предпомпажных и помпажных состояниях двигателя, когда возникают колебания лопаток с большой амплитудой, координатные составляющие возрастают до миллиметрового уровня.

Система измерения X, Y, Z - координат смещений торцов лопаток ориентирована на применение в экспериментальных исследованиях компрессора ГТД в предпомпажном и помпажном состояниях, а система измерения X, Y,Z,cp- координат1 - на использование в процессе испытаний винтовентилятора в рабочих режимах работы двигателя. При этом какие-либо ограничения на установку необходимого числа ОВТД в составе кластеров отсутствуют, а система, помимо измерений, должна выполнять контрольные функции - по обнаружению начала колебаний лопаток (начала помпажа) и слежению за смещениями торцов лопастей в радиальном направлении (7-координатой) с сигнализацией опасных значений радиальных зазоров.

Предлагаемый подход к построению таких систем базируется на усовершенствованном методе измерений X, Y, Z - координат смещений торцов лопаток и новом методе измерения X\ Y,Z,(p- координат смещений торцов лопастей. Методы предусматривают такое расположение чувствительных элементов ОВТД в составе кластера, которое обеспечивает монотонность семейств градуировочных характеристик в диапазонах измерений координатных составляющих, а фиксация естественных выходных сигналов датчиков производится одновременно в моменты прохождения замков лопаток (оснований лопастей) геометрического центра

1 Поскольку из возможных угловых координат рассматривается только фу, то для упрощения записи здесь и далее индекс опускается. между двумя, чувствительными элементами на координатной оси Z. Методы измерения X, Y, Z- и X, Y, Z, (р - координат предполагают использование трех и четырех ОВТД соответственно.

ОВТД включаются в измерительные цепи с импульсным питанием для увеличения уровня полезного сигнала над помехами. Питание подается одновременно на все датчики в составе кластера, а короткие линии связи между ОВТД и преобразователями, включающими измерительные цепи, обеспечивают малое время восстановления и высокую частоту повторения импульсов питания (до 1 МГц). Выходные напряжения измерительных цепей нормализуются, коммутируются и преобразуются в цифровые коды, соответствующие естественным выходным сигналам ОВТД. Коды фиксируются по всем лопаткам за один оборот ротора. Параллельно производится преобразование сигналов датчиков частоты вращения ротора и датчиков температуры, встроенных в ОВТД или расположенных вблизи чувствительных элементов для последующей термокоррекции. Для вычисления искомых координат используются семейства градуировочных характеристик измерительных каналов, полученных экспериментально (представляющих собой зависимости кодов от искомых координат и температуры среды, окружающей ОВТД), а также конкретные значения кодов в каждом канале ОВТД и найденные значения температуры. Вычисление координатных составляющих фактически сводится к решению системы уравнений с тремя неизвестными (X, Y, Z) при измерении смещений торцов лопаток компрессора и четырьмя неизвестными (X, Y, Z, <р) при измерении смещений торцов лопастей винтовентилятора.

Вместе с тем, как показывает практика стендовых испытаний винтовентилятора, разработчиков ГТД в наибольшей степени интересуют экспериментальные данные об Г- координатах смещений торцов лопастей и контроль опасных значений радиальных зазоров, но при ограничении числа датчиков, установленных в контрольной точке на статорной оболочке, до одного (вместо кластера из четырех ОВТД). При этом предоставляется возможность использования сигнала штатного датчика угла поворота лопастей {ср - координата).

С учетом указанных ограничений и возможностей предлагаемый подход к построению системы, отвечающей требованиям разработчиков двигателей, базируется на новом методе измерения Y- координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) с коррекцией влияния угла поворота лопасти ((р - координаты) с помощью штатного датчика и с коррекцией неизмеряемых координат {X, Z) с помощью моделирования их поведения в зависимости от параметров режима двигателя. При этом все преобразования от естественного выходного сигнала ОВТД до получения соответствующего цифрового кода остаются теми же, что и в рассмотренных системах, но в отличие от них в системе измерения Г-координат осуществляется моделирование изгиба лопастей под действием тягового усилия с учетом геометрических и физических параметров материала, а также моделирование самого тягового усилия с учетом измеряемой скорости вращения ротора, определяющей режим двигателя. По найденному изгибу определяются координаты X, Z.

С помощью градуировочных характеристик измерительного канала ОВТД, полученных экспериментально, по найденным значениям цифрового кода, измеренным значениям температуры и (р - координаты, а также по значениям координат Хи Z, полученным путем моделирования, вычисляются значения искомой Y- координаты.

В настоящее время известны многочисленные публикации Абоимова М.А., Виноградова А.Н., Герасимова В.Г., Денисова В.А., Дмитриева Ю.С., Иванова Г.И., Католикова В.И., Клюева В.В., Легкобыта А.К., Лукина А.И., Меркулова А.И., Нестерова В.Н., Полулеха А.В., Скворцова А.В., Стеблева Ю.И., Шатерникова В.Е., Шипова А.К., Bahniuk D.E., Dixon D., Hohener R. [1-10], посвященные электромагнитным (вихретоковым) методам и средствам измерения перемещений элементов конструкций ГТД, их узлов и агрегатов, в том числе 9 методам и средствам измерения перемещений элементов конструкций по нескольким координатам, реализуемым с помощью многовитковых датчиков с ограниченными температурными возможностями.

Появление высокотемпературных ОВТД с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, ориентированных на применение непосредственно в газовоздушном тракте ГТД, послужило основой разработки кластерных методов и средств измерения многомерных перемещений элементов конструкций ГТД, в том числе лопаток, лопастей винтовентилятора, оси вала в опорных подшипниках, колес ротора при исследовании уплотнителей. Описания разработанных методов и средств нашли отражения в публикациях Белкина В.М., Боровика С.Ю., Васина Н.Н, Игначкова С.М., Игонина С.Н., Ильинского С.А., Ковалевой М.А., Пинеса В.Н., Райкова Б.К., Секисова Ю.Н., Скобелева О.П., Слепнева А.В., Федорченко Д.Г., Хритина А.А. [11-35], причем в наиболее полном и систематизированном виде кластерные методы и средства, реализующие эти методы, освещены в коллективной монографии (при участии автора) [34].

Следует отметить, что наиболее разработанными и исследованными являются методы и средства измерения У, Х- координат смещений торцов лопаток компрессора и турбин. Сформулирован метод измерения X,Y,q>-координат, исследована точность метода, однако, какие-либо практические результаты отсутствуют.

Наименее разработанным из существующих является метод измерения X,Y,Z- координат, а имеющиеся публикации не содержат детального анализа метода и исследования его точности. Опубликованная также идея коррекции влияния неизмеряемых координат с помощью моделирования при ограничениях на установку требуемого числа датчиков в составе кластера серьезного развития не получила.

На основе сравнительного анализа существующих источников можно утверждать, что кластерные методы измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора с расширенным числом измеряемых координатных составляющих (X, Y, Z, а также X, Y, Z, <р) требуют дальнейшего совершенствования и дополнительной разработки. Это в равной степени касается и метода измерения Y- координат при ограничении на установку требуемого числа ОВТД в составе кластера. Отсутствуют какие-либо разработки систем измерения, реализующих перечисленные методы, не исследованы точностные возможности систем.

Поэтому диссертационная работа призвана восполнить существующий пробел и, прежде всего, в теоретических основах построения систем измерения, которые включают используемые методы измерения, принципы построения систем и анализ их точности.

Цель диссертационной работы - разработка теоретических основ построения систем измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентиллятора и их реализация в системах для экспериментальных исследований и испытаний ГТД.

Постановка задачи — для достижения указанной цели необходимы:

- разработка более совершенных и новых методов измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток и лопастей как при отсутствии ограничений на установку ОВТД в составе кластера, так и при наличии ограничений;

- разработка принципов построения систем, реализующих эти методы (на уровне структур и алгоритмов);

- исследование точности систем измерения;

- создание систем измерения на основе разработанных принципов, проведение метрологических исследований измерительных каналов и проверка работоспособности в лабораторных и производственных условиях.

Методы исследования основаны на использовании теорий измерений и погрешностей, теории аппроксимации функции нескольких переменных, численных методов решения систем нелинейных уравнений и методов имитационного моделирования.

Научная новизна. Предложены кластерные методы измерения X, Y, Z - и X, Y,Z,cp- координат смещений торцов лопаток и лопастей, предусматривающие такое расположение чувствительных элементов ОВТД, которое обеспечивает монотонность семейств градуировочных характеристик в диапазонах измерений, а также одновременную фиксацию кодов в каналах датчиков в составе кластера в моменты прохождения замков лопаток или оснований лопастей геометрического центра между двумя чувствительными элементами на оси Z, причем при измерении X, Y, Z - и X, Y,Z,cp- координат используются три или четыре датчика соответственно. Предложен метод измерения Y-координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров между торцами лопастей и статорной оболочкой винтовентилятора) с коррекцией влияния угла поворота лопасти{(р -координаты) с помощью штатного датчика и неизмеряемых координат (X, Z) с помощью моделирования их поведения с учетом текущих параметров режима двигателя. Метод используется в условиях ограничений на установку требуемого числа датчиков в кластере и рассчитан на применение только одного ОВТД.

Разработаны принципы построения систем измерения, реализующие предложенные методы. Оригинальны обобщенная структурно-функциональная схема и алгоритм управления квазипараллельными преобразованиями и вычислениями с уменьшенной длительностью полного цикла измерений, алгоритмы вычисления координатных составляющих при аппроксимации семейств градуировочных характеристик полиномиальными и кусочно-линейными функциями нескольких переменных, алгоритмы обнаружения колебаний лопаток для диагностики помпажного состояния ГТД, а также алгоритмы моделирования поведения неизмеряемых координат, включающие моделирование тягового усилия в зависимости от угла поворота лопастей и частоты вращения ротора и моделирование изгиба лопастей с учетом конструктивных и физических параметров материала.

Методами имитационного моделирования исследованы погрешности алгоритмов вычисления X, У, Z- и X, Y,Z,(p- координат смещений торцов лопаток и лопастей при использовании аппроксимации семейств градуировочных характеристик полиномиальными и кусочно-линейными функциями нескольких переменных, а также влияния погрешностей входных данных. Показано, что погрешности вычисления координат в основном определяются погрешностями входных данных, влияние которых возрастает с увеличением числа координат. Исследованы погрешности вычисления Y -координат смещений лопастей и показано, что моделирование неизмеряемых координат {X, Z) приводит к их многократному снижению. Получены оценки погрешности вычисления в зависимости от погрешностей моделирования X,Z- координат и погрешностей входных данных.

Структура и краткое содержание диссертации. В разделе 1 систематизируются существующие и рассматриваются новые методы измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток и лопастей с помощью ОВТД. Изложению методов предшествует краткое описание ГТД как объекта измерения. Приводится также концепция измерений, обобщающая существующие и новые методы измерения, и в систематизированном виде - описание существующих ОВТД, на которые ориентированы кластерные методы, а также их перспективных вариантов.

В разделе 2 рассматриваются принципы построения систем измерения. Приводится описание обобщенной структурно-функциональной схемы, которая предусматривает как измерение X,Y,Z- и X,Y,Z,(p- координат с помощью кластеров ОВТД, так и 7-координат (радиальных зазоров) с помощью одного ОВТД и моделирования неизмеряемых координат (X,, Z). Рассматриваются основные алгоритмы функционирования системы, в том числе алгоритмы управления квазипараллельными преобразованиями и вычислениями, алгоритмы вычисления искомых координат смещений лопаток (лопастей) и моделирования неизмеряемых координат, а также алгоритмы обнаружения колебаний лопаток, свидетельствующие о помпажных явлениях в компрессоре.

В разделе 3 рассматриваются погрешности систем измерения. Приводится анализ погрешностей алгоритмов вычисления X, Y, Z- и X, У, Z, (р- координат смещений торцов лопаток и лопастей, а также погрешностей алгоритмов вычисления Y— координат смещений торцов лопастей с моделированием неизмеряемых X, Z — координат, которые, как ожидается, являются доминирующими и вносят наибольший вклад в суммарную погрешность.

В разделе 4 приводится описание технических и программных средств двух систем, в которых реализованы разработанные принципы. Первая из них обеспечивает измерение X,Y,Z- координат смещений торцов лопаток и предназначена для экспериментальных исследований помпажных явлений в компрессоре ГТД. Предусмотрена и контрольная функция по обнаружению колебаний лопаток, свидетельствующих о начале помпажа. Вторая система обеспечивает измерение Y- координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) и контроль опасных состояний радиальных зазоров в процессе стендовых испытаний винтовентиляторных ГТД. Приведены результаты метрологических исследований и результаты, полученные в ходе лабораторных и стендовых экспериментов.

Практические результаты. Создан действующий макет системы измерения X, Y, Z- координат смещений торцов лопаток компрессора. С помощью специально разработанных аппаратно-программных средств моделирования изменений во времени параметров газовоздушного тракта и лопаточного венца при помпаже в Институте проблем управления сложными системами РАН была подтверждена работоспособность макета системы как в режиме измерения X,Y,Z- координат смещений торцов лопаток, так и в контрольном режиме обнаружения начала колебаний лопаток, свидетельствующих о появлении помпажных явлений. Создана система измерения Y- координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров), которая была использована в процессе стендовых испытаний винтовентиляторного ГТД в ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. Н. Д. Кузнецова». Подтверждена работоспособность системы в производственных условиях и получены важные экспериментальные данные, которые были использованы при оценке характеристик двигателя. Показано также, что в течение длительных испытаний (более 50 часов) радиальные зазоры ни разу не снижались до минимально допустимых значений (2 мм) и, тем более, до аварийных.

На защиту выносятся:

- кластерные методы измерения X, Y, Z - и X, Y,Z,<p- координат смещений торцов лопаток и лопастей, а также метод измерения Y- координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) с коррекцией влияния неизмеряемых координат (X\ Z) путем их моделирования;

- обобщенная структурно-функциональная схема системы и алгоритмы, реализующие предложенные методы;

- результаты исследований точности систем измерения;

- система измерения X, 7, Z-координат смещений торцов лопаток для экспериментальных исследований помпажных состояний компрессора, а также система измерения Y- координат смещений торцов лопастей винтовентилятора (радиальных зазоров), предназначенная для стендовых испытаний винтовентиляторных ГТД.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Тулупова, Виктория Владимировна

Выводы по разделу 4

Разработаны система измерения X,Y,Z- координат смещений торцов лопаток компрессора и система измерения Y- координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) винтовентилятора, в которых реализованы предложенные методы и разработанные принципы построения (структуры и алгоритмы). Системы предназначены для экспериментальных исследований помпажных явлений в компрессоре и испытаний винтовентиляторных ГТД в стендовых условиях.

Технические средства разработанных систем включают нестандартные одновитковые вихретоковые датчики и преобразователи их сигналов, стандартную датчиковую аппаратуру, платы L-Card для ввода аналоговых и цифровых сигналов и ПЭВМ. Основными отличительными особенностями программных средств является реализация квазипараллельных алгоритмов управления преобразованиями и вычислениями, алгоритмов вычисления координат и обнаружения колебаний лопаток, свидетельствующих о начале помпажных явлений, а также алгоритмов моделирования неизмеряемых координат смещений торцов лопастей.

Созданы действующий макет системы измерения X, Г, Z- координат смещений лопаток, а для его наладки и проверки работоспособности — аппаратно-программные средства моделирования помпажных явлений. Аппаратные средства включают ПЭВМ, платы L-Card и специально разработанный внешний модуль, в которых используются аналоговые и цифровые выходы. Программные средства, включающие программы моделирования помпажных состоянии газовоздушного тракта и лопаточного венца, позволяют получить изменения во времени давления и температуры, смещения торцов лопаток в процессе колебаний при вращении ротора, а также имитировать преобразование перечисленных параметров и скорости вращения ротора в датчиковой аппаратуре с выходными сигналами в виде напряжения.

Проведены экспериментальные исследования действующего макета системы измерения в лабораторных условиях. Метрологические исследования измерительных каналов с одновитковыми вихретоковыми датчиками в составе кластера показали, что в диапазонах изменений X,Y,Z-координат от 0.1 до 1.6 мм систематические составляющие основной погрешности каналов не превышают 0.37 %, а случайные составляющие — 0.15%. При этом погрешности вычисления X, У, Z- координат не превышают 7.5 % и они определяют результирующую точность макета. С помощью аппаратно-программных средств моделирования подтверждена работоспособность макета в динамическом режиме. Проверка работоспособности осуществлялась как в варианте измерений X, У, Z -координат смещений торцов лопаток при одновременном выполнении контрольных функций по обнаружению колебаний лопаток, свидетельствующих о начале помпажных явлений, так и варианте контроля, когда вместо кластера используется один одновитковый вихретоковый датчик.

Создана система измерения Y- координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) винтовентилятора, обеспечивающая также контроль опасных состояний радиальных зазоров. Метрологические исследования одного из измерительных каналов с одновитковыми вихретоковыми датчиками показали, что на участке 0 — 4 мм, к которому предъявляются наиболее высокие требования по точности, систематическая составляющая основной погрешности измерительного канала не превышает 0.5 %, случайная - 0.06 %, а погрешность вычисления У-координат (РЗ), определяющая результирующую точность системы, не превышает 2.5 % (при изменениях X— координаты до 8 мм) и 6.5 % (при изменениях X во всем диапазоне).

Система была использована в процессе стендовых испытаний винтовентиляторного ГТД. Подтверждена работоспособность системы в производственных условиях и получены важные экспериментальные данные, которые были использованы при оценке характеристик исследуемого двигателя. Показано также, что в течение длительных испытаний (более 50 часов) радиальные зазоры ни разу не снижались до минимально допустимых значений (2 мм) и, тем более, до аварийных.

Заключение

Разработаны теоретические основы построения систем измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора - кластерные методы измерения X,Y,Z- и X, Y, Z, (р -координат смещений торцов лопаток и лопастей и метод измерения Y-координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) с моделированием неизмеряемых координат (X, Z), а также принципы построения систем, реализующих разработанные методы, которые включают обобщенную структурно-функциональную схему системы и алгоритмы ее функционирования. Исследованы погрешности вычисления координатных составляющих, оказывающих наибольшее влияние на точность систем измерения.

На основе разработанных методов, принципов построения и проведенных исследований созданы действующий макет системы измерения X,Y,Z- координат смещений торцов лопаток компрессора и система измерения Y - координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) винтовентилятора. Действующий макет системы измерения X, Y, Z-координат смещений торцов лопаток предназначен для исследования помпажных явлений в компрессоре газотурбинного двигателя. Проведены метрологические исследования и подтверждена работоспособность макета в лабораторных условиях. Работоспособность и метрологическая состоятельность системы измерения Y - координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) подтверждены в ходе стендовых испытаний винтовентиляторного газотурбинного двигателя в ОАО «Самарский научно-технический комплекс имени Н.Д. Кузнецова». Получена важная измерительная информация, которая была использована при оценке характеристик двигателя. Показано также, что в течение длительных испытаний радиальные зазоры не снижались ниже допустимого уровня.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тулупова, Виктория Владимировна, 2005 год

1.Г, Клюев В.В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий - М.: Энергоатомиздат, 1983.-271 с.

2. А.с. 1201572 СССР, МКИ G 01 7/08. Устройство для контроля радиального зазора в турбомашинах /Абоимов М.А., Дмитриев Ю.С., Католиков В.И., Шатерников В.Е.-№3708007/24-28; 3аявл.05.03.84; Опубл.ЗО. 12.65, Бюл.№48.

3. А.с. 1753251 СССР, МКИ G 01 В 7/00. Способ вихретокового контроля осевых перемещений валов и устройство для его осуществления. / Стеблев Ю.И., Полулех А.В., Легкобыт А.К., Шипов А.К. № 4851161/28 ;3аяв. 18.07.90; Опубл. 07.08.92, Бюл.№29.

4. Шатерников В.Е., Денисов В.А. Устройство для бесконтактного измерения углов раскрутки рабочих лопаток турбомашины // В кн.: Алгоритмизация и автоматизация процессов и установок. -Куйбышев, КуАИ, 1970, вып. 3. -С. 35—43.

5. Шатерников В.Е. Контроль эксцентриситета и радиальных зазоров рабочих лопаток роторов лопаточных машин. // Изв. вузов. Машиностроение. 1975, №11. -С.153-157.

6. Виноградов А.Н., Скворцов А.В., Иванов Г.И., Лукина А.И. Измерение зазоров между лопатками и корпусом турбокомпрессора вихревым методом // Вестник машиностроения. 1977. №1. -С.48-50.

7. Dixon D., Hohener R. Inductive prox: and old sensor with new wrinkles// Instruments and Control Systems, 1989, 62, № 10, p.p. 55-58.

8. Bahniuk D.E Factories move touchless sensors// Machine Design 1989, 22 June, p.p.75 -79.

9. A.c. 1693361 СССР, МКИ G 01 В 7/00. Информационно-измерительная система для определения компонент перемещения и деформаций объекта. / Нестеров В.Н., Меркулов А.И. // № 4733641/28(22); Заявл. 28.08.89; Опубл. 19.07.91, Бюл. №43.

10. Экранированные электромагнитные преобразователи устройств контроля многокомпонентных перемещений изделий / Меркулов А.И.: СГАУ. Самара, 1999. - 50 с. Деп №793 -В-99 от 21.12.1999 г.

11. А.с. 1670370 СССР, МКИ G 01 В 7/14. Устройство для измерения радиальных зазоров в турбомашинах / Белкин В.М., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. №4760720/28; Заявл. 15.04.91; Опубл. 19.07.91, бюл. №30

12. А.с. 1779908 РФ, МКИ G 01 В 7/08. Способ измерения радиальных зазоров в турбомашинах / Белкин В.М., Пинес В.Н., Секисов.Ю.Н., Хритин А.А. №4787455/28; Заяв. 30.01.90; 0публ.07.12.92, Бюл.№45.

13. Патент 1394912 РФ, МКИ G 01 N 27/90. Высокотемпературный вихретоковый преобразователь / Секисов.Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. №4136766/25-28; Заяв. 21.10.86; Опубл. 03.05.95, бюл. №24.

14. Секисов Ю.Н., Хритин А.А. Скобелев О.П. Микропроцессорная система измерения зазоров между элементами конструкций машин и механизмов // Приборы и системы управления. 1996. - №9. - С. 37-39.

15. Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Тулупова В.В., Хритин А.А. Метод и средства измерения радиальных зазоров в газотурбинных двигателях при нестационарных режимах // Автометрия. — 1998. №3. -с.108-113.

16. Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Тулупова В.В. Измерение и вычисление координатных составляющих многомерныхперемещений торцов лопаток в процессе вращения ротора // Автометрия. -2001. -№2. с. 103-111.

17. Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Системы измерений многомерных перемещений элементов конструкций лопаточных и поршневых силовых установок // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 1999. - №1. - с. 77-86.

18. Боровик С.Ю. Системы измерения многомерных перемещений элементов конструкций газотурбинных двигателей с верификацией полученных результатов: Дисс. канд. техн. наук. Самара, 2001. - 200 с.

19. ЗбДобрянский Г.В., Мартьянова Т.С. Динамика авиационных ГТД. -М.: Машиностроение, 1989. 240 с.

20. Нечаев Ю.В., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение, 1977. — 312 с.

21. Локай В.И., Максутова В.О., Струпкин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет. — М.: Машиностроение, 1979. — 467 с.

22. Кузнецов Н.Д. Обеспечение надежности двигателей для гражданской авиации. В кн.: Основные вопросы теории и практики надежности. — М.: Сов.радио. 1975. - С.27-42.

23. Кузнецов Н.Д. Обеспечение надежности современных авиадвигателей. В кн.: Проблемы надежности и ресурса в машиностроении. — М.: Наука, 1988. -С. 51-69.

24. Кузнецов Н.Д., Данильченко В.П., Резник В.Е. Управление радиальными зазорами в турбокомпрессорах авиационных ГТД Самара; САИ, 1991.-108 с.

25. Huppert Merle С., Johnson Donald F. and Costilow Eleanor L. Preliminary Investigation of Compressor Blade Vibration Exited by Rotating Stall. NACA RM E52J15, 1952.

26. Huppert Merle C., Calvert Howard F. and Meyer Andre J. Experimental Investigation of Rotating Stall and Blade Vibration in the Axial-Flow Compressor of a Turbojet Engine. NACA RM E54A08, 1954.

27. Howell A.R. and Carter A.D.S. Note on Stalling Flutter of Compressor Blades. Memo. No. 131, British N.G.T.E., Oct. 1951.

28. Schnittger Jan R. Single Degree of Freedom Flutter of Compressor Blades in Separated Flow. Jour. Aero. Sci., vol. 21, no. 1, Jan. 1954, pp.27-36.

29. Казакевич В.В. Автоколебания (помпаж) в компрессорах .- М.: Машиностроение, 1974. — 263 с.

30. Хьюпперт М. Помпаж в компрессоре. Сб. переводов Аэродинамический расчет осевых компрессоров № 9185 , том 2, институт им П.И. Баранова, М. 1964, 58-606 с.

31. Delio C.J. and Stiglic P.M. Experimental Investigation of Control Signals and Nature of Stall and Surge Behavior in a Turbojet Engine. NACA RM E54I15, 1954.

32. Скобелев О.П. Методы преобразования информации на основе тестовых переходных процессов // Измерения, контроль, автоматизация. 1978. №4(16). с.11-17.

33. Беленький Л.Б. Системы измерения многомерных перемещений и деформаций элементов конструкций кривошипно-шатунного механизма в поршневых силовых установках. Дисс. . канд. техн. наук. Самара, 2003.198 с.

34. Пат. РФ N 2150676 МКИ G01B 7/00, G01N 27/90 Вихретоковый преобразователь перемещений./ Беленький Л.Б., Секисов Ю.Н.// N 98108250/28; Заявл. 29.04.98; Опубл. 10.06.2000, Бюл. N 16.

35. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. — М.:Наука, 1972. 400 с.

36. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник. СПб: Питер, 2001. - 752 с.

37. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989. — 432 с.

38. Ракитйн В.И., Первушин В.Е. Практическое руководство по методам вычислений с приложением программ для персональных компьютеров: Учеб. пособие -М.: Высш. шк., 1998.-383 с.

39. Богачев К.Ю. Практикум на ЭВМ. Методы приближения функций. -М., 1999.

40. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука. 1975.

41. Арушанян И.О., Чижонков Е.В. Материалы семинарских занятий по курсу «Методы вычислений»/ Под редакцией Арушаняна О.Б. М: Издательство ЦПИ при МГУ, 1999.

42. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985-509 с.

43. Лосев В.В. Микропроцессорные устройства обработки информации. Алгоритмы цифровой обработки: Учеб. пособие для вузов. Мн.:Выш. шк, 1990.-132 с.

44. Зенкевич Дж. Метод конечных элементов в технике М.: Мир, 1975. -541 с.

45. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.

46. Галлагер Р. МКЭ: Основы /Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 215с.

47. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для втузов 9-е изд., перераб. — М.: Наука, 1986. - 512 с.

48. Н.Вирт. Алгоритмы и структуры данных,- М.: Мир, 1989. 380 с.

49. Секисов Ю.Н. Система моделирования электромагнитных процессов в вихретоковых датчиках механических параметров на основе знаний // В кн.

50. Интеллектуальные системы в машиностроении, часть 2. Труды Всесоюзной научн. - техн. конференции. -Самара, 1991. - с. 108

51. Секисов. Ю.Н. Математическая модель вихретоковых датчиков с импульсным питанием // Метрология в прецизионном машиностроении: Тезисы докладов Всесоюзного семинара. Саратов, 1990. — С.64-65.

52. Тулупова В.В. Анализ точности вычисления радиальных смещений элементов конструкций силовых установок // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды IV международной конференции. Самара, 2002. - с.546-551.

53. Грановский В А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. — JL: Энергоатомиздат, 1990.- 288 с.

54. МИ 2174-91. ГСИ. Аттестация алгоритмов и программ обработки данных при измерениях. Основные положения.

55. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -М.: Наука, 1986. 544 с.

56. Боровик С.Ю., Райков Б.К., Тулупова В.В. Система измерения радиальных смещений торцов лопастей винтовентилятора // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. - №7. - с.35-41.

57. Платы L-761, L-780 и L-783. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: ЗАО Л-Кард, 2000. - 104 с.

58. Модуль Е-440. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: ЗАО «Л-Кард», 2003. - 91 с.

59. ГОСТ 8.009-84. ГСИ. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. НТД

60. МИ 2438-97. ГСИ. Системы измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения

61. МИ 2439-97. ГСИ. Метрологические характеристики измерительных систем. Номенклатура. Принципы регламентации определения и контроля