СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ МЕЖДУ ТОРЦАМИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК И СТАТОРОМ ТУРБОМАШИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ
METHOD FOR MEASURING RADIAL CLEARANCES BETWEEN THE ENDS OF WORKING BLADES AND STATOR OF TURBOMACHINE AND DETERMINATION OF WORKING MEDIUM TEMPERATURE IN FLOW PART

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения радиальных зазоров (РЗ) между торцами рабочих лопаток и статором, а также определения температуры рабочей среды в проточной части турбомашины в процессе вращения рабочего колеса (РК).
Известен способ измерения в компрессоре РЗ между торцами рабочих лопаток и статором, предусматривающий размещение в каждой точке измерения двух одновитковых вихретоковых датчиков, рабочего и компенсационного, с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника. Датчики на статоре газотурбинного двигателя (ГТД) размещены так, что в момент измерения торец контролируемой лопатки находится под ЧЭ рабочего датчика, а ЧЭ компенсационного - в центре промежутка между двумя соседними лопатками. ЧЭ датчиков находятся в среде газовоздушного тракта с высокой температурой (в турбине до 1000°C) и их информационный параметр - индуктивность изменяется при изменении температуры. Датчики подключены к преобразователю с дифференциальной измерительной цепью, обеспечивающему получение информационного сигнала в виде напряжения, пропорционального разности индуктивностей датчиков, и далее - цифрового кода.
Способ реализуется при выполнении следующих операций:
k
- фиксируется значение кода С, величина которого пропорциональна изменению индуктивности рабочего датчика, связанного с величиной РЗ контролируемой лопатки Л, и в идеальном случае не зависит от изменений температуры газовоздушного тракта за счет компенсационного датчика, включенного во второе «плечо» дифференциальной измерительной цепи;
- вычисляется РЗ по ранее полученной градуировочной характеристике - зависимости С(РЗ). (Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. - Самара, Самарский научный Центр РАН, 2001, 188 с., стр. 127-130 и 65-72).
Недостатками способа являются неполная компенсация температурной погрешности, так как в общем случае рабочий и компенсационный датчики имеют не идентичные зависимости информационных параметров от температуры в связи с неизбежными технологическими отклонениями при изготовлении, а также невозможность измерения температуры в проточной части ГТД средствами измерения зазоров, которая могла быть использована для дополнительного снижения температурной погрешности измерения.
Известен способ измерения РЗ, который предусматривает установку в корпус датчика в области чувствительного элемента термопары. Установка датчиков на статор и позиция лопаток РК относительно ЧЭ датчиков аналогична рассмотренному выше способу. В этом положении выполняются следующие операции:
- фиксируется значение кода С преобразователя индуктивностей;
- вычисляется температура Θ в проточной части газовоздушного тракта по напряжению с термопары;
- вычисляется величина РЗ контролируемой лопатки по ранее полученным градуировочным характеристикам с учетом температуры С(РЗ, Θ). (Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. - Самара, Самарский научный центр РАН, 2001, 188 с., стр. 127 рис. 4.2).
Недостатками данного способа измерения РЗ является сложность конструкции датчика в связи с установкой термопары.
Наиболее близким техническим решением является способ определения РЗ, в котором рабочие и компенсационные функции выполняет поочередно один и тот же датчик, установленный на статоре над лопаточным венцом контролируемого рабочего колеса. (Патент РФ №2587644 «Способ измерения радиальных зазоров между торцами лопаток рабочего колеса и статорной оболочкой турбомашины», МПК G01B 7/14, 2014, опубл. 20.06.2016, Бюл. №17).
Способ предусматривает прямое преобразование индуктивности датчика в цифровой код и реализуется в процессе вращения РК при выполнении следующих операций:
k
k
k
- фиксируется первое значение кода C, пропорционального величине индуктивности L датчика в момент прохождения торца контролируемой лопатки Л под чувствительным элементом датчика;
k∞
k∞
k
k∞
(k+1)∞
∞
- фиксируется второе значение кода C, пропорционального величине индуктивности датчика L в момент времени, когда чувствительный элемент датчика находится в центре межлопаточного промежутка, следующего за лопаткой Л, который не зависит от РЗ и одинаков для всех межлопаточных промежутков: C=C=…=C;
k
k
∞
- вычисляется по разности зафиксированных кодов ΔC=C-C радиальный зазор.
0
k
Приведенные операции могут быть предоставлены в аналитическом виде с учетом того, что индуктивность датчика от начального значения L изменяется под влиянием радиального зазора между торцом контролируемой лопатки и чувствительным элементом на ΔL, а также от воздействия температуры среды в газовоздушном тракте двигателя на ΔL
k
k
0
k
Θ
C=G⋅L=G⋅(L-ΔL+ΔL)
∞
∞
0
Θ
C=G⋅L=G⋅(L+ΔL)
∞
k
k
ΔC=C-C=ΔL
где G - коэффициент пропорциональности преобразования «индуктивность-код».
Разностный код не содержит составляющей от воздействия температуры на датчик, так как первый и второй коды получены с учетом влияния температуры на один и тот же датчик, и, следовательно, при прямом преобразовании величины индуктивности датчика в код температурная погрешность при реализации метода отсутствует.
В то же время существует обширная область измерения физических величин, в которой информационный параметр датчика преобразуется в аналоговый электрический сигнал в виде напряжения с помощью дифференциальных измерительных цепей - мостовых схем (Г.И. Передельский. Мостовые цепи с импульсным питанием. М. Энергоатомиздат, 1988, 192 с., рис. 1.1) и, в частности, моста Блумлейна (Нуберт Г.П. Измерение неэлектрических величин. Л. Энергия, 1970. 360 с) и далее в цифровой код (Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. - Самара, Самарский научный центр РАН, 2001, 188 с., стр. 65, рис. 2.7).
И
0
k
∞
Недостатком данного способа при его использовании в преобразователях с дифференциальными измерительными цепями является неполная компенсация температурной погрешности датчика в связи более сложной зависимостью выходного сигнала измерительной цепи от параметров датчика, а также отсутствие информации о температуре в проточной части газовоздушного тракта, которая могла быть использована для наиболее полного устранения не скомпенсированной температурной погрешности измерения РЗ. Реализация способа измерения радиального зазора с использованием одного датчика в дифференциальной измерительной цепи достигается тем, что во второе плечо измерительной цепи устанавливается имитатор датчика с величиной индуктивности L=L (обеспечит при отсутствии лопатки в зоне чувствительности датчика и при нормальной температуре окружающей среды напряжение на выходе измерительной цепи и код преобразователя равными нулю). В этом случае выходное напряжение с измерительной цепи и соответствующий код преобразователя при положении торца лопатки под чувствительным элементов C и положении, когда под чувствительным элементом находится центр межлопаточного промежутка C, определится следующими выражениями:
где Е - напряжение питания мостовой измерительной цепи,
F - коэффициент пропорциональности в преобразовании напряжение-код.
Θ
1
1
Разностный код ΔС содержит множитель К, зависящий от изменений индуктивности датчика ΔL под влиянием температуры  в тракте преобразования ( Аналитическое выражения для ΔС получено для моста рис. 1.1. с учетом формулы 1.2, приведенных в Г.И. Передельский. Мостовые цепи с импульсным питанием. М. Энергоатомиздат, 1988, 192 с. Вывод приведен в приложении А. Зависимость разностного кода от температуры для любого другого вида дифференциальной измерительной цепи сохранится.
Недостатком данного способа при его применении в преобразователях с дифференциальными измерительными цепями является неполная компенсация температурной погрешности датчика, а также отсутствие информации о температуре в проточной части газовоздушного тракта, которая могла быть использована для наиболее полного устранения не скомпенсированной температурной погрешности измерения РЗ.
Целью изобретения является обеспечение возможности измерения температуры рабочей среды в проточной части турбомашины с помощью средств измерения РЗ, и дополнительного снижения температурной погрешности при измерении РЗ с помощью одного корпуса датчика в преобразователях с дифференциальной измерительной цепь.
Указанная цель достигается тем, что в известный способ, заключающийся в
k
k
k
- фиксации первого значения кода C, пропорционального величине индуктивности L датчика в момент прохождения торца контролируемой лопатки Л под чувствительным элементом датчика;
k∞
k∞
k
k∞
(k+1)∞
∞
- фиксации второго значения кода C, пропорционального величине индуктивности датчика L в момент времени, когда чувствительный элемент датчика находится в центре межлопаточного промежутка, следующего за лопаткой Л, который не зависит от РЗ и одинаков для всех межлопаточных промежутков: C=C=…=C;
введены дополнительные операции:
∞
∞
- вычисление величины температуры среды газовоздушного тракта по коду C и ранее полученной экспериментально зависимости C(Θ);
k
k
∞
- вычисление РЗ по разности первого и второго кодов ΔC=C-C и значению вычисленной температуры на основе ранее получаемой экспериментальной зависимости ΔC(РЗ, Θ).
Процесс измерения поясняют диаграммы, представленные на фигурах 1-4.
0
0
0
На фигуре 1 указаны моменты прохождения торцами лопаток Л центра чувствительной зоны датчика, с периодом Т. Фигура 2 показывает последовательность зафиксированных кодов С на выходе измерительного преобразователя, с периодом формирования кодов τ, который должен быть значительно меньше периода прохождения лопатками центра ЧЭ датчика T.
э
1
∞
На фигуре 3 выделены экстремальные значения кодов С, соответствующие моментам прохождения центра ЧЭ датчика торцами лопаток (Ck) и центрами межлопаточных промежутков (C).
изм
∞изм
∞
kизм
k
изм
На фигуре 4 показаны процесс определения вычисленной температуры в газовоздушном тракте Θ по величине измеренного кода C и градуировочной характеристике C(Θ), а также процесс определения измеренного РЗ по разностному коду ΔC для контролируемой лопатки Л и вычисленной температуре Θ с использованием экспериментально полученной зависимости ΔC(РЗ, Θ).
Таким образом, предложенный способ позволяет с помощью средств измерения зазоров, использующих один корпус одновиткового вихретокового датчика, определить температуру в проточной части турбомашины и устранить не полностью скорректированную погрешность от изменений температуры, характерную для способа-прототипа. Вычисленная температура при реализации предложенного способа является важной дополнительной информацией о процессах в газовоздушном тракте двигателя на различных режимах работы ГТД.
Приложение А.
Вывод зависимости кодов для преобразователя с дифференциальной измерительной цепью - рис. 1.1 из Г.И. Передельский. Мостовые цепи с импульсным питанием. М. Энергоатомиздат, 1988, 192 с.
Величины индуктивностей в измерительной цепи:
Найдем
Представим ΔC в виде
F - коэффициент напряжение – код.