СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО ПРОСТРАНСТВА МАШИНЫ
MACHINE INNER SPACE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к системе контроля внутреннего пространства машины.
Рассматриваемой машиной является, например, газовая турбина, внутреннее пространство которой представляет собой камеру сгорания с турбинным колесом.
Рассматривается, например, также насос, при этом внутреннее пространство насоса, через которое при его работе протекает перекачиваемая среда, представляет собой насосную камеру с лопаточным колесом.
У названной газовой турбины внутреннее пространство облицовано, например, жарозащитными элементами, которые защищают металлический корпус машины от сгорающего в камере сгорания газа. Такие элементы могут полностью или частично отделиться и упасть во внутреннее пространство машины. Могут также отделиться части турбинных лопаток от турбинного колеса или лопатки от лопаточного колеса и нарушить работу соответствующей машины. Также в машине или в ее стенке или корпусе могут возникнуть трещины или изломы, или во внутреннее пространство могут проникнуть прочие посторонние предметы.
Из US 4507658 известна система контроля турбины, с помощью которой можно наблюдать за вибрацией турбинных лопаток. Для этого они облучаются миллиметровыми волнами с помощью радарной системы, и отраженный сигнал анализируется, чтобы обнаружить анормальные вибрации. Об отвалившихся жарозащитных элементах или о наличии прочих посторонних предметов во внутреннем пространстве известная система контроля сообщить не может.
Технический результат изобретения заключается в усовершенствовании системы контроля внутреннего пространства машины.
Задача предлагаемого изобретения состоит в создании бесконтактной системы контроля, которая могла бы обнаруживать также упомянутые отделенные части или посторонние предметы во внутренних пространствах машин. При этом использованная технология системы контроля должна иметь хорошее локальное разрешение, чтобы обнаружить отсутствие отдельных жарозащитных элементов или их частей в газовой турбине. В то же время система контроля должна хорошо проникать через среды разной консистенции, например газы, пары и жидкости, чтобы получать информацию из внутреннего пространства машины.
Задача изобретения решается посредством системы контроля внутреннего пространства машины согласно пункту 1 формулы изобретения. Она включает в себя радар, посылающий излучение во внутреннее пространство. Следовательно, облучается не только турбинная лопатка, но и все внутреннее пространство машины. При этом проблема состоит в том, что внутреннее пространство, как правило, полностью окружено металлическим корпусом. Все внутреннее пространство отражает радарное излучение. Известная до сих пор радарная техника всегда исходит из того, чтобы обнаружить на облученном участке пространства только отдельный отражающий элемент, например самолет в пустом воздушном пространстве. Его эхо используется затем для создания радарного изображения. Использование радарной техники с общим облучением внутреннего пространства означает тем самым отход от известного принципа.
Радарный приемник принимает отраженное во внутреннем пространстве радарное излучение и в соответствии с принятым радарным излучением подает принятый сигнал. Система контроля включает в себя далее блок управления и обработки. Он определяет, также отходя от традиционной радарной техники, по принятому сигналу фактическую сигнатуру, например, за счет цифровой обработки сигнала. Она служит не для создания изображения, а должна лишь определять характеристики принятого сигнала, которые коррелированы с геометрией внутреннего пространства таким образом, что отклонения в нем, которые должны наблюдаться, например отсутствующий жарозащитный элемент, отсутствующая турбинная лопатка, трещина или излом в детали машины или прочий посторонний предмет во внутреннем пространстве, приводят к изменению фактической сигнатуры.
Например, фактическая сигнатура является результатом временного или частотного анализа принятого сигнала. Здесь можно обработать амплитуду и/или фазу принятого сигнала или после сдвигов частоты искать в спектре или осуществить допплеровскую обработку. Во временном диапазоне можно, например, за счет измерения времени прохождения импульса сверхширокополосного радара (СШП-радара) от передачи до приема определить изменение геометрии внутреннего пространства. С другой стороны, за счет спектрального распределения импульса СШП-радара можно сделать вывод об изменениях во внутреннем пространстве.
Блок управления и обработки располагает, кроме того, заданной сигнатурой, которая соответствует своему характеру после фактической сигнатуры, однако в ее основу положена или она представляет заведомо бездефектную машину. Другими словами, заданная сигнатура является такой, которая в случае заведомо бездефектной машины определяется по принятому сигналу в качестве фактической сигнатуры. Система контроля включает в себя далее блок выдачи. Он выдает сигнал дефекта, если отклонение между фактической и заданной сигнатурами превышает допустимое значение. Заданная сигнатура может определяться, например, так называемой техникой Channel-Sounding.
Другими словами, посредством системы контроля создается не фактическое реальное изображение внутреннего пространства машины, например, сопоставимое с традиционным радарным изображением, а абстрактная фактическая сигнатура, которая включает в себя в качестве информации геометрические данные или характеристики материала внутреннего пространства в достаточном локальном разрешении. Посредством системы контроля наблюдается тогда отклонение повторно измеряемой при работе машины фактической сигнатуры от соответствующей бездефектной машины заданной сигнатуры. Благодаря этой мере удается использовать не подходящую для комплексного контроля пространства радарную технику также в металлическом внутреннем пространстве машины.
Чтобы установить изменение в принятом сигнале, необходимо, следовательно, определить заданную сигнатуру для нормальной, т.е. заведомо бездефектной работы машины. При этом следует учитывать изменения принятого сигнала, например, за счет колебаний плотности и турбулентностей находящейся во внутреннем пространстве машины среды. Если в сигнатуре возникают значительные изменения, вызванные, например, отделившимся элементом, дефектом поверхностной структуры внутреннего пространства или внешнего корпуса машины и т.п., то это приводит к отклонению фактической сигнатуры от заданной, которое выходит за пределы вышеназванных колебаний среды и т.д. За счет этого обнаруживается дефект машины и выдается соответствующий сигнал дефекта.
Предложенная система контроля позволяет исследовать на чрезвычайные изменения не только упомянутые внутренние пространства упомянутых машин, но и, вообще, внутренние пространства технических установок, например также штольню шахты, поскольку должен быть соответственно выполнен лишь радар, чтобы обеспечить соответствующее локальное разрешение для наблюдаемых анормальных изменений внутреннего пространства.
Предложенным способом можно контролировать также протекающую, при случае, через внутреннее пространство машины среду в нем, если среда пронизывается радарным излучением и при наличии дефекта, например, в случае нехватки среды или в случае переносимого ею постороннего предмета, изменяется фактическая сигнатура.
В системе контроля реализован новый радарный способ, при котором принимаются не только изолированные эхо отдельных точек, например самолетов в воздушном пространстве, но и отраженное от всего пространства радарное эхо. Это радарное эхо в виде принятого сигнала обрабатывается, кроме того, не как создающее изображение, а абстрактно. Фактическое создание изображения в виде естественного или наглядного, т.е. оцениваемого наблюдателем, отображения внутреннего пространства этим способом является желательным, но не обязательным, поскольку посредством системы должен обнаруживаться лишь дефект во внутреннем пространстве. Достаточно выдачи цифрового сигнала да/нет в качестве сигнала дефекта в соответствии с состоянием «бездефектное» или «дефект машины». Разумеется, возможна также сложная обработки принятого сигнала, при которой фактическая сигнатура действительно создает конкретное изображение внутреннего пространства, однако это не является обязательным.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения радарное излучение является узкополосным (например, в микроволновом диапазоне) или сверхширокополосным. Радарная техника для этого частотного диапазона многократно зарекомендовала себя. Радар посылает излучение, например, в виде узкополосного или синусоидального сигнала, который отражается во внутреннем пространстве машины и снова принимается антеннами или радарным приемником. Здесь происходит, как правило, обработка в частотном диапазоне. Узкополосный радар реализован, например, в виде FMCW-радара (Frequency Modulated Continous Wave - частотно-модулированная непрерывная волна). Такой радар дает преимущество улучшения обнаружения подвижных частей.
В случае СШП-радара каждый раз посылается короткий импульс, который обладает широким частотным спектром, например шириной полосы около 1 ГГц. Следовательно, сигнал состоит во временном диапазоне из максимально коротких импульсов. Также здесь отраженный во внутреннем пространстве радарный сигнал принимается и обрабатывается, и соответственно из принятого сигнала создается фактическая сигнатура. Измененная форма импульса принятого сигнала во временном диапазоне позволяет сделать вывод о расположении и геометрии жарозащитных элементов. На практике представляется реальным разрешение в сантиметровом диапазоне. Обработка осуществляется, например, с помощью формы импульса, например методом согласованной фильтрации. СШП-радар подходит также для суровых окружающих условий.
Различные излучения подходят здесь для различных применений или сред, встречающихся во внутренних пространствах машин. Например, для газовых или паровых наполнений подходит узкополосный радар. СШП-радар, напротив, может использоваться почти для всех сред, т.е. также для жидкостей и твердых веществ.
В другом предпочтительном варианте система контроля включает в себя блок управления и обработки, который определяет фактическую сигнатуру с помощью обработки временного или частотного диапазона посланного и отраженного радарного излучения. Другими словами, фактическая сигнатура определяется с помощью фазного положения и/или времени прохождения и/или спектрального распределения сигнала посланного и отраженного радарного излучения. В противоположность измерениям только времени прохождения за счет оценки фазного положения получают дополнительную информацию о внутреннем пространстве, которая может использоваться для фактической сигнатуры. Если радарное излучение попадает на металл, то оно отражается. Если же оно попадает на лишь частично отражающий материал, например неметаллическое поверхностное покрытие, а вслед за этим на металл, оно сначала смещается по фазе, а затем отражается. Например, при этом происходит изменение импульса СШП-радара наподобие искажения. Это смещение по фазе, которое можно определить, может существенно сказаться на предоставляемой системой контроля достоверности информации в отношении обнаружения дефектов за счет сравнения фактической и заданной сигнатур. Другими словами, оценка фазного положения обеспечивает заметное усовершенствование системы контроля.
В другом предпочтительном варианте система контроля содержит несколько соединенных с радаром и/или блоком управления и обработки антенн для посылки и/или приема радарного излучения.
За счет использования нескольких антенн реализована так называемая антенная матрица. За счет корреляции посланных и принятых сигналов нескольких антенн достигается высокая степень дополнительной информации. Посылая радарные сигналы нескольких антенн, которые в разных местах посылают их во внутреннее пространство машины, и, обрабатывая принятые сигналы различных антенн, можно учитывать в фактической сигнатуре зависимые от направления отражения во внутреннем пространстве. Например, таким образом, можно целенаправленно контролировать во внутреннем пространстве газовой турбины наличие или отсутствие отдельных жарозащитных элементов. Другими словами, следовательно, за счет использования антенной матрицы возникает более высокое локальное разрешение на определенном участке пространства, который облучается радарным излучением. Также в отношении упомянутого большого числа отражений радарного излучения во внутреннем пространстве благодаря антенной матрице следует ожидать более точной информации в фактической сигнатуре.
За счет величины, например, амплитуды отклонения фактической сигнатуры от заданной можно сделать вывод о величине или степени дефекта. За счет упомянутой антенной матрицы дополнительно можно сделать вывод о месте дефекта во внутреннем пространстве. Если, например, в газовой турбине в соответствии с амплитудой разности между фактической и заданной сигнатурами отделился только один жарозащитный элемент или его обломок и он в соответствии с информацией антенной матрицы в фактической сигнатуре находится в некритическом месте внутреннего пространства, то на основе обработки сигнала дефекта можно принять решение о замене жарозащитного элемента только во время следующего интервала техобслуживания машины и не выключать ее в аварийном режиме.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения во внутреннем пространстве расположена одна антенна для посылки и/или приема радарного излучения. Чтобы достичь максимального облучения внутреннего пространства радарным излучением, т.е. чтобы оно достигало любой точки поверхности внутреннего пространства, предпочтительно расположить во внутреннем пространстве несколько антенн, например, равномерно распределив их. Для этого антенны размещаются либо за промежуточным слоем из электромагнитно проницаемого материала либо непосредственно во внутреннем пространстве машины. Использование промежуточного слоя позволяет радарному излучению проникнуть во внутреннее пространство машины, причем сама антенна защищена от высоких температур и т.д.
В другом варианте антенны расположены снаружи машины, а на пути излучения от антенны к внутреннему пространству в стенке машины выполнен участок пропускания радарного излучения. Таким участком пропускания может быть, например, выполненное в стенке машины кварцевое окошко. Уменьшения функциональной способности системы контроля за счет загрязнения антенны, промежуточного слоя или внутренней поверхности участка пропускания, например оксидным слоем или органическими загрязнителями, не следует опасаться благодаря природе радарного излучения.
При расположении антенн следует всегда обращать внимание на то, чтобы приданная им электроника была защищена от жара, излучения и химических воздействий. Это достигается в одном варианте за счет того, что электронный компонент антенны располагается отдельно от нее самой.
В другом предпочтительном варианте система контроля включает в себя блок управления и обработки для определения разностной сигнатуры по заданной и фактической сигнатурам. Кроме того, в системе контроля хранятся несколько характерных образцов разности для соответствующего характерного дефекта машины. Так, например, при известном отсутствии одного жарозащитного элемента или при повреждении лопатки газовой турбины по заданной и фактической сигнатурам определяется соответствующая разностная сигнатура, которая записывается в память в качестве характерного образца разности для дефекта «отсутствующий жарозащитный элемент» или «поврежденная турбинная лопатка». Затем при работе машины блок выдачи проверяет, соответствует ли полученная в данный момент разностная сигнатура в рамках диапазона допусков данному образцу разности, и выдает соответствующий данному образцу разности сигнал дефекта. В этом варианте система контроля подает, следовательно, не только сигнал дефекта да/нет, но и, другими словами, код дефекта, например «отсутствующий жарозащитный элемент», «поврежденная турбинная лопатка» и т.д.
Соответствующие образцы разности определяются, например, экспериментальным путем или за счет оценки или последовательного изучения конкретно возникающих образцов разности. Если для фактической сигнатуры известно, о каком именно дефекте идет речь, то по соответствующей разностной сигнатуре можно определить характерный образец разности.
Изобретение подробно описано ниже со ссылкой на чертеж, на котором в виде принципиальной схемы изображена машина с предложенной системой контроля.
Машина 2, например газовая турбина, имеет металлическую стенку 4, окружающую внутреннее пространство 6, в котором расположено турбинное колесо 8 с лопатками 10а-10d. В направлении внутреннего пространства 6 стенка 4 облицована жарозащитными элементами 12a-12d (в качестве примере показаны лишь несколько элементов). Машина 2 окружена внешним пространством 14.
Машина 2 снабжена системой 20 контроля, которая включает в себя центральный блок 22 и большое число антенн, из которых в качестве примера показаны только антенны 24а, b. При этом антенна 24а расположена во внешнем пространстве 14, а антенна 24b - во внутреннем пространстве 6. Центральный блок 22 содержит радар 26, который через присоединительные провода (не показаны) управляет антеннами 24а, b, так что они посылают излучение 28. Поскольку стенка 4 машины состоит из металла, через который радарное излучение 28 проникнуть не может, между антенной 24а и внутренним пространством б на обозначенном штриховой линией пути 27 радарного излучения 28 в стенке 4 выполнен участок 30 пропускания в виде кварцевого окошка.
Радарное излучение 28 заполняет все внутреннее пространство 6, т.е. оно достигает всей внутренней, т.е. обращенной к внутреннему пространству 6 поверхности стенки 4 или жарозащитных элементов 12a-12d и турбинного колеса 8. Радарное излучение 28 отражается от упомянутых элементов. Обозначенное стрелками отраженное радарное излучение 32 снова улавливается антеннами 24а, b и по управляющему проводу (не показан) направляется на радарный приемник 34 центрального блока 22. Радарный приемник 34 формирует из отраженного радарного излучения 32 принятый сигнал 36, который он передает на блок 38 управления и обработки центрального блока 22.
Тот создает из принятого сигнала фактическую сигнатуру 40а. Кроме того, в блоке 38 хранится заданная сигнатура 40b, которая соответствует фактической сигнатуре 40а, если машина 2 находится в бездефектном состоянии. Относящийся к центральному блоку 22 блок 42 выдачи проверяет, соответствует ли фактическая сигнатура 40а в рамках допустимого допуском 44 отклонения заданной сигнатуре 40b или нет. В случае соответствия он выдает один сигнал 46 дефекта со значением «бездефектная работа». В данном примере этот сигнал может принимать два значения, а именно «бездефектная работа» или «дефект».
Сигнал 46 дефекта со значением «дефект» формируется, например, в следующем случае.
Во время работы машины 2 турбинная лопатка 10а частично разрушается или ее часть отделяется от турбинного колеса 8. Посланное во внутреннее пространство 6 радарное излучение 28 отражается впредь за счет отсутствующей турбинной лопатки 10а иным образом, нежели в случае целой турбинной лопатки 10а. Поэтому отраженное радарное излучение 32 изменяется по сравнению с бездефектным случаем, почему изменяется и принятый сигнал 36. На основе этого изменяется также фактическая сигнатура 40а и, начиная с возникновения дефекта, больше не совпадает с предварительно измеренной фактической сигнатурой 40а. В частности, фактическая сигнатура 40а имеет поэтому отклонение от заданной сигнатуры 40b выше допуска 44. Блок выдачи 42 обнаруживает это отклонение и выдает сигнал 46 дефекта как «дефект».
В альтернативном случае, напротив, турбинная лопатка 10а остается целой, однако отделился жарозащитный элемент 12с. Поэтому посланное без изменений радарное излучение 28 отражается снова иным образом, в результате чего возникает, наконец, новая фактическая сигнатура 40а. Она более чем на допуск 44 отличается от заданной сигнатуры 40b, и снова сигнал 46 дефекта выдается как «дефект».
В одном альтернативном варианте всегда, например, путем вычитания из фактической 40а и заданной 40b сигнатур создается разностная сигнатура 48а, b. Также в блоке выдачи 42 хранятся характерные образцы 50а, b разности. В этом варианте в случае дефекта, т.е. при упомянутом отличии сигнатур 40а, 40b, блок 42 выдачи сравнивает соответствующую разностную сигнатуру 48а, b с характерным образцом 50а, b разности. При этом последние соответствуют характерным случаям дефектов машины 2. Так, образец 50а разности соответствует типичной разностной сигнатуре в случае отсутствия турбинной лопатки 10а-10d, а образец 50b - характерной разностной сигнатуре отсутствующего жарозащитного элемента 12a-12d.
В каждом случае, когда полученная в данный момент разностная сигнатура 48а, b соответствует своему образцу 50а, b разности в рамках допуска 54, в качестве альтернативы или дополнительно к сигналу 46 дефекта выдается специальный сигнал 52а, b дефекта. Он дает не только информацию о том, что машина 2 имеет дефект, но и какой природы этот дефект: в случае сигнала 52а это означает «отсутствующий жарозащитный элемент», а в случае сигнала 52b - «поврежденная турбинная лопатка».
Другими словами, обнаруживается не только дефект в машине 2, но он классифицируется также по виду, и это осуществляется за счет того, соответствует ли разностная сигнатура 48а, b в данный момент типичному образцу 50а, b разности.