СИГНАЛИЗАТОР ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ РОТОРНОГО АГРЕГАТА
SIGNALLING DEVICE FOR ICING OVER BLADES OF ROTOR AGGREGATE

Изобретение относится к области средств регистрации обледенения и может быть использовано для дистанционного контроля обледенения лопастей различных роторных агрегатов, например ветрогенераторов, ветряных двигателей, анемометров, флюгеров, вентиляторов, компрессоров, а также лопастей воздушных винтов летательных аппаратов.
Известен сигнализатор обледенения лопастей винта (ротора) вертолета (патент РФ №2335434 от 01.03.2007 г., опубл. в Бюл. №28, 2008 г., МПК B64D 15/22), состоящий из приемной оптической системы, фотоприемника, блока обработки сигналов, импульсного генератора, модулятора, выход которого подключен к управляющему входу импульсного генератора, а вход - к выходу синхронизатора, оптического излучателя, соединенного с выходом импульсного генератора и излучающего через передающую оптическую систему, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя в направлении отражающей поверхности передней кромки лопасти винта вертолета и оптически сопряженный через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор и приемную оптическую систему с фотоприемником, соединенным с входом блока обработки сигналов, к выходу которого подключены входы индикатора наличия обледенения и устройства управления противообледенительной системой.
В этом аналоге импульсное излучение оптического излучателя, отражаясь от свободной ото льда поверхности передней кромки лопасти, достигает анализатора, повернутого относительно поляризатора на угол, обеспечивающий отсутствие прохождения оптического излучения на вход фотоприемника. При наличии обледенения луч, отраженный ото льда, деполяризуется, в результате чего на выходе анализатора появляется оптическое излучение, которое поступает на вход фотоприемника, амплитуда электрического сигнала на выходе фотоприемника возрастает и блоком обработки сигналов формируется сигнал о наличии обледенения, который воспроизводится индикатором.
Недостатком этого сигнализатора является низкая информативность, так как он позволяет определять лишь факт начала и окончания обледенения лопастей, но не информирует о степени и интенсивности их обледенения, что затрудняет рациональный выбор энергетических затрат, необходимых для устранения обледенения.
Известен также сигнализатор обледенения лопастей винта (ротора) вертолета (заявка на изобретение №2010139746/11(056785) от 27.09.2010 г., решение о выдаче патента от 15.11.2011 г., МПК B64D 15/20, G08B 19/02), содержащий приемную оптическую систему, фотоприемник, блок обработки сигналов, импульсный генератор, модулятор, выход которого подключен к управляющему входу импульсного генератора, а вход - к выходу синхронизатора, оптический излучатель, соединенный с выходом импульсного генератора, излучающий через передающую оптическую систему, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя в направлении отражающей поверхности передней кромки лопасти винта вертолета и оптически сопряженный через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор и приемную оптическую систему с фотоприемником, соединенным с первым входом блока обработки сигналов, к первому выходу которого подключен вход устройства управления противообледенительной системой, при этом фотоприемник выполнен в виде N фоточувствительных элементов, где N - целое число больше единицы, подключенных своими выходами соответственно к N входам блока обработки сигналов, первые N выходов которого соединены соответственно с N входами индикатора наличия обледенения, включающего в себя N элементов индикации, первый и второй выходы блока пороговых напряжений подключены соответственно к (N+1)-му и (N+2)-му входам блока обработки сигналов, вторые N выходов блока обработки сигналов соединены соответственно с N входами блока аварийной сигнализации, выход синхронизатора соединен с входом стробирования блока обработки сигналов, а анализатор повернут относительно поляризатора на угол, обеспечивающий неортогональность их плоскостей поляризации.
Если вследствие соответствующих условий окружающей среды на каких-либо участках отражающей поверхности передней кромки лопасти винта появляется лед, то оптическое излучение, отраженное от этих участков, деполяризуется. Отраженные волны, у которых плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора, проходят через него с минимальным ослаблением, вследствие чего уровень сигнала на выходе фоточувствительных элементов фотоприемника, в поле зрения которых попадают участки, покрытые льдом, возрастает. Когда уровень какого-либо из этих сигналов превышает верхний уровень порогового напряжения, блок обработки сигналов формирует на своем соответствующем N-м выходе сигнал на включение N-го элемента индикации индикатора наличия обледенения.
Этот сигнализатор обладает относительно высокой информативностью, поскольку информирует не только о факте наличия обледенения, но и о распределении льда вдоль передней кромки лопастей, а также о степени и интенсивности их обледенения, что позволяет рациональным образом управлять энергетическими затратами, необходимыми для устранения обледенения.
Недостатком аналога является то, что он не информирует о распределении льда вдоль направления вращения лопастей, а также о степени и интенсивности их обледенения в этом направлении.
В качестве прототипа выбран сигнализатор обледенения (Ильин О. Сигнализатор обледенения. - Моделист-конструктор, 2011, №9, с.23-25, рис.1), содержащий передающее устройство, включающее в себя узел синхронизации, сопряженный с лопастным ротором посредством обтюратора, закрепленного на его валу, первого оптического излучателя и первого фотоприемника, а также включающего в себя формирователь импульсов, при этом первый выход узла синхронизации подключен к входу импульсного генератора, соединенного выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу второго оптического излучателя, излучающего через передающую оптическую систему и поляризатор в направлении отражающей поверхности лопасти ротора и оптически сопряженный через поляризатор приемного устройства (анализатор), плоскость поляризации которого повернута на угол, обеспечивающий минимальный уровень проходящего через него отраженного оптического излучения, и приемную оптическую систему с фотоприемником, выход которого подключен к первому входу усилителя, вход стробирования которого соединен со вторым выходом узла синхронизации, при этом выход усилителя подключен через последовательно соединенные детектор, интегратор и узел сравнения (пороговое устройство) к входу узла индикации наличия обледенения.
Поляризованный луч достигает поверхности лопасти ротора и, отражаясь от нее, попадает на вход приемного устройства. При наличии обледенения луч, отраженный от слоя льда, деполяризуется, вследствие чего амплитуда сигнала на выходе фотоприемника и на выходе усилителя возрастает. Если напряжение на входе узла сравнения превышает пороговый уровень, то формируется сигнал оповещения о наличии обледенения, который воспроизводится индикатором.
Этот сигнализатор информирует лишь о факте наличия или отсутствия обледенения, но не позволяет оценить распределение льда по поверхности лопастей, а также степень и интенсивность их обледенения, поэтому информативность прототипа низкая, что является его недостатком.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение информативности сигнализатора обледенения лопастей роторного агрегата.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в сигнализаторе обледенения лопастей роторного агрегата, содержащем передающее устройство, включающее в себя сопряженный с ротором синхронизатор, первый выход которого подключен к первому входу генератора импульсов, соединенного выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу оптического излучателя, излучающего через передающую оптическую систему и поляризатор в направлении отражающей поверхности лопасти ротора и оптически сопряженный через анализатор и оптическую систему приемного устройства, содержащего индикатор наличия обледенения и пороговое устройство, с фотоприемником, выход которого подключен к первому входу усилителя, предусмотрены следующие отличия: в приемное устройство введены первый и второй счетчики-дешифраторы, при этом вход порогового устройства соединен с выходом усилителя, выход порогового устройства подключен к первому входу первого и к первому входу второго счетчиков-дешифраторов, второй вход первого и второй вход второго счетчиков-дешифраторов соединены соответственно со вторым и с третьим выходами синхронизатора, четвертый выход синхронизатора соединен с третьим входом первого и с третьим входом второго счетчиков-дешифраторов, пятый выход синхронизатора подключен ко второму входу генератора импульсов, вход стробирования усилителя соединен с первым выходом синхронизатора, N выходов первого и М выходов второго счетчиков-дешифраторов подключены соответственно к N и М входам индикатора наличия обледенения, содержащего N первых и М вторых элементов индикации, где N и М - целые числа больше нуля.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается информативность сигнализатора обледенения лопастей роторного агрегата.
На фиг.1 представлена структурная схема сигнализатора обледенения лопастей роторного агрегата; на фиг.2 изображены временные диаграммы в характерных точках этой структурной схемы, поясняющие работу сигнализатора (масштабы по осям абсцисс и ординат не соблюдены); на фиг.3 изображено сечение лопасти ротора в зоне контроля и пример возможного распределения льда по ее поверхности, а также показан индикатор сигнализатора, отображающий это обледенение.
Сигнализатор обледенения лопастей роторного агрегата (см. фиг.1) содержит передающее 1 и приемное 2 устройства. Передающее устройство 1 включает в себя синхронизатор 3, генератор импульсов 4, усилитель мощности 5, оптический излучатель 6, оптическую систему 7 и поляризатор 8. Приемное устройство 2 включает в себя анализатор 9, оптическую систему 10, фотоприемник 11, усилитель 12, пороговое устройство 13, первый 14 и второй 15 счетчики-дешифраторы, индикатор наличия обледенения 16, содержащий N первых 17 и М вторых 18 элементов индикации.
Синхронизатор 3 сопряжен с ротором 19, например, посредством кинематической связи. На роторе 19 перпендикулярно его продольной оси вращения расположены лопасти 20. Первый выход синхронизатора 3 подключен к первому входу генератора импульсов 4, соединенного выходом с входом усилителя мощности 5. Выход усилителя мощности 5 подключен к входу оптического излучателя 6. Оптический излучатель 6 излучает через передающую оптическую систему 7 и поляризатор 8 в направлении отражающей поверхности лопасти 20 и оптически сопряжен через анализатор 9 и приемную оптическую систему 10 с фотоприемником 11. Выход фотоприемника 11 подключен к первому входу усилителя 12. Вход порогового устройства 13 соединен с выходом усилителя 12. Выход порогового устройства 13 подключен к первому входу первого 14 и к первому входу второго 15 счетчиков-дешифраторов. Второй вход первого счетчика-дешифратора 14 соединен со вторым выходом синхронизатора 3. Второй вход второго счетчика-дешифратора 15 подключен к третьему выходу синхронизатора 3. Четвертый выход синхронизатора 3 соединен с третьим входом первого 14 и с третьим входом второго 15 счетчиков-дешифраторов. Пятый выход синхронизатора 3 подключен ко второму входу генератора импульсов 4. Вход стробирования усилителя 5 соединен с первым выходом синхронизатора 3. N выходов первого 14 и М выходов второго 15 счетчиков-дешифраторов подключены соответственно к N и М входам индикатора наличия обледенения 16.
Сигнализатор обледенения лопастей роторного агрегата работает следующим образом.
0k
0k
вых.СИ1
вых.СИ2
Вследствие вращения ротора 19 вокруг своей продольной оси передняя кромка лопасти 20 в моменты времени t (см. фиг.2), где k - целое число больше нуля (k=1,2,3,…), периодически располагается на расстоянии L (см. фиг.3) от оптической оси OY передающего устройства 1. В моменты времени t на первом и втором выходах синхронизатора 3 формируются соответственно перепады напряжений U и U с низкого на высокий логический уровень.
1k
вых.СИ2
0k
1k
вых.СИ2
1
Когда в моменты времени t передняя кромка лопасти 20 пересекает оптическую ось OY передающего устройства 1, на втором выходе синхронизатора 3 происходит спад напряжения U с высокого на низкий логический уровень, в результате чего на интервалах времени от t до t на втором выходе синхронизатора 3 формируются прямоугольные импульсы напряжения U длительностью τ и периодом повторения Т, равным периоду обращения лопасти 20 вокруг продольной оси ротора 19.
2k
вых.СИ1
вых.СИ3
вых.СИ1
вых.СИ3
2
3
Когда в моменты времени t крайняя точка А контролируемой зоны протяженностью Х (см. фиг.3) пересекает оптическую ось OY передающего устройства 1, на первом и третьем выходах синхронизатора 3 происходит спад напряжений U, U с высокого на низкий логический уровень, в результате чего на первом и третьем выходах синхронизатора 3 формируются прямоугольные импульсы напряжения U, U длительностью τ, τ соответственно и периодом повторения Т.
вых.СИ1
0k
2k
вых.ГИ
вых.СИ1
В результате воздействия на первый вход генератора импульсов 4 напряжения U высокого логического уровня на выходе этого генератора на интервалах времени от t до t появляются прямоугольные импульсы напряжения U, которые посредством усилителя мощности 5 модулируют по мощности излучение оптического излучателя 6. В эти же интервалы времени напряжение высокого логического уровня U поступает на вход стробирования усилителя 12, при этом его коэффициент усиления максимален. В другое время передающее устройство 1 не излучает, а коэффициент усиления усилителя 12 минимален. Этим обеспечивается синхронизация работы усилителя 12 с пространственным положением лопасти 20, что повышает помехозащищенность сигнализатора.
вых.СИ5
вых.СИ5
вых.ГИ
0k
1k
1k
2k
На пятом выходе синхронизатора 3 формируется напряжение U, величина которого пропорциональна частоте вращения ротора 19. Если в силу тех или иных причин частота вращения ротора 19 отклоняется от своего первоначального значения, то напряжение U, воздействуя на второй вход генератора импульсов 4, изменяет частоту его генерации F таким образом, что число импульсов напряжения U, генерируемых на интервалах времени от t до t и от t до t, остается постоянным вне зависимости от частоты вращения ротора 19.
Импульсное излучение оптического излучателя 6 проходит через передающую оптическую систему 7, формирующую луч с малым углом расхождения, и поляризатор 8, пропускающий только те волны, плоскость поляризации которых совпадает с его плоскостью поляризации.
01
21
04
24
вых.У
вых.ПУ
Поляризованный луч достигает поверхности лопасти 20 и, отражаясь от нее, попадает на вход приемного устройства 2. В приемном устройстве 2 на пути луча расположен анализатор 9, плоскость поляризации которого повернута на угол, обеспечивающий минимальный уровень проходящего через него отраженного оптического излучения. Это излучение фокусируется оптической системой 10 на фотоприемник 11, который преобразует оптическое излучение в электрический сигнал. Выходной электрический сигнал фотоприемника 11 усиливается усилителем 12 и поступает на вход порогового устройства 13. Если в контролируемой зоне лопасти 20 обледенение отсутствует (на фиг.2 см. интервалы времени от t до t и от t до t), то электрический сигнал на выходе фотоприемника 11 и напряжение на выходе усилителя 12 U практически равны нулю, при этом выходное напряжение порогового устройства 13 U принимает низкий логический уровень.
02
22
03
23
вых.У
вых.У
порог
вых.У
порог
вых.У
вых.ФИ
Если в контролируемой зоне лопасти 20 имеется обледенение (на фиг.2 см. интервалы времени от t до t и от t до t), то луч, отраженный от слоя льда, деполяризуется. Отраженные волны, у которых плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора 9, проходят через него с минимальным ослаблением, вследствие чего амплитуда электрического сигнала на выходе фотоприемника 11 и амплитуда напряжения U на выходе усилителя 12 возрастает. При превышении выходным напряжением усилителя 12 U порогового напряжения U на выходе порогового устройства 13 формируется напряжение высокого логического уровня, а при уменьшении выходного напряжения усилителя 12 U ниже порогового напряжения U на выходе порогового устройства 13 формируется напряжение низкого логического уровня, в результате чего пороговое устройство 13 преобразует изменяющееся по амплитуде импульсное выходное напряжение усилителя 12 U в бинарную последовательность прямоугольных импульсов напряжения U с фиксированными значениями верхнего и нижнего логических уровней.
вых.ПУ
вых.ПУ
02
22
03
23
Если в контролируемой зоне произошло обледенение участка протяженностью L, расположенного перед передней кромкой лопасти 20, и обледенение участка протяженностью S, расположенного за передней кромкой лопасти 20 (см. фиг.3), то при пересечении обледеневшими участками лопасти 20 оптической оси OY передающего устройства 1 на выходе порогового устройства 13 появляется последовательность прямоугольных импульсов напряжения U, следующих с частотой F, причем число этих импульсов пропорционально протяженности зоны обледенения лопасти 20 (на фиг.2 см. U на интервалах времени от t до t и от t до t).
вых.ПУ
вых.СИ2
0k
1k
вх.С-Д1
N
вых.СИ3
1k
2k
вх.С-Д2
M
Импульсы напряжения U подаются на первый вход первого 14 и первый вход второго 15 счетчиков-дешифраторов. Первый счетчик-дешифратор 14 при наличии на его втором входе напряжения высокого логического уровня U производит счет импульсов, поступивших на его первый вход на интервалах времени от t до t (на фиг.2 см. U), преобразует их число в N-разрядный двоичный параллельный код D и запоминает его значение. Второй счетчик-дешифратор 15 при наличии на его втором входе напряжения высокого логического уровня U производит счет импульсов, поступивших на его первый вход на интервалах времени от t до t (на фиг.2 см. U), преобразует их число в М-разрядный двоичный параллельный код D и запоминает его значение. Если на втором входе счетчиков-дешифраторов 14, 15 присутствует напряжение низкого логического уровня, то на каждом из N и М выходах счетчиков-дешифраторов 14, 15 устанавливается напряжение низкого логического уровня.
N
M
Таким образом, N-разрядный D и М-разрядный D двоичные параллельные коды первого 14 и второго 15 счетчиков-дешифраторов содержат информацию о протяженности L участка обледенения, расположенной перед передней кромкой лопасти 20 и участка обледенения протяженностью S, расположенного за передней кромкой лопасти 20 соответственно.
3k
вых.СИ4
N
M
01
21
02
22
03
23
При поступлении в моменты времени t с четвертого выхода синхронизатора 3 на третий вход первого 14 и третий вход второго 15 счетчиков-дешифраторов напряжения U высокого логического уровня происходит передача хранимых в них двоичных параллельных кодов D и D на соответствующие N-e выходы первого 14 и М-е выходы второго 15 счетчиков-дешифраторов (на фиг.2 см. «Код 1», «Код 2», «Код 3», причем «Код 1» соответствует данным о наличии обледенения лопасти 20, сформированным на интервале времени от t до t, «Код 2» - на интервале времени от t до t, «Код 3» - на интервале времени от t до t). Если на каких-либо из N и М входах индикатора наличия обледенения 16 присутствует напряжение высокого логического уровня, то активизируются соответствующие N и М элементов индикации 17, 18 индикатора наличия обледенения 16. По месту расположения и числу активных элементов индикации 17, 18 индикатора наличия обледенения 16 можно судить о распределении обледенения вдоль направления вращения лопасти 20 и степени ее обледенения, а по скорости активизации соответствующих элементов 17, 18 индикатора наличия обледенения 16 можно судить об интенсивности протекания процесса обледенения лопасти 20.
вых.У
вых.ПУ
Устранение естественным или принудительным путем льда с поверхности лопасти 20 прекращает деполяризацию отраженного оптического излучения, в результате чего электрический сигнал на выходе фотоприемника 11 и напряжение на выходе усилителя 12 U уменьшаются до первоначального уровня, на выходе порогового устройства 13 устанавливается напряжение U низкого логического уровня, при этом на первый вход счетчиков-дешифраторов 14, 15 импульсы не поступают, элементы индикации 17, 18 индикатора обледенения 16 дезактивизируются - сигнализатор вновь готов к работе.
02
22
В качестве примера на фиг.3 изображен индикатор наличия обледенения 16, содержащий двенадцать элементов индикации 17, 18 («1»-«12»), расположенных в прямую линию. Первые элементы индикации «1»-«3» служат для индикации наличия обледенения на участке протяженностью L, находящемся перед передней кромкой лопасти 20, а вторые элементы индикации «4»-«12» - для индикации наличия обледенения на участке, находящемся за передней кромкой лопасти 20. Элементы индикации 17, 18 («1»-«10»), активизированные в соответствии с изображенным здесь распределением льда, а также в соответствии с фиг.2 на интервале времени от t до t, выделены наклонной штриховкой (элементы «1»-«3» имеют двойную наклонную штриховку).
03
23
Если на интервале времени, например, от t до t протяженность обледенения контролируемой зоны лопасти 20 уменьшится, то в соответствии с фиг.2 на участке, находящемся перед передней кромкой лопасти 20, активизируется элемент «3», а на участке, находящемся за передней кромкой лопасти 20, активизируются элементы индикации «4»-«7». Элементами индикации 17, 18 могут служить, например, светоизлучающие диоды.
Таким образом, предлагаемый сигнализатор обледенения лопастей роторного агрегата выгодно отличается от прототипа более высокой информативностью, так как позволяет не только обнаруживать наличие обледенения, но и получать информацию о распределении льда вдоль направления вращения лопастей, в частности в зоне их наиболее интенсивного обледенения - передней кромки лопастей ротора.
Применение вышеописанного сигнализатора в различных системах обнаружения и устранения обледенения лопастей роторных агрегатов позволит повысить эффективность их функционирования за счет рационализации энергетических затрат, необходимых для устранения обледенения, а также за счет предотвращения опасных режимов работы - нарушения балансировки ротора, разрушения его опорных подшипников, возможности поражения элементов конструкции сброшенным льдом.