СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ И ОСЕВЫХ СМЕЩЕНИЙ ТОРЦОВ ЛОПАТОК РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБИНЫ
METHOD OF MEASURING RADIAL CLEARANCES AND AXIAL DISPLACEMENTS OF TURBINE WHEEL BLADES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения радиальных зазоров и осевых смещений торцов турбинных лопаток с большим углом изгиба профиля пера.
Известен способ измерения радиальных зазоров в турбомашинах, заключающийся в том, что с торцами лопаток работающей турбомашины вводят во взаимодействие вихретоковый преобразователь, возбуждаемый импульсной последовательностью, и по его сигналам оценивают радиальные зазоры между лопатками и указанным преобразователем [А.с. СССР N 1779908, МПК G01B 7/08, 1992].
Недостатком этого способа является низкая информативность измерения из-за невозможности определения осевого смещения лопаток ротора турбомашины.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения, при котором на статоре турбомашины устанавливают кластер из двух высокотемпературных вихретоковых преобразователей, смещенных друг относительно друга и возбуждаемых импульсами, и по значениям выходных сигналов преобразователей с использованием семейств градуировочных характеристик преобразователей определяют радиальные зазоры между лопатками и преобразователями и осевое смещение рабочего колеса [патент РФ №2138012. Способ измерения параметров движения лопаток ротора турбомашины, кл. G01B 7/14, 1999].
Необходимо отметить, что в известных высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователях (Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. Вихретоковые датчики зазоров с чувствительными элементами в виде отрезка проводника. // Приборы и системы управления, 1996, №8, с.27 и патент РФ №2150676) не предусмотрены конструктивные меры снижения влияния больших изменений температур в компрессорах и турбинах, что вызывает необходимость использования дифференциальных измерительных цепей и дополнительных идентичных преобразователей, компенсирующих температурные воздействия на рабочие преобразователи («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.). В качестве такого преобразователя может быть применен второй аналогичный преобразователь, при условии, что он смещен относительно первого в направлении вращения ротора таким образом, что при нахождении какой-либо лопатки в зоне чувствительности одного из преобразователей второй преобразователь максимально удален от ближайших лопаток [патент РФ №2390723. Способ измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток ротора турбомашины, кл. G01B 7/14, 2010].
Однако и в этом случае недостатком способа является невозможность определения координатных составляющих смещений торцов лопаток сложной формы из-за того, что предлагаемая ориентация чувствительных элементов преобразователей не позволяет получить единственную пару значений радиального зазора и осевого смещения для фиксированных кодов. Кроме того, формирование синхронизированной последовательности импульсов для возбуждения измерительной цепи требует наличия датчика синхронизации, т.е. дополнительного вмешательства в объект исследования. Также недостатком способа является низкое быстродействие, связанное с необходимостью предварительного определения периода вращения рабочего колеса и параметров импульсной последовательности, длительным (занимающим несколько оборотов ротора) процессом формирования групп результатов, относящихся к одной лопатке и необходимых для определения радиального зазора и осевого смещения. Возможная за время нескольких оборотов рабочего колеса нестабильность ранее найденного периода его вращения, которым определяется периодичность и моменты возбуждения измерительной цепи, приводит к дополнительной динамической погрешности определения искомых смещений торцов лопаток рабочего колеса.
Цель изобретения - повышение точности и быстродействия, а также уменьшение вмешательства в объект исследования.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе, при котором во взаимодействие с торцами лопаток работающей турбины вводят кластер из двух включенных в дифференциальную измерительную цепь высокотемпературных одновитковых вихретоковых преобразователей с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, распределенными по статорной оболочке со смещением друг относительно друга и возбуждаемыми импульсами, и по значениям выходных сигналов преобразователей на основе семейств градуировочных характеристик вычисляют координатные составляющие смещения торцов лопаток относительно указанных преобразователей, дополнительно преобразователи размещают таким образом, что центр проекции чувствительного элемента одного из них на развертку рабочего колеса лежит на линии пересечения развертки с плоскостью вращения точки пересечения средней линии торца с профилем входной кромки лопатки, а центр проекции чувствительного элемента другого преобразователя смещен вдоль оси вращения на расстояние, равное максимальному ожидаемому осевому смещению, при этом линейное расстояние между указанными центрами в направлении вращения рабочего колеса выбирают равным , где
Л
ψ - угловой шаг установки лопаток контролируемого рабочего колеса;
L - длина окружности поперечного сечения внутренней поверхности статора над лопаточным венцом;
0
Δх - смещение между центрами преобразователей вдоль оси рабочего колеса, равное максимальному ожидаемому осевому смещению;
α - угол между лежащими на развертке рабочего колеса перпендикуляром к плоскости вращения точки пересечения средней линии торца с профилем входной кромки лопатки и касательной к средней линии проекции профиля торца пера лопатки в точке ее пересечения с линией, параллельной линии пересечения развертки рабочего колеса с плоскостью вращения точки пересечения средней линии торца с профилем входной кромки лопатки, и отстоящей от нее на расстояние, равное половине ожидаемого осевого смещения, чувствительные элементы преобразователей ориентируют таким образом, что их проекции перпендикулярны указанной касательной, а возбуждение импульсами преобразователей и преобразование индуктивностей чувствительных элементов в напряжения и фиксацию соответствующих кодов производят с периодом, существенно меньшим, чем время нахождения лопатки в зоне чувствительности преобразователя, из массива кодов для каждой лопатки выбирают пару значений, состоящую из максимального и минимального значения кодов, соответствующих взаимодействиям лопатки с каждым из преобразователей, и по этим кодам с помощью семейств градуировочных характеристик преобразователей для каждой из лопаток получают координатные составляющие смещения ее торца.
Градуировочные характеристики для каждой лопатки формируют путем задания ряда значений радиального зазора, для каждого из которых задают ряд значений осевого смещения и, перемещая лопатку мимо первого чувствительного элемента, фиксируют экстремальное, например максимальное, значение кода, затем аналогичные действия повторяют для второго чувствительного элемента и фиксируют минимальные значения кодов.
На фиг.1 представлена плоская развертка фрагмента рабочего колеса, где изображены проекции торцов перьев лопаток и проекции чувствительных элементов (ЧЭ), взаимное расположение которых соответствует моменту времени фиксации околоэкстремальных значений кодов, а также система отсчета (показаны оси Х и Z (направление вращения), ось У направлена перпендикулярно плоскости чертежа).
На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие формирование кодов по всем лопаткам (фиг.2а) и прореживание исходного массива за счет выделения экстремальных кодов (фиг.2б).
Измерение искомых координат смещения торцов лопаток ротора турбомашины предлагаемым способом осуществляется следующим образом. Преобразователи располагаются на статоре со смещением между центрами их чувствительных элементов вдоль оси рабочего колеса, равным максимальному ожидаемому осевому смещению торцов лопаток, и смещением в направлении вращения, равным  (фиг.1).
Такое смещение в направлении вращения обеспечивает наилучшее выполнение преобразователем компенсационной функции в дифференциальной измерительной цепи (ИЦ) во время формирования экстремальных значений кодов.
Дифференциальную ИЦ возбуждают импульсами, период следования которых существенно меньше, чем время нахождения лопатки в зоне чувствительности преобразователя, и зависит от параметров конкретных преобразователей и условий их применения («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.).
i-max
(i-1)min
(i+1)max
i-min
Эти импульсы также запускают процесс преобразования индуктивностей преобразователей в напряжение и далее в цифровые коды (фиг.2а). Из массива кодов для каждой из лопаток последовательно выбирают максимальное и минимальное значение C, C, …, C, C (фиг.2б), которые затем используют для определения координатных составляющих. Таким образом, сбор данных, необходимых для определения искомых координатных составляющих для всех лопаток, занимает время одного поворота рабочего колеса.
i-max
i-min
После выделения из массива максимальных и минимальных значений кодов (C, C), полученных при прохождении торцом пера i-й лопатки зон чувствительности обоих ЧЭ, с помощью градуировочной характеристики (ГХ) определяют радиальный зазор (РЗ) и осевое смещение (ОС) для i-й лопатки.
max
1
min
2
Процедура получения ГХ заключается в том, что задают фиксированное значение РЗ; задают ряд значений ОС и при этом для каждого значения ОС перемещают лопатку вдоль оси Z (фиг.1) мимо чувствительного элемента преобразователя, выполняющего при этом за счет взаимодействия его электромагнитного поля с лопаткой роль рабочего в дифференциальной ИЦ, и фиксируют экстремальное значение (например, максимум) кода. Затем меняют значение радиального зазора и повторяют операцию. В результате для данной лопатки накапливается массив данных C=f(X,Y). Затем аналогичные действия повторяют для чувствительного элемента второго преобразователя, и в результате накапливается массив данных C=f(X,Y).
Решение системы  позволяет определить обе составляющие смещения.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет, исключив синхронизированный с вращением рабочего колеса опрос преобразователей, получить информацию о координатах смещений торцов лопаток, затратив на ее сбор время, соответствующее продолжительности одного оборота рабочего колеса. Сокращение длительности сбора информации до одного оборота ротора ведет также к повышению точности за счет снижения динамической погрешности от возможной нестабильности периода вращения.