СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ МЕЖДУ ТОРЦАМИ ЛОПАТОК РАБОЧЕГО КОЛЕСА И СТАТОРНОЙ ОБОЛОЧКОЙ ТУРБОМАШИНЫ
METHOD OF MEASURING RADIAL CLEARANCES BETWEEN ENDS OF IMPELLER BLADES AND STATOR SHELL OF TURBO-MACHINE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения радиальных зазоров (РЗ) между торцами лопаток рабочего колеса (РК) и статорной оболочкой в условиях высокой температуры среды в проточной части турбомашины в процессе вращения РК на тех ступенях, где отсутствует осевое смещение РК или его влияние пренебрежимо мало.
Известна система измерения РЗ в компрессоре, в которой используется способ уменьшения влияния температуры среды, предусматривающий размещение в каждой точке измерения пары одновитковых вихретоковых датчиков (ОВТД) с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника. Один ОВТД является рабочим и фиксирует РЗ, второй предназначен для компенсации влияния температуры окружающей ЧЭ среды. Установочные отверстия для датчиков в статорной оболочке выполнены таким образом, чтобы в моменты измерения ЧЭ рабочего ОВТД находился над торцом лопатки, а компенсационного - в промежутке между двумя соседними лопатками. Датчики подключены по дифференциальной схеме к измерительному преобразователю индуктивностей ОВТД в напряжение, которое далее преобразуется в цифровой код на выходе АЦП в составе системы (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).
Рассмотренный способ уменьшения влияния температуры используется и в наиболее современных средствах измерения РЗ, в которых преобразователь индуктивностей ОВТД включает микросхему АЦП, причем такой преобразователь обычно встроен в линию связи между датчиками и устройствами обработки цифровых данных в составе системы (С.Ю. Боровик, М.М. Кутейникова, Б.Р. Райков, Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев. Измерение радиальных зазоров между статором турбины и торцами лопаток сложной формы с помощью одновитковых вихретоковых датчиков // Мехатроника, автоматизация, управление, 2013, - №10, с. 38-46).
Недостатками способа являются необходимость установки в точке контроля рабочего и компенсационного датчиков, наличие двух установочных отверстий, а также температурная погрешность от неполной идентичности датчиков и разности температуры в местах установки рабочего и компенсационного датчиков.
Известны способы уменьшения указанных температурных погрешностей, которые предусматривают ввод одной или двух термопар (ТП) в существующую конструкцию ОВТД, а также использование алгоритмов вычисления РЗ по градуировочным характеристикам (ГХ), полученным экспериментально в рабочем диапазоне температур. При этом в варианте с двумя ТП предусмотрены дополнительные расчетные операции, связанные с моделированием теплообмена в датчике и с окружающей средой (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 - вариант с одной ТП, а также Пат. РФ №2519844, Способ уменьшения температурной погрешности измерения многокоординатных смещений торцов лопаток одновитковым вихретоковым преобразователем, МПК G01B 7/14,2012, опубл. 20.06.2014, Бюл. №17 - вариант с двумя ТП).
Недостатками обоих вариантов является усложнение конструкции датчика, дополнительные каналы измерения температуры и громоздкая обработка полученных данных.
Целью изобретения является уменьшение числа датчиков и установочных отверстий в статорной оболочке, а также повышение точности измерения РЗ.
Указанная цель достигается тем, что рабочие и компенсационные функции выполняет поочередно один и тот же ОВТД.
э
Для получения результата измерений в процессе вращения РК из непрерывной последовательности выходного цифрового кода (С) фиксируют экстремальные значения (С), соответствующие прохождению центра зоны чувствительности датчика торцами лопаток и центрами межлопаточных промежутков, причем за результаты измерений РЗ контролируемой лопатки принимают разность между соседними экстремальными значениями зафиксированных кодов. Временные диаграммы, представленные на фиг. 1, поясняют процесс измерения.
1
2
i
0
0
0
0
Эпюра 1 показывает прохождение лопатками с номерами 1, 2, …, i (Л, Л, …, Л) и периодом Т ЧЭ датчика при равномерном вращении РК, а эпюра 2 - последовательность цифровых кодов на выходе измерительного преобразователя с периодом τ. Период формирования кодов τдолжен быть значительно меньше периода Т.
э
1i
2i
1i
2i
Экстремальные значения кодов С, соответствующие моментам прохождения лопатками центра зоны чувствительности датчика, а также центрами межлопаточных промежутков, представлены на эпюре 3. В частности, максимум кода С соответствует моменту прохождения i-й лопаткой, а минимум С - моменту прохождения центра между i-й лопаткой и лопаткой с номером i+1. При этом С и C можно записать в виде:
0
θ
θ
где С - результат преобразования, соответствующий положению, когда центр межлопаточного промежутка, следующий за контролируемой лопаткой, проходит центр зоны чувствительности датчика, а влияние температуры среды отсутствует, ΔС - полезное изменение кода, соответствующее изменениям индуктивности датчика от величины РЗ, ΔС - изменение кода, связанное с воздействием температуры  в проточной части турбомашины, где размещен ЧЭ датчика.
1i
2i
θ
Представляется очевидным, что разность кодов (С-С) определяется только полезными изменениями кода (ΔС) и не зависит от изменений кода, связанных с температурой (ΔС) (эпюра 4):
Величины РЗ (с) для каждой лопатки определяются на основе ГХ (зависимости с=f(ΔC), получаемой экспериментально для заданной разновидности лопаток, конкретных датчика и преобразователя. (В случае использования измерительного преобразователя с дифференциальной входной цепью в одно плечо включается датчик, а во второе - имитатор датчика. Имитатор представляет собой катушку индуктивности, RLC - параметры которой идентичны параметрам датчика при отсутствии лопаток в зоне его чувствительности, и размещается непосредственно в конструкции преобразователя.)