Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных силовых установках класса лопаточных и поршневых машин решающее влияние на экономичность и надежность оказывают зазоры между основными подвижными и неподвижными элементами конструкции (ЭК). В лопаточных машинах — между торцами лопаток рабочего колеса ротора и статором, в поршневых машинах — между поршнем и цилиндром. Известно, что от величины радиальных зазоров (РЗ) в компрессорах газотурбинных двигателей (ГТД) зависят коэффициент полезного действия (КПД), запас газодинамической устойчивости, сохраняемость характеристик в процессе эксплуатации. Например, уменьшение РЗ в высоконагруженных ступенях компрессора на 1 % приводит к увеличению КПД на 1.-3% и запаса устойчивости на 3.-8%.
Кроме того, значительное влияние на основные показатели силовых установок оказывают зазоры в опорных подшипниках скольжения лопаточных и поршневых силовых установок, в шатунных подшипниках поршневых машин и других ЭК.
Очевидно, что перемещения ЭК, формирующие зазор, являются многомерными, причем сам зазор может оказаться лишь одной координатной составляющей (КС) многомерного перемещения (МП) ЭК силовой установки в выбранной системе отсчета. Диапазон и характер МП ЭК зависит от режима работы силовой установки и соответствующих изменений тепловых упругих и пластических деформаций ЭК установки (например, в лопаточных машинах при вращении ротора происходят радиальные, осевые, угловые смещения и колебания торцов лопаток, радиальные деформации и осевые смещения колеса ротора, радиальные деформации статора и т.п.) Можно утверждать, что изучение поведения КС МП ЭК (в том числе и зазоров) представляет исключительную значимость в процессе разработки новых машин, обладающих более высокой экономичностью и надежностью.
Решение задачи с помощью существующих расчетных методов не обеспечивают требуемой точности (погрешности составляют десятки и даже сотни процентов). Измерение КС в процессе экспериментальных исследований силовых установок также сопряжены с объективными трудностями — они должны выполняться без механического контакта, в ограниченном пространстве, в тяжелых, а иногда и экстремальных условиях (в ГТД скорость движения лопаток 400 м/с, температура в газовых турбинах 1200С, изменяющиеся диэлектрические характеристики среды, вибрации и т.п.).
В таких условиях известные бесконтактные методы, а также реализующие их средства и системы измерения имеют ограниченные возможности, — они одномерны (измеряют одну КС - зазоры), недостаточно точны, не обеспечивают работоспособность во всем диапазоне внешних мешающих факторов. Существующие системы жестко ориентированы на конкретные разновидности силовых установок, отсутствуют единая идеология и общие принципы построения, что затрудняет процесс проектирования и создания новых систем. Кроме того, уровень автоматизации измерений в существующих системах, как правило, недостаточен, что приводит к увеличению длительности исследований и испытаний, и в конечном итоге вызывает увеличение затрат на проведение экспериментов.
В настоящее время улучшение технико-экономических показателей подобных систем требует поиска нетрадиционных подходов к их построению, включая наиболее значимые компоненты и, в первую очередь, средства первичного преобразования и обработки измерительной информации. Поэтому разработка новых методов и средств, обеспечивающих измерение МП в тяжелых и экстремальных условиях с достаточно высокими метрологическими и эксплуатационными показателями, а также обеспечивающих создание систем, ориентированных на различные классы силовых установок, но построенных на основе единых принципов и общей идеологии, является актуальной проблемой, решение которой имеет важное значение для промышленности.
Обоснование принятого подхода к решению проблемы. Решение проблемы предлагается путем использования в создаваемых системах одновитковых вихре-токовых датчиков (ОВТД) с чувствительным элементом (ЧЭ) простейшей формы в виде отрезка проводника, объединенных в группы — кластеры, а также применения методов измерения КС, реализуемых с помощью кластеров ОВТД в сочетании с импульсным преобразованием естественных выходных сигналов ОВТД в напряжение и цифровой код при поддержке специальных алгоритмов сбора, преобразования, выделения информативного сигнала (СПВ ИС) и алгоритмов вычисления КС МП ЭК.
В существующих системах, как правило, применяются такие конструкции оптических, емкостных и вихретоковых датчиков в виде многовитковых катушек, которые затруднительно (или невозможно) использовать для измерения МП. Кроме того, внешние мешающие факторы — загрязнения в зоне расположения датчиков, изменения давления, химического состава окружающей среды, влажности и ионизация газов оказывают негативное влияние на оптические и емкостные датчики, а высокая температура - на традиционные конструкции вихретоковых датчиков, ограничивая область их применения.
Предлагаемые конструкции ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника предназначены для измерения МП в широком температурном диапазоне (до 1200С). Объединение датчиков в кластере предполагает такое размещение в пространстве (зоне измерения) с заданной ориентацией ЧЭ относительно ЭК, при котором МП ЭК вызывают изменения естественных выходных сигналов (индуктивностей) всех датчиков в кластере, содержащих информацию о КС МП ЭК, причем число датчиков в кластере определяется числом измеряемых КС.
Преобразования МП с помощью кластеров ОВТД, последующие преобразования и обработку сигналов для получения КС можно классифицировать как совокупные измерения, которые в рассматриваемых системах имеют свою специфику (практически на всех уровнях — схемном, структурном и алгоритмическом).
В частности, в лопаточных установках изменение индуктивности ОВТД при взаимодействии ЧЭ и торцов проходящих лопаток очень мало и составляет около 1% при воздействии интенсивных электромагнитных помех, характерных для стендового оборудования. Увеличить уровень полезного сигнала на выходе измерительной схемы (ИСх) и соотношение сигнал/шум позволяет импульсное питание. Минимальное время получения выходного сигнала (амплитуды импульса) обеспечивает мост Блумлейна, в котором при импульсном питании реализуется один из известных
методов тестовых переходных процессов - метод первой производной (ПП). Метод ПП обеспечивает также подавление температурных изменений сопротивления ОВТД. Вместе с тем, динамические возможности метода ПП ограничены длительностью рассеяния энергии, накопленной в ИСх за время импульса питания, которая возрастает с увеличением длины линии между ОВТД и измерительным преобразователем, включающим ИСх. Время восстановления ИСх, зависящее в основном от длительности рассеяния энергии, определяет минимальный период последовательности импульсов питания и шаг дискретизации периода вращения ротора (приводного вала) силовой установки.
С другой стороны, период импульсов питания определяется требуемым шагом квантования изменении индуктивности ОВТД, причем наиболее органично квантование производится в процессе преобразования углового положения ротора (приводного вала) в цифровой код. Однако, использование в лопаточных машинах датчиков и преобразователей "угол-код", механически связанных с вращающимися ЭК, как правило, не допускается, и существует лишь одна возможность определения периода импульсов питания с помощью штатного бесконтактного индукционного датчика частоты вращения (ДЧВ) и вычислительной процедуры, которой предшествует цифровое преобразование периода вращения ротора. При этом в процедуре вычислений должно соблюдаться условие постоянства шага квантования по углу поворота ротора на различных скоростях его вращения.
Если время восстановления ИСх меньше вычисленного периода импульсов питания на максимальных оборотах ротора, то применяется алгоритм СПБ ИС, в котором формирование импульсов питания и получение соответствующих цифровых кодов завершается за один период вращения ротора.
Если время восстановления превышает вычисленный период, то следует использовать мультистрбоскопическии алгоритм, в котором формирование импульсов питания и преобразование в код происходит за несколько оборотов ротора. При этом на каждом обороте формируется пакет импульсов, число которых в пакете равно числу лопаток, а на каждом последующем обороте производится сдвиг пакета на шаг дискретизации. Полученные цифровые коды в обоих алгоритмах подвергаются далее интерполяционной обработке, в результате которой определяются максимальные значения, соответствующие минимальной индуктивности датчика в момент прохождения торца лопатки ЧЭ ОВТД.
В системах измерения, ориентированных на поршневые силовые установки, имеется возможность простого преобразования угла поворота коленчатого вала в цифровой код и, следовательно, квантования угловых положений вала (оно осуществляется с помощью тех же датчиков (ДЧВ), которые взаимодействуют с зубцами шестерни на маховике коленвала). Формирование импульсов питания и преобразование сигналов ОВТД в код происходит синхронно с прохождением зубцов под ДЧВ в течение рабочего цикла установки.
Для функционирования алгоритмов вычисления КС необходимо располагать семействами градуировочных характеристик (ГХ) измерительных каналов, полученных экспериментально при фиксированных значениях мешающих факторов, в первую очередь, температуры, а также - конкретными значениями кодов в каждом канале ОВТД и в каналах датчиков температуры, встроенных в ОВТД или располо-
женных рядом с іптаи для коррекции результатов измерений. В число основных вычисляемых КС МП в системах измерений, предназначенных для лопаточных силовых установок, входят радиальные и осевые смещения1 шш радиальные, осевые смещения и угловые смещения торцов лопаток. В системах измерения, предназначенных для поршневых установок, в алгоритмах вычислений предусмотрены два этапа: на первом - определяются зазоры в местах установки ОВТД, на втором — КС (смещение поршня относительно цилиндра, смещение вкладыша относительно шейки коленвала и шейки относительно опоры в шатунном подшипнике (ШП) и подшипнике коренной опоры (ПКО) соответственно).
В настоящее время известны многочисленные публикации Белкина В.М., Громыко В.Я., Городецкого Ю.Г., Данилина А.И., Заболоцкого И.Е., Кеба И.В., Коро-стелеваЮ.А., Меркулова А.И ., Милевского Э.Б., Нестерова В.Н., Селюгина B.C., Середина В.И., Смородина С.А.., ChieaYi-Ho., Furuhamas S., Goto Т., Hathawy R.., Maier C, Turley J.E., Yoshihara Y., Vacari J.A.. и др., посвященные разнообразным методам и средствам измерения зазоров в силовых установках. В монографиях и статьях Абоимова М.А., Виноградова А.Н., Дмитриева Ю.С., Герасимова В.Г., Денисова В.А., Иванова Г.И., Католикова В.И. , Клюева В.В., Легкобыта А.К., Лукина А.И., Полулеха А.В., Скворцова А.В., Стеблева Ю.И., Шатерннкова В.Е., Шипова А.К., Bahniuk D.E., Hohener R., Kim K.S., Kim S.S. аналогичные задачи решаются вихретоковыми методами. В работах Беленького Л.Б., КвиткоВ.М., Костина А.В., Ковалевой М.А., Скобелева О.П., Хритина А.А. и автора приведены описания нескольких разновидностей ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, метода ПП и его реализаций в ИСх с импульсным питанием, измерительных преобразователей сигналов ИСх, а также систем измерения зазоров и некоторых алгоритмов их функционирования. В последние годы перечисленные методы и средства измерения зазоров получили развитие в кластерных методах измерения МП ЭК силовых установок и нашли отражение в научных отчетах, заявках на изобретения, статьях и докладах на конференциях. Несмотря на это, вопросы, связанные с систематизацией и обобщением методов измерения МП, можно считать открытыми. Более того, назрела необходимость в разработке новых методов измерения не только координатных, но и факторных координатных составляющих (ФКС) МП, т.е. составляющих, вызванных определенными видами физических воздействий. Также необходима разработка принципов построения систем измерения, реализующих эти методы. Следует особо подчеркнуть, что в диссертационных работах Скобелева О.П., Хритина А.А. и автора, выполненных ранее, проведены всесторонние исследования точности измерительных цепей на основе метода ПП и погрешностей алгоритмов определения РЗ в компрессорах ГТД. В то же время поведение ОВТД в измерительных цепях, реализующих метод ПП, оказывающее определяющее влияние на точность преобразования системы в целом, до сих пор не изучено. Должны быть также исследованы и погрешности вычислений КС МП.
И, наконец, в процессе разработки реализационных основ построения систем измерения особое внимание должно быть уделено созданию таких агшаратно-
1 Радиальные смещения определяют РЗ, если начало системы отсчета расположено на внутренней поверхности статора.
программных средств, в которых ориентация на различные классы силовых установок и задачи их испытаний не препятствовала высокой степени унификации элементов систем, связей между ними, использованию единых конструктивов.
Цель диссертационной работы - Разработка теоретических основ и создание систем измерений МП ЭК, обеспечивающих надежное функционирование и достаточно высокие метрологические показатели в экстремальных условиях в зоне измерений.
Постановка задачи. Для достижения поставленной цели необходимы:
обобщение, систематизация существующих и разработка новых методов измерения координатных и оценки факторных составляющих МП ЭК силовых установок,
разработка принципов построения систем измерения КС МП с кластерами
овтд,
анализ точности измерений,
разработка систем измерения КС МП, экспериментальные исследования их метрологических характеристик и апробация систем в стендовых испытаниях силовых установок.
Основные результаты работы. Предложен подход к построению систем измерения МЛ ЭК силовых установок, предусматривающий использование кластеров ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, импульсных средств преобразования естественных выходных сигналов датчиков и средств их совокупной обработки для определения КС МП.
Разработана обобщенная концептуальная модель процесса измерения МП ЭК силовой установки, отражающая связи координатных п факторных составляющих с выходными сигналами датчиков, параметрами режима и среды объекта, характеристиками внешней среды
Систематизированы существующие и разработаны новые методы измерения КС МП ЭК в лопаточных и поршневых силовых установках, которые предусматривают определенное размещение ОВТД кластера в зонах измерений, ориентацию ЧЭ по отношению к контролируемому ЭК и последующие вычисления КС по сигналом датчиков, а также методы оценки ФКС, основанные на изменении режима установки в процессе эксперимента или на моделировании поведения ЭК.
Разработаны принципы построения систем измерения МП - структурно-функциональная схема и алгоритмы СПВ ИС и вычислений КС. При этом конфигурация и элементы схемы не зависят от вида силовой установки (лопаточная или поршневая), а алгоритмы имеют отличительные особенности в зависимости от вида ЭК и силовой установки.
Проведен анализ точностных характеристик систем измерения, в рамках которого изучено электромагнитное взаимодействие ЧЭ ОВТД и ЭК объекта при импульсном возбуждении со стороны питания, исследованы изменения индуктивности ЧЭ во времени, ее зависимость от преобразуемого перемещения и температуры окружающей среды, исследованы также погрешности алгоритмов вычисления КС МП в лопаточных машинах.
Для решения конкретных задач исследований и испытаний силовых установок (ГТД и ДБС) разработаны, изготовлены и апробированы в стендовых услови-
ях несколько модификации магистрально-модульных систем измерения КС МП ЭК. На основе базовой конструкции ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника разработаны и изготовлены ряд датчиков, предназначенных для использования в составе указанных систем измерения.
Научная новизна и значимость. Новыми являются методы измерения КС МП торцов лопаток в лопаточных силовых установках (радиальных перемещений (зазоров) и осевых смещений (РЗ, ОС); радиального, осевого и углового смещения (РЗ, ОС, УС)), а также методы оценки факторных составляющих смещения ЭК в радиальном направлении (смещения вала в опорах подшипника, пластической деформации элементов колеса ротора, деформации статора).
Впервые разработаны методы измерения КС МП ЭК кривошипно-шатунного механизма в поршневых машинах, в том числе методы измерения смещения вкладыша в ШП, шейки коленвала в ПКО и поршня в цилиндре, а также метод оценки факторной радиальной составляющей деформации вкладыша в ШП.
Оригинальны структура и алгоритмы функционирования систем измерения МП ЭК силовых установок. В частности, применительно к лопаточным машинам новыми являются мультистробоскопический алгоритм СПВ ИС и алгоритм СПВ ИС с повышенным быстродействием, а также алгоритмы вычисления КС (РЗ, ОС и РЗ, ОС, УС) по сигналам датчиков кластера, температурных датчиков и семействам ГХ измерительных каналов, полученных при различных температурах.
Оригинальна базовая конструкция ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника — наиболее значимая компонента предлагаемого подхода к построению систем измерения. Конструкция устойчива к внешним воздействиям, включая изменения температуры в широких пределах (до 1200С). Варианты ОВТД на основе базовой конструкции образуют самостоятельную ветвь в классе вихретоковых датчиков перемещений.
В процессе анализа точности систем измерения впервые разработаны модели ОВТД на базе метода конечных элементов и закона Био-Савара, позволяющие получить индуктивность датчика как функцию времени, преобразуемых перемещений, физических и геометрических параметров ЭК датчика и объекта. Также впервые показано, что в начале переходного процесса при импульсном возбуждении индуктивность датчика определяется преобразуемым перемещением и не зависит от изменений электропроводности материала ЧЭ и ЭК объекта, связанных с изменением температуры. Новыми являются и результаты анализа погрешностей вычисления КС МП торцов лопаток (РЗ, ОС и РЗ, ОС, УС).
Впервые с помощью одного из вариантов компьютерной системы произведены метрологически состоятельные и получены достоверные значения измерения РЗ над каждой лопаткой в различных сечениях и на различных режимах компрессора в процессе стендовых испытаний нескольких разновидностей ГТД.
Научная значимость полученных результатов определяется разработанными методами измерения КС МП, методами оценки ФКС МП, принципами построения систем измерения, реализующих эти методы, результатами исследования точности систем, методами их анализа.
На защиту выносятся подход к построению систем измерений МП ЭК силовых установок в экстремальных условиях, методы измерений координатных и
оценки факторных составляющих МП ЭК, структур и алгоритмы функционирования систем измерении, имитационные модели для исследования точностных характеристик систем, разработанные магистралъно-модульные систем измерений КС МП и результаты их метрологических исследований.
Практическая полезность и внедрение. На основе базовой конструкции ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника разработан и изготовлен ряд датчиков, предназначенных для использования в турбинах, компрессорах и винтовентиля-торах ГТД, в цилиндрах и подшипниках кривоппшно-шатунного механизма ДБС. Простейшая форма ЧЭ и наличие тоководов обеспечивает работоспособность ОВТД в экстремальных условиях при температуре до 1200С (в турбине).
Разработаны и изготовлены функциональные модули, обеспечивающие построение магистралъно-модульных систем измерения, предназначенных для экспериментальных исследований и испытаний силовых установок. В состав модулей входят, в частности, импульсные измерительные преобразователи, реализующие метод ПП, ориентированные на работу с кластерами ОВТД. Аналогичные преобразователи, встраиваемые в линии связи для уменьшения времени восстановления (до 1 мкс), предназначены для систем измерения с повышенным быстродействием.
Разработанные функциональные модули и преобразователи являются технической базой для создания систем измерения, предназначенных для решения разнообразных задач исследований и испытаний, причем объекты измерений не обязательно ограничены классами лопаточных и поршневых силовых установок.
Созданы несколько модификаций систем измерения, в том числе компьютерная система измерения РЗ в компрессоре ГТД, микропроцессорная система измерения РЗ в компрессоре в приборном исполнении, многопроцессорная система измерения РЗ и ОС лопаток в компрессоре и турбине ГТД, компьютерная система измерения РЗ в компрессоре при нестационарных режимах, компьютерная система измерения смещений вкладыша в ШП и шейки коленвала в ПКО автомобильного ДВС.
Компьютерная система измерения РЗ в компрессоре ГТД передана в 1988 г. в ОАО СНТК им. Н.Д.Кузнецова (г.Самара). При стендовых испытаниях получены уникальные экспериментальные данные о поведении зазоров на различных режимах компрессоров двигателей НК-86, НК-321 и НК-93, которые были использованы в процессе доводки для серийного производства. Результаты испытаний отражены в отчетах и обсуждены на НТС организации. В той же организации на основе базовой конструкции ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника выполнена конструкторская разработка и изготовлена опытная партия датчиков для применения в компрессорах и турбинах. В АО "Авиадвигатель" (г. Пермь) передана в 1996 г. система измерения РЗ и ОС в компрессорах и турбинах ГТД. Проведены стендовые испытания ГТД с использованием системы и выпущен технический отчет. Кроме того, проведены предварительные испытания компьютерной системы измерения РЗ при нестационарных режимах ГТД, подтвердившие работоспособность и перспективность разработанных технических и программных средств.
На испытательных стендах автомобильных ДВС в Департаменте развития АО АВТОВАЗ апробирована компьютерная система измерения смещений вкладыша в 1Ш1 и шейки коленвала в ПКО кривошшшо-шатунного механизма. Получены траектории движения вкладышей и шеек коленвала за рабочий цикл работы ДВС.
Компьютерные модели ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, разработанные в диссертации, а также модели алгоритмов вычислении КС МП применялись в процессе проектирования систем измерений и их элементов. Модели ОВТД используются в учебном процессе при подготовке специалистов на базовой кафедре "Инженерия знаний" Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики в рамках специализации "Программное обеспечение автоматизированных систем научных исследований".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на VI международном семинаре "Распределенная обработка информации" (г. Новосибирск, 1998 г.), на межотраслевой научно-технической конференции ЦИАМ (Москва, 1995), на международной конференции "Метрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промышленности" (г. Минск, 1992), на восьмом международном симпозиуме по проблемам модульных информационно-измерительных систем и сетей (г. Дубна , 1991 г.), на всесоюзной конференции по информационно-измерительным системам (г., Санкт-Петербург, 1991 г.), на XXIV всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (г. Апатиты, 1991 г.), на всесоюзном семинаре "Метрология в прецизионном машиностроении" (Саратов, 1990 г.), на всесоюзном семинаре "Измерительные интерфейсы ПЭВМ" (г. Севастополь, 1990 г.), на всесоюзной научно-технической конференции "Интеллектуальные системы в машиностроении" (г. Самара, 1991 г.), ка втором всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (г.Куйбышев,1985 г), на VII всесоюзной конференции по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях" (г. Москва, 1983 г.), на всесоюзных научно-технических конференциях "Автоматизация экспериментальных исследований" (г. Куйбышев ,1978 г.1980 г).
Публикации. По результатам работы опубликовано 36 научных работы, в том числе 10 описаний изобретений к авторским свидетельствам.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 147 страницах, содержит 102 рисунка, 15 таблиц. Список литературы включает 156 наименований и занимает 17 страниц. Приложения к диссертации изложены на 65 страницах.