Построение оптических пирометрических систем измерения температуры лопаток ротора ГТД Уразбахтин, Pycтем Нурович

Введение к работе

Актуальность темы. Одним из основных параметров ГТД, определяющих его удельную силу тяги и расход топлива, является температура газа перед турбиной. Б; максимальное значение ограничено термопрочиостью лопаток турбины, поэтому необходим контроль теплового состояния рабочих лопаток, осуществление которого возможно бесконтактными средствами термометрии.

На этапе эксплуатации информационно-измерительных систем (ИИС) для измерения температуры рабочих лопаток с исполмованяем оптических пирометрических преобразователей (01ИI) выявлен ряд их существенных недостатков, а именно: низкая метрологическая надежность 01111 из-за изменения коэффициентов пропускания промежуточной среды, оптической системы и помех, вызванных наличием сажевых частиц в потоке газа.

Современным решением проблемы является построение оптических пирометрических систем (ОПС), использующих информационную и временную избыточрюсть и включающих в свой состав пирометр спектрального отношения.

Для оценки эффективности применения ОПС измерения температуры рабочих лопаток необходимы предварительные исследования метрологических характеристик (MX) ОШІ и измерительных каналов (ИК)„ созданных на их основе, в реальных условиях эксплуатации. Это связано также с назначением обоснованных требовшшй к величине инструментальной погрешности ОПП.

Практический интерес представляет определение потенциально достижимой точности оценки температуры лопаток ротора турбины и сопоставление ее с требуемой для подтверждения требований к точности измерения температуры и выбора функциональной и технической структуры ОПС. Погрешность результата измерений'с вероятностью 0.95 не должна превышать 3-5 К.

Вопросам использования методов оптической пирометрии для измерения температуры технических объектов посвящены работы отечественных (Гордов А.Н., Жагулло О.М., Свет Д.Я., Поскачей А.А., Чарихов Л.А., Кумунжиев К.В., Парфенов Г.Б., Лебедев В.А.) и зарубежных (Curweu K.R., Small L.L., Masom R.A., Guenard R.N., Atkinson W.H., Dunphy J.R., Staoge W.A.) ученых. 'Эти работы направлены, в основном, на совершенствование бесконтактных методов измерения температуры и повышение метрологической надежности ОПП, а также решению проблем схемотехнической реализации.

Однако, до сих пор отсутствует эффективное сочетание достижений в области разработки ОПП с современными методами и средствами обработки сигналов, реализовать которое позволит системотехнический подход к проектированию ОПС. Это, в частности, обусловлено отсутствием образцовых средств измерений, позволяющих оценить MX ОПС в реальных условиях эксплуатации.

Перспективным подходом, создающим основу для принятия конструктор-

ских и схемотехнических решений на этапе проектирования, является вычислительный эксперимент, для проведения которого требуется создание проблемно-ориентированной программной системы, включающей средства планирования эксперимента, имитационные и аналитические модели физических процессов в объекте и измерительных преобразователях, банк алгоритмов вторичной обработки информации, средства статистического анализа результатов проектирования и их отображения.

Для решения проблемы автоматизации исследований необходимо разработать модели лопаток ротора ГТД как источника излучения с имитацией реальных условий функционирования в составе ГТД, а также промежуточной среды излучения, отражающие характер изменения ее физических свойств при изменении условий эксплуатации.

В связи с вышеизложенным, тема диссертационной работы, посвященной созданию моделей и средств информационной обработки для построения оптических пирометрических систем измерения температуры лопаток ротора ГТД, является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка моделей и средств информационной обработки для построения оптической пирометрической системы, обеспечивающей максимальную вероятность оценки теплового состояния лопаток ротора ГТД с заданной допустимой погрешностью.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. разработка математических моделей лопаток ротора ГТД как источника излучения и среды распространения излучения, отражающих условия функционирования и эксплуатации ГТД, для использования в составе математического и программного обеспечения для анализа MX ОПП и ИК ОПС на их основе;

2. разработка алгоритмов оценки параметров выходного сигнала ОПП для построения ИК, предназначенных для оценок средней и среднемаксималькой температур рабочих лопаток на основе монохроматических и полихроматических ОПП;

3. разработка функциональной структуры ОПС, включающей ИК для оценок средней и среднемаксимальной температур рабочих лопаток и обеспечивающей требуемое качество функционирования ИК при различных условиях эксплуатации;

4. разработка математического и прикладного программного обеспечения для анализа MX ОПП и ИК ОПС на их основе, содержащего средства планирования и обработки результатов экспериментов;

5. исследование чувствительности метрологических характеристик ОПП к вариациям конструктивных факторов для обоснованного назначения требований к ним;

6) оценка проектной эффективности функционирования ИК ОПС методом статистического моделирования.

Методы исследования. В процессе решения сформулированных задач использовались методы информационно-статистической теории измерений, теории оптимального оценивания, теории графов, теории случайных процессов, корреляциоігаого и статистического анализа, математического моделирования и теории планирования эксперимента.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

6. разработана модель излучающей поверхности лопаток ротора ГТД, позволяющая имитировать ее пространственно-временные характеристики в реальных условиях работы;

7. разработана модель промежуточной среды на основе марковских процессов, позволяющая имитировать помехи в измерительном канале;

8. разработаны алгоритмы оценки параметров сигнала ОГШ на основе статистического и корреляционного анализа сигналов с использованием алгоритмических измерительных преобразований;

9. разработан алгоритм составления временной диаграммы работы информационно-измерительной системы на основе временной приоритетной сети Петри, новизна которого заключается в минимизации путей реализации функциональных задач;

10. разработана функциональная структура ОПС с двухуровневой обработкой с использованием системного подхода к посгроению ИИС;

11. обоснованы требования к точности задания конструктивных параметров монохроматического и полихроматического ОПП;

12. оценена проектная эффективность функционирования разработанных ИК ОПС различного целевого назначения.

Практическая ценность полученных результатов заключается:

13. в разработанных имитационных моделях лопаток ротора ГТД как объекта излучения, промежуточной среды, ОПП и ИК ОПС;

14. в разработанных алгоритмах для оценки частоты, среднего и средне-максимального значения выходного сигнала ОПП и их программной реализации;

15. в разработанном алгоритме контроля параметрического отказа ОПП, обусловленного изменением коэффициента пропускания оптической системы, состоящим из алгоритма оценки погрешности измерений и алгоритма принятия решений о состоянии ИК;

16. в разработанной функциональной структуре ОПС на основе информационной и временной избыточности;

17. в разработанном программном обеспечении для анализа метрологических характеристик ИК ОПС (свидетельство об официальной регистрации про-

граммы для ЭВМ № 950116);

6. в разработанном программном обеспечения для составления временной диаграммы работы ИИС (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 940948);

7. в полученных зависимостях метрологических характеристик ОПП от конструктивных факторов;

8. в полученных оценках эффективности функционирования и области работоспособности ИК ОПС.

Реализация результатов работы. Результаты работы в виде методики и программного обеспечения для автоматизации проектирования ИИС на основе ОПП для контроля теплового состояния лопаток ротора ГТД внедрены в УНПП "Молния".

На защиту выносятся:

1. имитационные модели промежуточной среды и лопаток ротора ГТД как источника излучения;

2. функциональная структура ОПС на основе использования информационной и временной избыточности с двухуровневой обработкой информации;

3. алгоритмы оценки параметров выходного сигнала ОПП;

4. результаты экспериментальных исследований.

Апробация работы; О'снсзные положения и результаты докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в том числе: на Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы" (Уфа, 1995г.), на VII Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Крым, 1995г.), на 2-й Межотраслевой научно-технической конференции "Совершенствование методов и средств стендовых испытаний" (Лыткарино, 1995г.), на VIII Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Крым, 1996г.), на ПІ Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, 1996г.).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из которых 2 статьи, 5 тезисов докладов, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 167 листах машинописного текста, 32 страниц иллюстративно-табличного материала и списка использованных источников из 110 наименований.