Содержание к диссертации
Введение
Измерения многокоординатных смещений торцов лопаток и лопастей 16
1.1 Газотурбинные двигатели как объекты измерения 16
1.2 Существующие кластерные методы измерения координатных составляющих смещений с помощью одновитковых вихретоковых датчиков 21
1.3 Предлагаемые методы 29
1.3.1 Кластерный метод измерения измерениях, Y, Z~ координат смещений торцов лопаток 30
1.3.2 Кластерный метод измерениях, У, Z, 9>-координат смещений торцов лопастей 34
1.3.3 Метод измерения Г-координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) 36
1.4 Концепция измерений, обобщающая существующие и предлагаемые методы измерения многокоординатных смещений торцов лопаток и лопастей 39
1.5 Обзор существующих и перспективных одновитковых вихретоковых датчиков для использования в кластерных методах измерения 43
Выводы к разделу 1 48
2 Структура и алгоритмы функционирования систем измерения многокоординатных смещений торцов лопаток и лопастей 51
2.1 Обобщенная структурно-функциональная схема 51
2.2 Алгоритмы функционирования 56
2.2.1 Алгоритмы управления преобразованиями и вычислениями 56
2.2.2 Алгоритмы вычисления координат 62
2.2.3 Алгоритм моделирования неизмеряемых X, Z— координат смещений торцов лопастей винтовентилятора 73
2.2.4 Алгоритмы обнаружения колебаний лопаток 76
Выводы к разделу 2 85
3 Погрешности систем измерения координат смещений торцов лопаток и лопастей 88
3.1 Погрешности вычисления^, У, Z- иХ, У, Z, (р~координат . 91
3.1.1 Погрешности алгоритмов решения систем уравнений 91
3.1.2 Влияние погрешностей входных данных 98
3.2 Погрешности вычисления Y- координат смещений торцов
лопастей с моделированием неизмеряемых X, Z - координат 104
Выводы к разделу 3 109
4 Системы измерения координат смещений торцов лопаток и лопастей для исследований и испытаний ГТД 111
4.1 Система измерения X, Y,Z- координат смещений торцов
лопаток 111
4.1.1 Технические средства действующего макета системы 112
4.1.2 Программное обеспечение 117
4.1.3 Аппаратно-программные средства моделирования 124
4Л .4 Лабораторные исследования действующего макета системы 131
4.2 Система измерения У- координат смещений торцов лопастей
(радиальных зазоров) 137
4.2.1 Технические средства 137
4.2.2 Программное обеспечение системы 141
4.2.3 Метрологические исследования и результаты применения системы в стендовых испытаниях 146
Выводы к разделу 4 151
Заключение 154
Литература
- Существующие кластерные методы измерения координатных составляющих смещений с помощью одновитковых вихретоковых датчиков
- Алгоритмы управления преобразованиями и вычислениями
- Влияние погрешностей входных данных
- Лабораторные исследования действующего макета системы
Введение к работе
Актуальность темы. Экономичность и надежность современных газотурбинных двигателей (ГТД), в том числе винтовентиляторных, зависят от радиальных зазоров между торцами лопаток и статором компрессора и турбины, а также от радиальных зазоров между торцами лопастей и статорной оболочкой винтовентилятора. С уменьшением радиальных зазоров, связанным с радиальными смещениями торцов лопаток и лопастей, экономичность ГТД возрастает, но его надежность уменьшается из-за возможного касания торцами поверхности статора (статорной оболочки). При этом смещения торцов лопаток и лопастей являются многомерными и в выбранной системе отсчета характеризуются несколькими координатными составляющими. Причиной смещений являются тепловые и упругие деформации, которые зависят от геометрических и физических параметров элементов конструкций, параметров окружающей среды, а также особенностей конструирования и функционирования ГТД на различных режимах работы.
Если предположить, что используется прямоугольная система отсчета, жестко связанная со статором (статорной оболочкой), то нельзя исключить все возможные линейные (X, Y,Z) и угловые {<рх, Известны методы измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора с помощью одновитковых вихретоковых датчиков (ОВТД) с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, способных работать в тяжелых условиях, в том числе при высоких температурах. Методы предусматривают использование кластера ОВТД, в котором количество и расположение чувствительных элементов датчиков зависит от характера измеряемых смещений и определяется числом искомых координатных составляющих. Представляется очевидным, что точность измерения координатных составляющих и, в частности, радиальных смещений и связанных с ними радиальных зазоров, зависит от числа измеряемых координатных составляющих, а, следовательно, от «полноты» используемого кластера датчиков. Вместе с тем, с увеличением числа датчиков в кластере требуется увеличение числа установочных отверстий в статоре (статорной оболочке), что в определенных условиях может оказать отрицательное влияние на прочность изделий и нх надежность. В этой связи разработчики ГТД стремятся уменьшить число ОВТД в кластере, и, соответственно, число установочных отверстий до минимума, сохраняя при этом требования к точности измерений. Но требуемая точность измерений возможна только при условии, что неизмеряемые координатные составляющие пренебрежимо малы, а в противном случае они становятся мешающими факторами, снижающими точность измерений и требующих специальных мер по уменьшению их влияния. Поэтому совершенствование существующих и разработка новых методов и систем измерения, реализующих эти методы и обеспечивающих необходимую точность, как при отсутствии, так и при наличии ограничений на установку требуемого числа ОВТД в составе кластера, является актуальной задачей, решение которой имеет важное значение в экспериментальных исследованиях в процессе доводки и испытаниях ГТД, а также для диагностики и управления в процессе эксплуатации двигателей. Принятый подход к построению систем измерения. Рассматриваемые в диссертации системы предназначены для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора (X, Y, Z- и X, Y, Z, (ру - координатных составляющих соответственно). Известно, что с увеличением скорости вращения ротора и возрастающими тяговыми усилиями двигателя происходят изгибы пера лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора, которые сопровождаются смещениями их торцов в радиальном, осевом и в направлении вращения, т.е. изменениями всех трех координатХ> 7, Z, а также координаты фу, связанной с принудительными изменениями угла поворота лопастей при смене режима. При этом угловые смещения лопастей составляют до 40 град., а линейные - 1(Ь-15 мм. Величина составляющих смещений торцов лопаток в штатных режимах работы двигателя на 1-2 порядка меньше, однако, в нештатных режимах, например, в предпомпажных и помпажных состояниях двигателя, когда возникают колебания лопаток с большой амплитудой, координатные составляющие возрастают до миллиметрового уровня. Система измерения X, Y, Z - координат смещений торцов лопаток ориентирована на применение в экспериментальных исследованиях компрессора ГТД в предпомпажном и помпажном состояниях, а система измерения X, Y,Z,f- координат1 - на использование в процессе испытаний винтовентилятора в рабочих режимах работы двигателя. При этом какие-либо ограничения на установку необходимого числа ОВТД в составе кластеров отсутствуют, а система, помимо измерений, должна выполнять контрольные функции - по обнаружению начала колебаний лопаток (начала помпажа) и слежению за смещениями торцов лопастей в радиальном направлении (F-координатой) с сигнализацией опасных значений радиальных зазоров. Предлагаемый подход к построению таких систем базируется на усовершенствованном методе измерений X, Y, Z - координат смещений торцов лопаток и новом методе измерения X, Y,Z>(p- координат смещений торцов лопастей. Методы предусматривают такое расположение чувствительных элементов ОВТД в составе кластера, которое обеспечивает монотонность семейств градуировочных характеристик в диапазонах измерений координатных составляющих, а фиксация естественных выходных сигналов датчиков производится одновременно в моменты прохождения замков лопаток (оснований лопастей) геометрического центра Поскольку из возможных угловых координат рассматривается только (р у, то для упрощения записи здесь и далее индекс опускается. между двумя чувствительными элементами на координатной оси 2. Методы измерения X, У, Z - и X, У, Z, <р - координат предполагают использование трех и четырех ОВТД соответственно. ОВТД включаются в измерительные цепи с импульсным питанием для увеличения уровня полезного сигнала над помехами. Питание подается одновременно на все датчики в составе кластера, а короткие линии связи между ОВТД и преобразователями, включающими измерительные цепи, обеспечивают малое время восстановления и высокую частоту повторения импульсов питания (до 1 МГц). Выходные напряжения измерительных цепей нормализуются, коммутируются и преобразуются в цифровые коды, соответствующие естественным выходным сигналам ОВТД. Коды фиксируются по всем лопаткам за один оборот ротора. Параллельно производится преобразование сигналов датчиков частоты вращения ротора и датчиков температуры, встроенных в ОВТД или расположенных вблизи чувствительных элементов для последующей термокоррекции. Для вычисления искомых координат используются семейства градуировочных характеристик измерительных каналов, полученных экспериментально (представляющих собой зависимости кодов от искомых координат и температуры среды, окружающей ОВТД), а также конкретные значения кодов в каждом канале ОВТД и найденные значения температуры. Вычисление координатных составляющих фактически сводится к решению системы уравнений с тремя неизвестными (X, Y, Z) при измерении смещений торцов лопаток компрессора и четырьмя неизвестными (X, Y, Z, <р) при измерении смещений торцов лопастей винтовентилятора. Вместе с тем, как показывает практика стендовых испытаний винтовентилятора, разработчиков ГТД в наибольшей степени интересуют экспериментальные данные об У- координатах смещений торцов лопастей и контроль опасных значений радиальных зазоров, но при ограничении числа датчиков, установленных в контрольной точке на статорной оболочке, до одного (вместо кластера из четырех ОВТД). При этом предоставляется возможность использования сигнала штатного датчика угла поворота лопастей (р - координата). С учетом указанных ограничений и возможностей предлагаемый подход к построению системы, отвечающей требованиям разработчиков двигателей, базируется на новом методе измерения Y~ координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) с коррекцией влияния угла поворота лопасти {{р - координаты) с помощью штатного датчика и с коррекцией неизмеряемых координат (X, Z) с помощью моделирования их поведения в зависимости от параметров режима двигателя. При этом все преобразования от естественного выходного сигнала ОВТД до получения соответствующего цифрового кода остаются теми же, что и в рассмотренных системах, но в отличие от них в системе измерения У-координат осуществляется моделирование изгиба лопастей под действием тягового усилия с учетом геометрических и физических параметров материала, а также моделирование самого тягового усилия с учетом измеряемой скорости вращения ротора, определяющей режим двигателя. По найденному изгибу определяются координаты X, Z С помощью градуировочных характеристик измерительного канала ОВТД, полученных экспериментально, по найденным значениям цифрового кода, измеренным значениям температуры и (р - координаты, а также по значениям координат X и Z, полученным путем моделирования, вычисляются значения искомой Y- координаты. В настоящее время известны многочисленные публикации Абоимова М.А., Виноградова А.Н., Герасимова В.Г., Денисова В.А., Дмитриева Ю.С., Иванова Г. И., Католикова В. И., Клюева В.В., Легкобыта А.К., Лукина А.И., Меркулова А.И., Нестерова В.Н., Полулеха А.В., Скворцова А.В., Стеблева Ю.И., Шатерникова В.Е., Шипова А.К., Bahniuk D.E., Dixon D., Hohener R. [1-Ю], посвященные электромагнитным (вихретоковым) методам и средствам измерения перемещений элементов конструкций ГТД, их узлов и агрегатов, в том числе методам и средствам измерения перемещений элементов конструкций по нескольким координатам, реализуемым с помощью многовитковых датчиков с ограниченными температурными возможностями. Появление высокотемпературных ОВТД с чувствительными элементами в виде отрезка проводника, ориентированных на применение непосредственно в газовоздушном тракте ГТД, послужило основой разработки кластерных методов и средств измерения многомерных перемещений элементов конструкций ГТД, в том числе лопаток, лопастей винтовентилятора, оси вала в опорных подшипниках, колес ротора при исследовании уплотнителей. Описания разработанных методов и средств нашли отражения в публикациях Белкина В.М., Боровика С.Ю., Васина Н.Н, Игначкова СМ., Игонина С.Н., Ильинского С.А., Ковалевой М.А., Пинеса В.Н., Райкова Б.К., Секисова Ю.Н,, Скобелева О.П., Слепнева А.В., Федорченко Д.Г., Хритина А.А. [11-35], причем в наиболее полном и систематизированном виде кластерные методы и средства, реализующие эти методы, освещены в коллективной монографии (при участии автора) [34]. Следует отметить, что наиболее разработанными и исследованными являются методы и средства измерения Y, Х- координат смещений торцов лопаток компрессора и турбин. Сформулирован метод измерения X,Y,(p-координат, исследована точность метода, однако, какие-либо практические результаты отсутствуют. Наименее разработанным из существующих является метод измерения X, Y, Z- координат, а имеющиеся публикации не содержат детального анализа метода и исследования его точности. Опубликованная также идея коррекции влияния неизмеряемых координат с помощью моделирования при ограничениях на установку требуемого числа датчиков в составе кластера серьезного развития не получила. На основе сравнительного анализа существующих источников можно утверждать, что кластерные методы измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора с расширенным числом измеряемых координатных составляющих (X, Y, Z, а также X, У, Z, (р) требуют дальнейшего совершенствования и дополнительной разработки. Это в равной степени касается и метода измерения Y- координат при ограничении на установку требуемого числа ОВТД в составе кластера. Отсутствуют какие-либо разработки систем измерения, реализующих перечисленные методы, не исследованы точностные возможности систем. Поэтому диссертационная работа призвана восполнить существующий пробел и, прежде всего, в теоретических основах построения систем измерения, которые включают используемые методы измерения, принципы построения систем и анализ их точности. Цель диссертационной работы - разработка теоретических основ построения систем измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентиллятора и их реализация в системах для экспериментальных исследований и испытаний ГТД. Постановка задачи ~ для достижения указанной цели необходимы: разработка более совершенных и новых методов измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток и лопастей как при отсутствии ограничений на установку ОВТД в составе кластера, так и при наличии ограничений; разработка принципов построения систем, реализующих эти методы (на уровне структур и алгоритмов); исследование точности систем измерения; создание систем измерения на основе разработанных принципов, проведение метрологических исследований измерительных каналов и проверка работоспособности в лабораторных и производственных условиях. Методы исследования основаны на использовании теорий измерений и погрешностей, теории аппроксимации функции нескольких переменных, численных методов решения систем нелинейных уравнений и методов имитационного моделирования. Научная новизна. Предложены кластерные методы измерения X, Y, Z - и X, У, Z, <р - координат смещений торцов лопаток и лопастей, предусматривающие такое расположение чувствительных элементов ОВТД, которое обеспечивает монотонность семейств градуировочных характеристик в диапазонах измерений, а также одновременную фиксацию кодов в каналах датчиков в составе кластера в моменты прохождения замков лопаток или оснований лопастей геометрического центра между двумя чувствительными элементами на оси Z, причем при измерении XtYtZ- и X, Y,Z, Разработаны принципы построения систем измерения, реализующие предложенные методы. Оригинальны обобщенная структурно-функциональная схема и алгоритм управления квазипараллельными преобразованиями и вычислениями с уменьшенной длительностью полного цикла измерений, алгоритмы вычисления координатных составляющих при аппроксимации семейств градуировочных характеристик полиномиальными и кусочно-линейными функциями нескольких переменных, алгоритмы обнаружения колебаний лопаток для диагностики помпажного состояния ГТД, а также алгоритмы моделирования поведения неизмеряемых координат, включающие моделирование тягового усилия в зависимости от угла поворота лопастей и частоты вращения ротора и моделирование изгиба лопастей с учетом конструктивных и физических параметров материала. Методами имитационного моделирования исследованы погрешности алгоритмов вычисления X,Y,Z- и X, Y, Z, <р - координат смещений торцов лопаток и лопастей при использовании аппроксимации семейств градуировочных характеристик полиномиальными и кусочно-линейными функциями нескольких переменных, а также влияния погрешностей входных данных. Показано, что погрешности вычисления координат в основном определяются погрешностями входных данных, влияние которых возрастает с увеличением числа координат. Исследованы погрешности вычисления Y-координат смещений лопастей и показано, что моделирование неизмеряемых координат (X, Z) приводит к их многократному снижению. Получены оценки погрешности вычисления в зависимости от погрешностей моделированиях, Z- координат и погрешностей входных данных. Структура и краткое содержание диссертации. В разделе 1 систематизируются существующие и рассматриваются новые методы измерения координатных составляющих смещений торцов лопаток и лопастей с помощью ОВТД. Изложению методов предшествует краткое описание ГТД как объекта измерения. Приводится также концепция измерений, обобщающая существующие и новые методы измерения, и в систематизированном виде - описание существующих ОВТД, на которые ориентированы кластерные методы, а также их перспективных вариантов. В разделе 2 рассматриваются принципы построения систем измерения. Приводится описание обобщенной структурно-функциональной схемы, которая предусматривает как измерение X,Y,Z- и X, Y, Z, ц> - координат с помощью кластеров ОВТД, так и Y- координат (радиальных зазоров) с помощью одного ОВТД и моделирования неизмеряемых координат (X, Z). Рассматриваются основные алгоритмы функционирования системы, в том числе алгоритмы управления квазипараллельными преобразованиями и вычислениями, алгоритмы вычисления искомых координат смещений лопаток (лопастей) и моделирования неизмеряемых координат, а также алгоритмы обнаружения колебаний лопаток, свидетельствующие о помпажных явлениях в компрессоре. В разделе 3 рассматриваются погрешности систем измерения. Приводится анализ погрешностей алгоритмов вычисления X, Y, Z- и X, К, Z, >-координат смещений торцов лопаток и лопастей, а также погрешностей алгоритмов вычисления Г—координат смещений торцов лопастей с моделированием неизмеряемых X, Z ~ координат, которые, как ожидается, являются доминирующими и вносят наибольший вклад в суммарную погрешность. В разделе 4 приводится описание технических и программных средств двух систем, в которых реализованы раработанные принципы. Первая из них обеспечивает измерение X, У, Z- координат смещений торцов лопаток и предназначена для экспериментальных исследований помпажных явлений в компрессоре ГТД. Предусмотрена и контрольная функция по обнаружению колебаний лопаток, свидетельствующих о начале помпажа. Вторая система обеспечивает измерение У-координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) и контроль опасных состояний радиальных зазоров в процессе стендовых испытаний винтовентиляторных ГТД. Приведены результаты метрологических исследований и результаты, полученные в ходе лабораторных и стендовых экспериментов. Практические результаты. Создан действующий макет системы измерения X, У, Z - координат смещений торцов лопаток компрессора. С помощью специально разработанных аппаратно-программных средств моделирования изменений во времени параметров газовоздушного тракта и лопаточного венца при помпаже в Институте проблем управления сложными системами РАН была подтверждена работоспособность макета системы как в режиме измерения X, Y, Z - координат смещений торцов лопаток, так и в контрольном режиме обнаружения начала колебаний лопаток, свидетельствующих о появлении помпажных явлений. Создана система измерения У-координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров), которая была использована в процессе стендовых испытаний винтовентиляторного ГТД в ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. Н. Д. Кузнецова». Подтверждена работоспособность системы в производственных условиях и получены важные экспериментальные данные, которые были использованы при оценке характеристик двигателя. Показано также, что в течение длительных испытаний (более 50 часов) радиальные зазоры ни разу не снижались до минимально допустимых значений (2 мм) и, тем более, до аварийных. На защиту выносятся: кластерные методы измерения X, Y, Z- и X, Y, Z, <р - координат смещений торцов лопаток и лопастей, а также метод измерения Y- координат смещений торцов лопастей (радиальных зазоров) с коррекцией влияния неизмеряемых координат (X, 2) путем их моделирования; обобщенная структурно-функциональная схема системы и алгоритмы, реализующие предложенные методы; результаты исследований точности систем измерения; система измерения X, У, Z - координат смещений торцов лопаток для экспериментальных исследований помпажных состояний компрессора, а также система измерения У- координат смещений торцов лопастей винтовентилятора (радиальных зазоров), предназначенная для стендовых испытаний винтовентиляторных ГТД. Известны кластерные методы измерения КС смещений торцов лопаток компрессора и турбины с помощью ОВТД с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника [22-25,34,35]. Методы предусматривают использование кластера (группы) ОВТД, причем количество и расположение ЧЭ зависит от характера измеряемых смещений и определяется числом искомых КС в выбранной системе отсчета. При этом получение измерительной информации по всем КС обеспечивается путем совокупной обработки сигналов кластера датчиков на основе экспериментальных градуировочных характеристик (ГХ) как функций измеряемых КС и мешающих факторов (МФ)1. Принцип действия ОВТД иллюстрирует схематическое изображение, представленное на рисунке 1.4 [17]. ОВТД состоит из трех элементов: согласующего трансформатора, безиндуктивных тоководов и ЧЭ. С помощью удлиненных безиндуктивных тоководов ЧЭ вносится в зону измерения с неблагоприятными внешними условиями, в частности в зону с высокой температурой. Тоководы и ЧЭ образуют виток вторичной обмотки согласующего трансформатора, расположенного в нормальных условиях, а его первичная обмотка включается в измерительную цепь (ИЦ) с импульсным питанием, реализующую известный метод первой производной [51]. Ток, протекающий в ЧЭ, возбуждает электромагнитное поле, которое приводит к возникновению вихревых токов в электропроводной торцевой части лопатки, расположенной в зоне измерений вблизи ЧЭ. Вихревые токи в торцевой части, в свою очередь, создают электромагнитное поле, взаимодействие которого с вызвавшим его полем приводит к изменению индуктивности ЧЭ, а, следовательно, и сигнала на выходе ИЦ [51]. Представляется очевидным, что при наличии электропроводности торцевой части лопасти ВВ, ОВТД обеспечивает преобразование их смещений аналогично преобразованию смещений торцов лопаток В таблице 1.1 существующие кластерные методы измерения представлены в систематизированном виде. Классификация методов производится по виду и числу измеряемых КС. Приводится расположение ЧЭ в кластере относительно торцов лопаток и система уравнений для вычисления КС с учетом действия температуры {). Однако, из четырех методов, представленных в таблице, лишь три метода соответствуют определяющим признакам кластерное. Метод измерения Y- координат (радиального смещения, первая строка), в котором предполагается, что все остальные КС (X, Z, (р) пренебрежимо малы и достаточно лишь одного датчика вместо группы, в рамках принятой классификации следует считать условно кластерным или вырожденным кластерным методом. Необходимо также отметить, что методы, приведенные в таблице 1.1, можно ориентировать на измерение смещений торцов как лопаток компрессора и турбин, так и лопастей ВВ. На теоретическом уровне такое объединение не вызывает каких-либо возражений, однако, в соответствии с работами [15, 22] практическое применение методов измерения У- и X, У— координат ограничивается только лопатками, что подтверждается анализом реальных величин КС и соотношениями между ними. Такой же анализ в отношении методов измерения X, Y, р - и X, У, Z - координат показывает, что первый из них следует ориентировать на лопасти ВВ, а второй — на лопатки. Подобное разделение выдерживается в последующих описаниях существующих методов. Предполагается, что ось лопатки проходит через центр замка лопатки, Возвращаясь к описанию метода измерения Г—координат, следует подчеркнуть, что начало координатных осей системы отсчета совпадает с осью лопатки1 и центром ЧЭ (четвертая колонка таблицы 1.1). При отсутствии лопатки в зоне чувствительности датчика его индуктивность имеет наибольшее значение. Лопатка с номером / при вращении ротора входит в зону чувствительности датчика и его индуктивность за счет возникновения вихревых токов в лопатке уменьшается. Когда центры торца лопатки и ЧЭ совместятся, индуктивность ОВТД будет минимальна (рисунок 1.5). С учетом принятых ограничений (AM), Z=0, р=0) индуктивность (Amjn) будет зависеть только от координаты У, т.е. от смещений в радиальном направлении (РЗ), а также от температуры окружающей среды (&), причем с увеличением Y (РЗ) индуктивность будет возрастать. Индуктивность ОВТД преобразуется ИЦ в аналоговый сигнал и затем в цифровой код С. Предполагается, что указанные преобразования идеальны ПО быстродействию И ПРОИСХОДЯТ МГНОВеННО В МОМеНТЫ Времени /,]) ta, fa, ..., соответствующие угловым положениям у/ц, у/а, фа С помощью интерполяционной обработки полученных значений кодов (С,-1, Сд, С,з, ...) определяется максимальное значение С,тах, соответствующее Limin и искомому значению координаты Y (РЗ) [15]. Определение физических значений У и РЗ для значений кода (С,тах) и измеренной температуры рабочей среды (6 р) осуществляется по функции обратной ГХ (пятая колонка таблицы 1.1). Если торцы лопаток в процессе вращения ротора смещаются как в радиальном, так и в осевом направлении одновременно, то индуктивность ОВТД зависит от координат X, Y и измерение одним датчиком невозможно. Необходим кластер, содержащий, по крайней мере, два ОВТД. ЧЭ датчиков должны быть расположены параллельно и на расстояниях по осям координат, не превышающих границы рабочих диапазонов (Fp, Хр), с таким расчетом, чтобы контролируемая лопатка всегда находилась между ЧЭ обоих датчиков (вторая строка таблицы 1.1). Индуктивность каждого ОВТД в составе кластера преобразуется в аналоговый сигнал и далее в цифровые коды Cj и С . Значения Y и X можно найти путем решения системы из двух уравнений, связывающих максимальные значения кодов в измерительных каналах ОВТД с координатами [25]. При этом для их определения используются семейства ГХ измерительных каналов ОВТД (пятая колонка таблицы 1.1), полученные экспериментально. Кроме перечисленных функций в укрупненном блоке «Сбор и преобразование» осуществляется преобразование температуры в зоне ЧЭ каждого ОВТД (КОВТД). Оно выполняется датчиками температуры, сигналы которых также нормализуются, коммутируются и преобразуются в цифровой код. В ходе предварительной обработки цифровых сигналов ОВТД (КОВТД), наряду с отбраковкой и фильтрацией, производится фиксация кодов Cj, С2, Сз, соответствующих моментам времени f4i,/V2, V --уіцпл (этап З, рисунок 1.8). Далее по найденным значениям кодов и вычисленным физическим значениям температуры 6 , также полученным после предварительной обработки кодов, соответствующих сигналам датчиков температуры, производится вычисление координат X , У , Z (система уравнений (1.1), этап 4, рисунок 1.8). Аналогичные действия, связанные со сбором и преобразованием, а также предварительной обработкой производятся и при реализации метода измерения X, У,Z, # -координат смещений торцов лопаток (лопастей), В то же время, поскольку число ОВТД в составе кластера увеличивается до четырех, то после предварительной обработки фиксируются значения кодов С], С2 Сз, С4 в моменты времени t4\t t42,..., іф ..., t4m (этап 3, рисунок 1.8), а затем с учетом температуры производится вычисление координат X, Y, Z\ (р (система уравнений (1.2), этап 4, рисунок 1.8). Завершая описание функционирования схемы (рисунок 2.1) при реализации кластерных методов измерения X, Y, Z- и X, У, Z, р координат, следует подчеркнуть, что в укрупненном блоке «Сбор и преобразование», наряду с ГШ сигналов ОВТД, осуществляется преобразование сигналов только одного датчика - ДЧВ, а в укрупненном блоке «Обработка и моделирование» отпадает необходимость в использовании операций, связанных с моделированием. Напротив, реализация метода измерения Y координаты смещений торцов лопастей в условиях, когда вместо кластеров ОВТД разрешена установка только одного датчика, моделирование поведения неизмеряемых КС смещений является обязательным. При этом моделированию неизмеряемых X3Z- координат предшествует моделирование воздействия тягового усилия на лопасти ВВ. Тяговое усилие (F) является функцией скорости вращения и угла поворота лопасти, преобразуемых с помощью ДЧВ и штатного потенциометрического датчика (ПД), которые далее преобразуются в цифровой код, предварительно обрабатываются и представляются в виде физических значений п и (р соответственно (рисунок 1.12). Затем моделируется изгиб лопасти (d) и с помощью текущих значений угла поворота находятся координаты X, Z . По значениям кода в выбранном канале ОВТД (С г), измеренными, предварительно обработанными и вычисленными физическими значениями температуры ЧЭ ОВТД (&) и угла поворота лопасти {(р), а также найденным в результате моделирования неизмеряемым координатам (X, Z) вычисляется искомая координата Y (РЗ) (раздел 1.3.3, рисунок 1.12). Если в процессе экспериментальных исследований ТТД существует возможность получения сигнала с датчика тяги (на рисунке 2.1 эта цепь преобразований и последующей обработки показана пунктиром), то необходимость в моделировании тягового усилия отпадает, а для моделирования изгиба лопасти и неизмеряемых координат X и Z используются вычисленные после предварительной обработки физические значения измеренной тяги (F ). В рассматриваемой схеме СИ (рисунок 2.1) в укрупненном блоке «Обработка и моделирование» предусмотрены также контрольно-диагностические функции. В частности, контролируются опасные состояния РЗ, когда координата Y, найденная с помощью предлагаемых методов, сравнивается с минимально допустимым значением (Ydon). Кроме того, при экспериментальных исследованиях помпажных явлений в компрессоре предусматриваются операции по обнаружению колебаний лопаток путем контроля КС, в первую очередь, Z-координаты. Достижение минимально допустимых Y- координат (Ydon) или появление колебаний сопровождаются выдачей соответствующих сообщений и звуковых сигналов об опасном состоянии РЗ или начале помпажа. Как уже отмечалось, данные на входе блока «Вычисление координат» (рисунок 3.1) всегда имеют некоторую погрешность. Причины возникновения погрешностей связаны с преобразованиями измерительной информации в каналах ОВТД и предварительной обработкой данных, которые, в конечном счете, приводят к флюктуации кодов. Пусть в /-том измерительном канале С, флюктуируют в пределах ДС,. Тогда погрешность входных данных определяется по формуле где С3 и Cf11"- границы диапазона изменения кодов /-того канала в диапазонах измерения. Исследование влияния погрешности % , на погрешности алгоритмов вычисления проводятся в предположении аддитивного характера изменений кодов С,- в диапазонах изменений координат и равенства погрешностей входных данных всех каналов кластера 6 (=3 . При моделировании цифровых кодов в блоке «Измерение» полученные результаты суммируются с изменением кода от погрешности входных данных. При этом вычисление изменения кода осуществляется по формуле: АС,.= -аА1-.(СГ-СГ) где а/и - -тый элемент множества, характеризуемого в комбинаторике как размещение с повторением [80], определяющий один из вариантов знака погрешности S (-1,+1) для і-того канала; введение коэффициента знака погрешности а/а необходимо для перебора возможных комбинаций погрешностей каналов (например, для трех каналов (три ОВТД в составе кластера) число таких комбинаций равно 8). На рисунке 3.7 представлены результаты оценки погрешностей алгоритма решения системы двух уравнений при определении X, Y— координат и наличии погрешностей входных данных. Оценка погрешностей выполнялась при аппроксимации полиномиальными функциями (рисунок 3.7, а) и для погрешности входных данных 5ех 0.5 и 1 % , а также при использовании интерполяционных таблиц с числом узлов по каждой координате, равным 16, и для тех же значений погрешностей входных данных - 0.5 и 1 % (рисунок 3.7, б). Как следует из обеих пар графиков погрешности дх и Sy для обоих вариантов сопоставимы, как по характеру зависимости от изменения координат, так и по максимальным значениям погрешностей. Влияние погрешностей входных данных (S ) очень велико - погрешности алгоритмов решения систем уравнений (4, Sy) возрастают в несколько раз по сравнению с $ех, причем наибольших значений достигают погрешности 8Х (8 %) на верхней границе диапазона изменений координаты Y при погрешности На рисунке 3.8 приведены результаты оценки погрешностей алгоритма решения систем трех уравнений при определении X, Y,Z- координат и с учетом погрешностей входных данных Зм (0.3% и 0.5 %). Как показали вычислительные эксперименты погрешности алгоритмов решения систем уравнений возрастают с уменьшением чувствительности и на границах диапазонов достигают недопустимо больших значений, составляющих десятки процентов. Уменьшение погрешностей возможно лишь при сужении диапазонов изменения координат. Поэтому оценки погрешностей S , S и Угтах как при использовании полиномиальной аппроксимации ГХ (рисунок 3.8, а), так и при использовании интерполяционных таблиц (рисунок 3.8, б) осуществлялись в уменьшенных рабочих диапазонах изменения координат - X от 0.3 до 1.2 мм, Y от 0.3 до 1.2 мм, Z от 0.3 до 1.2 мм. Результаты оценки погрешностей для обоих вариантов сопоставимы. Исследуемые погрешности определяются только значениями координат и погрешностями входных данных, причем погрешность 3 возрастает в 5 раз относительно погрешности 5вх, а погрешности 8 и J2max увеличиваются более чем в 10 раз. На рисунке 3.9 представлены результаты оценки погрешностей алгоритма решения системы четырех уравнений при определении X, Y3Z,q -координат и с учетом погрешностей входных данных (0.1% и 0.2 %). Рабочие диапазоны изменения координат при использовании полиномиальных аппроксимаций ГХ -Хот 0.25 до 1.2 мм, У от 0.2 до 1,4 мм, Z от 0.05 до 1 мм, р от 36 до 54 град, (рисунок 3.9, а), при использовании интерполяционных таблиц -Хот 0 до 0.95 мм, Гот 0.2 до 1.2 мм, Z от 0 до 1 мм, д от 36 до 54 град, (рисунок 3.9, б). Результаты экспериментов (рисунок 3.9) подтверждают вывод о том, что исследуемые погрешности в основном определяются погрешностями входных данных (результаты исследования влияния погрешностей входных данных сведены в таблицы Б.1-Б.З (строки 2, 3) в Приложении Б.2). Влияние погрешностей входных данных возрастает с увеличением числа искомых координат, причем чувствительность к погрешностям входных данных также усиливается с увеличением числа искомых координат. Рассматриваемая система предназначена, как уже отмечалось, для исследования помпажных явлений. Поскольку подобные явления опасны и разрушительны, то в процессе эксперимента обычно допускаются лишь кратковременные вводы двигателя в состояние помпажа, чтобы уменьшить риск разрушений элементов конструкций двигателя. Такие вводы осуществляются достаточно редко, тем более, в настоящее время при значительном снижении числа новых отечественных разработок двигателей и исследований в этой области. В подобных условиях возникают очевидные трудности в выборе объекта измерений и сроков проведения экспериментов, несмотря на заинтересованность разработчиков двигателей. Поэтому, учитывая неопределенность в выборе объекта измерений, в процессе разработки системы было принято решение ограничиться действующим макетом без проведения каких либо мероприятий по адаптации датчиков (в частности, ОВТД) к объекту, а для проверки работоспособности макета — решение о создании специальных аппаратно-программных средств, обеспечивающих моделирование изменений во времени параметров газовоздушного тракта и лопаточного венца, включая моделирование соответствующих выходных сигналов датчиков и преобразователей, при наличии помпажных явлений вместо натурного эксперимента. Приводится описание технических средств и программного обеспечения действующего макета системы и аппаратно-программных средств моделирования. Кроме того, приводятся результаты проверки работоспособности макета и результаты метрологической аттестации основных измерительных каналов, Состав и структура технических средств. В состав технических средств действующего макета системы [8\] (СИ-ІС-01) входят датчиковая аппаратура, платы L-Card (L-783 и Е-440) для ввода аналоговых и цифровых сигналов, а также ПЭВМ, причем плата L-783 располагается внутри, а плата Е-440 - вне ПЭВМ (рисунок 4.1). Каждая плата содержит сигнальный процессор с возможностью его программирования под прикладные задачи, что позволяет осуществлять распределенную обработку информации, получаемой с объекта. При этом процессор платы L-783 обеспечивает сбор и предварительную обработку высокоинформативных аналоговых сигналов о смещениях торцов лопаток на одной из ступеней компрессора и цифровых сигналов о скорости вращения ротора, а плата Е-440 выполняет те же функции в отношении аналоговых сигналов пониженной информативности о температуре и давлении в газовоздушном тракте, а также о температуре в зоне ЧЭ ОВТД, используемой для термокоррекции. Измерение давления на выходе ступени и температуры на выходе турбины производятся для сопоставления эффективности существующих алгоритмов обнаружения помпажных явлений с алгоритмами обнаружения по колебаниям лопаток, рассмотренными в разделе 2.4. Датчиковая аппаратура содержит устройства промышленного изготовления и нестандартные датчики и преобразователи их сигналов. В состав первой группы входят датчик частоты вращения ротора (ДЧВ) и формирователь (Ф) его сигналов, датчики температуры (термопары, ТП) и датчик давления (ДД). ТП обеспечивает измерение температуры за турбиной, а ДЦ следит за изменениями давления на выходе ступени. При этом в качестве ТП используются хромель-алюмелиевые (ХА) термопары, а в качестве ДД - датчики «Метран» со встроенными усилителями-нормализаторами. Вторая группа включает кластер из трех ОВТД (ОВТДі-ЮВТДз) с индивидуальными преобразователями ПР (ПР Прз) естественных выходных сигналов ОВТД (индуктивностей) в напряжения. Расположение ЧЭ на внутренней поверхности статора компрессора должно соответствовать рисунку 1.7. При этом в качестве ОВТД используются датчики типа ОВТД-К-3(Л), которые были апробированы в системах измерения РЗ в компрессорах [15, 34]. В конструкциях таких датчиков предусмотрены встроенные хромель-копелевые (ХК) термопары (ТПі ТПз), предназначенные для термокоррекции. Преобразователи сигналов ОВТД (тип СУ-01) конструктивно выполнены в виде отдельных блоков, соединенных с датчиками короткой линией (до 1 м). Генератор тактовых импульсов (ГТИ), входящий в состав одного из Пр, формирует управляющие сигналы импульсов питания каждого ОВТД и импульсов внешней синхронизации АЦП платы L-783, обеспечивая тем самым синхронный запуск АЦП1. Выходные сигналы Пр Прз подаются на аналоговые входы платы L-783. На дискретный вход этой платы подаются сформированные импульсные сигналы ДЧВ, их период с помощью таймера сигнального процессора преобразуется в цифровой код, характеризующий скорость вращения ротора. Сигналы оставшихся датчиков (давления и температуры) поступают на аналоговые входы внешней платы Е-440, подключаемой к ПЭВМ по последовательному интерфейсу USB.Существующие кластерные методы измерения координатных составляющих смещений с помощью одновитковых вихретоковых датчиков
Алгоритмы управления преобразованиями и вычислениями
Влияние погрешностей входных данных
Лабораторные исследования действующего макета системы
Похожие диссертации на Системы измерения многокоординатных смещений торцов лопаток компрессора и лопастей винтовентилятора
