Дискретно-фазовые преобразователи динамических перемещений лопаток для систем управления турбоагрегатов Чернявский Аркадий Жоржевич

Введение к работе

Актуальность

Важной проблемой современного машиностроения является обеспечение высокой эксплуатационной надежности и увеличение ресурса турбоагрегатов -газотурбинных двигателей (ГТД) и паровых турбин. Наиболее ответственными деталями турбоагрегатов являются лопатки компрессоров и турбин, работающие в сложных эксплуатационных условиях больших знакопеременных нагрузок, экстремальных температур, эрозионных и коррозионных воздействий. Для нормальной эксплуатации турбоагрегатов и предотвращения аварийных ситуаций необходимо контролировать техническое состояние лопаток в процессе работы.

Несмотря на все принимаемые меры, в эксплуатации возникают аварийные ситуации, связанные с поломкой лопаток, которые выводят турбоагрегат из строя на длительное время. Согласно различным данным, от 42 до 53 % от всех причин выхода из строя ГТД и паровых турбин связано с надёжностью лопаточного аппарата. Кроме этого, лопатки являются наиболее дорогостоящими заменяемыми узлами турбоагрегатов - их стоимость может достигать 50 % от общей стоимости запасных частей. Таким образом, проблема контроля состояния лопаток является актуальной для турбоагрегатов, работающих в различных отраслях промышленности.

Известны различные методы и средства диагностики и контроля деформационного состояния лопаток эксплуатируемых турбоагрегатов. Среди этих методов выделяется бесконтактный дискретно-фазовый метод (ДФМ), позволяющий определять индивидуальное состояние и параметры перемещений каждой лопатки рабочего колеса турбоагрегата.

В классических реализациях ДФМ измеряют временные интервалы между моментами прохождения лопаток относительно нескольких импульсных первичных преобразователей (ПП). На основе результатов измерений этих интервалов и статистической обработки полученной информации вычисляют амплитуды и частоты колебаний лопаток, а также смещения их торцов от исходного рабочего положения под воздействием статических и динамических нагрузок. По мере развития ДФМ уменьшался объем препарирования турбоагрегата, появились новые разработки дискретно-фазовых преобразователей (ДФП), позволяющие определять динамические перемещения лопаток. Тем не менее, каждый из ДФП позволяет определять только один параметр колебаний лопаток при использовании нескольких ПП, необходимого накопления и статистической обработки получаемых данных.

Таким образом, разработка ДФП динамических перемещений лопаток турбоагрегатов с уменьшенным количеством используемых ПП, расширенными функциональными возможностями и улучшенными эксплуатационными характеристиками для систем управления режимами работы турбоагрегатов, их теоретическое и экспериментальное исследование являются актуальной задачей.

Степень разработанности темы

Вопросам теоретического обоснования методов и разработки устройств диагностики лопаточных узлов турбоагрегатов посвящены многочисленные работы отечественных авторов Боришанского К.Н., Боровика С.Ю., Васина Н.Н., Данилина А.И., Заблоцкого И.Е., Медникова В.А., Секисова Ю.Н., Урьева Е.В., зарубежных авторов Geisheimer J., Heath S., Imregun M., von Flotow A., Zielinski M., Ziller G. и других.

З

Однако исследование деформационного состояния лопаток в этих работах проводилось в основном на стационарных режимах работы турбоагрегата. Анализ наиболее информативных переходных режимов работы не выполнялся, в том числе из-за ограничений, накладываемых классическими реализациями ДФМ. Кроме этого, классические реализации ДФМ не позволяют определять частоту колебаний лопаток при использовании единственного ПП.

Область исследований - бесконтактные дискретно-фазовые преобразователи динамических перемещений лопаток на основе динамики изменения формы сигнала первичного преобразователя.

Объект исследований - методы и технические средства улучшения эксплуатационных характеристик дискретно-фазовых преобразователей динамических перемещений лопаток турбоагрегатов.

Целью работы является расширение функциональных возможностей и повышение точности дискретно-фазовых преобразователей динамических перемещений лопаток турбоагрегатов в условиях их ограниченного препарирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Проведение сравнительного анализа и классификация методов построения ДФП динамических перемещений лопаток для определения базовой структурной схемы устройства с учетом требований, предъявляемых к преобразователям перемещений со стороны турбоагрегата.

2. Разработка математической модели формирования информационного сигнала при взаимодействии ПП с динамически перемещающимся торцом лопатки турбоагрегата.

3. Разработка методики обработки информационного сигнала ПП для определения параметров динамических перемещений - амплитуды, частоты и начальной фазы колебаний лопаток турбоагрегата.

4. Математическое моделирование ДФП в широком эксплуатационном диапазоне значений параметров колебаний лопаток при различных отношениях сигнал / шум.

5. Проведение метрологического анализа ДФП динамических перемещений.

6. Разработка ДФП динамических перемещений с расширенными функциональными возможностями на основе современных схемотехнических решений. Проведение экспериментальных исследований разработанного ДФП динамических перемещений.

Научная новизна

7. Разработаны математические модели формирования информационных сигналов вихретокового и индукционного ПП, учитывающие их взаимодействие с динамически подвижным объектом контроля - лопаткой турбоагрегата и позволяющие определить параметры колебаний лопатки [9-11, 14, 16].

8. Разработан и исследован метод определения параметров динамических перемещений лопаток, заключающийся в анализе изменений формы импульсов ПП, формируемых динамически нагруженными лопатками, и позволяющий в условиях ограниченного препарирования турбоагрегата определять без потери точности колебательные параметры каждой лопатки на переходных режимах работы турбоагрегата за 1-2 оборота лопаточного колеса [10, 11, 16, 25, 26].

3. Разработана методика обработки, основанная на нелинейной аппроксимации информационного сигнала ПП и обеспечивающая определение параметров динамических перемещений: амплитуды, частоты и начальной фазы колебаний лопатки турбоагрегата [10, 11, 16].

4. Разработана методика оценки метрологических характеристик ДФП динамических перемещений лопаток с учетом различных отношений сигнал / шум [11, 16].

Научные положения диссертации соответствуют пунктам 2 и 3 паспорта специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления».

Методы исследований

В диссертационной работе при решении поставленных задач использованы: математический аппарат линейной алгебры, матричные преобразования, численные методы решения оптимизационных задач, элементы теории погрешностей, методы математического моделирования. При анализе результатов экспериментальных исследований использовались методы статистической обработки экспериментальных данных.

В качестве вычислительной платформы и программного обеспечения в диссертационной работе использовался пакет математического моделирования MATLAB версии R2012b, в котором были реализованы разработанные автором алгоритмы и методики.

Реализация результатов работы

Разработанные в диссертационной работе дискретно-фазовые преобразователи динамических перемещений лопаток турбоагрегатов использованы:

- ПАО «Кузнецов» (г. Самара) в технологическом процессе стендового
контроля угловых и линейных перемещений элементов вращающихся узлов
газотурбинных двигателей на изделии Д-4 в виде устройства для бесконтактного
определения параметров колебаний лопаток вентиляторной ступени;

- ТЭЦ ВАЗа (г. Тольятти) ОАО «Волжская ТГК» в технологическом процессе
эксплуатационного контроля рабочего состояния лопаток турбоагрегатов
ПТ-60-130/13, Т-100/120-130, ПТ-135/165-130/13 в составе систем диагностики и
контроля деформационных параметров лопаток паровых турбин;

- в учебном процессе Самарского университета по специальности 160901
«Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей» в курсе
«Электрические измерения» при выполнении лабораторных работ по исследованию
деформационного состояния лопаток турбоагрегатов бесконтактными способами.

Теоретическая значимость диссертации заключается в:

- разработке математических моделей формирования информационных
сигналов вихретокового и индукционного ПП при их бесконтактном
взаимодействии с динамически нагруженными лопатками турбоагрегата;

разработке и исследовании метода определения параметров динамических перемещений лопаток, заключающегося в анализе изменений формы импульсов ПП, формируемых динамически нагруженными лопатками, и позволяющего определять колебательные параметры каждой лопатки;

разработке методик и алгоритмов проведения нелинейной аппроксимации информационного сигнала ПП применительно к задаче определения параметров колебаний лопаток.

Практическая значимость диссертации заключается в:

- разработке схемотехнических и программных средств, позволяющих
реализовать ДФП с расширенными функциональными возможностями;

создании действующих образцов дискретно-фазовых преобразователей для бесконтактного определения параметров динамических перемещений лопаток турбоагрегатов, построенных на современной микроконтроллерной элементной базе;

результатах моделирования и экспериментальных исследований процессов формирования и обработки информационных сигналов в ДФП динамических перемещений лопаток турбоагрегатов;

- разработанных и изготовленных специализированных стендах для
исследования метрологических характеристик ДФП динамических перемещений
лопаток турбоагрегатов.

На защиту выносятся:

1. Математические модели формирования информационных сигналов вихретокового и индукционного первичных преобразователей при их взаимодействии с динамически подвижным объектом контроля - лопаткой турбоагрегата, позволяющие определить параметры колебаний лопатки.

2. Метод определения параметров динамических перемещений лопаток, основанный на анализе изменений формы импульсных сигналов, формируемых ПП при взаимодействии с динамически нагруженными лопатками, и позволяющий в условиях ограниченного препарирования турбоагрегата определять без потери точности колебательные параметры каждой лопатки на переходных режимах работы турбоагрегата за 1-2 оборота лопаточного колеса.

3. Методика аппаратно-программной обработки аддитивной смеси информационного сигнала ПП и шума для определения параметров динамических перемещений лопаток турбоагрегата.

4. Методика оценки метрологических характеристик ДФП динамических перемещений лопаток с учетом различных отношений сигнал / шум.

5. Результаты моделирования, разработки и экспериментальных исследований опытного образца ДФП динамических перемещений лопаток с расширенными функциональными возможностями.

Достоверность результатов работы определяется экспериментальными исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы и не противоречащими известным положениям в данной области исследований.

Результаты экспериментальных исследований получены с использованием аттестованных средств измерения.

Апробация материалов диссертации проводилась на следующих научно-технических конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г. Самара, 2003, 2012, 2015, 2016 г.г.), Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2003, 2006, 2011 г.г.), XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара, 2011 г.), Симпозиум с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (г. Самара, 2012 г.), International Conference on Aerospace Technology, Communications

and Energy Systems (ATCES 2017) (г. Самара, 2017 г.), International Conference on Mechatronics and Electrical Systems (ICMES 2017) (г. Ухань, Китай, 2017 г.).

Публикации

Результаты диссертационной работы опубликованы в 45 научных работах, в том числе: 14 – в изданиях, рекомендованных ВАК России; 6 – в изданиях, индексируемых в SCOPUS; 2 – в изданиях, индексируемых в Web of Science (WoS); в 8 патентах на изобретения Российской Федерации и 1 патенте США.

Личный вклад автора

Все результаты, определяющие научную новизну диссертационной работы, получены автором лично. Техническая часть экспериментальных работ проведена с участием инженерного коллектива НИЛ-43 кафедры радиотехники Самарского университета.

Структура и объем диссертации