Структура и алгоритмы систем измерения смещений и деформаций элементов конструкций газотурбинных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структура и алгоритмы систем измерения смещений и деформаций элементов конструкций газотурбинных двигателей

Введение

Рассматривается обобщенная структурно-функциональная схема систем измерения смещений и деформаций элементов конструкций ГТД, приводится описание типовых алгоритмов функционирования таких систем.

Газотурбинные двигатели (ГТД) находят широкое применение в промышленности, энергетике и на транспорте. Разработка ГТД представляет собой один из наиболее наукоемких процессов, в котором происходит интеграция знаний из различных областей фундаментальных и прикладных наук, а состояние, в котором находится производство двигателей, в значительной степени характеризует уровень экономического развития страны. Поэтому правительства промышленно развитых стран уделяют особое внимание газотурбинному двигателестроению.

Специалисты отмечают, что технические характеристики ГТД во многом определяются величиной радиального зазора (РЗ) между основными подвижными и неподвижными элементами их конструкции (торцами лопаток ротора и статором, зазорами в подшипниках и т.д.), и именно РЗ оказывают существенное влияние на удельный расход топлива, токсичность выхлопа, границы устойчивой работы, длительность и безопасность эксплуатации двигателя [1-4]. Так, согласно данным, приведенным в работе [2], при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов увеличение РЗ между лопатками ротора и статором компрессора ГТД на 1% ведет к снижению его КПД на 3% и более и перерасходу топливного газа почти на 10%. В соответствии с оценками, приведенными в [3, 4], уменьшение зазора между торцами лопаток турбины и статором ГТД на 0.25 мм приводит к увеличению КПД турбины на 1%.

Очевидно, что РЗ является лишь одним из множества линейных и угловых смещений, совершаемых элементами конструкций (ЭК) двигателя. Причинами же смещений являются температурные и упругие деформации ЭК, которые зависят от геометрических и физических параметров материалов конструкций, параметров окружающей среды, а также от режимов функционирования ГТД. Все это и определяет интерес разработчиков ГТД к средствам измерения смещений и деформаций ЭК двигателей.

В настоящее время известны методы получения информации о координатах смещений (КС) торцов лопаток, реализуемые с помощью сосредоточенных кластеров одновитковых вихретоковых датчиков (ОВТД) с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезков проводников [5, 6] (ОВТД способны работать в тяжелых условиях, в том числе при температуре до 1500 °С). Методы предусматривают размещение ОВТД в установочных отверстиях статора на площади, ограниченной расстоянием между торцами лопаток (как в направлении вращения, так и в направлении оси ротора). Число и расположение ЧЭ датчиков определяются искомыми координатами и зависят от величины и особенностей смещений [7, 8]. Сигналы датчиков фиксируются одновременно в момент прохождения замка лопатки геометрического центра (г.ц.) кластера. Далее в процессе обработки полученных данных с помощью заранее снятых семейств градуировочных характеристик каждого датчика вычисляются искомые координаты, в том числе и РЗ.

Реализации кластерных методов препятствует множество ограничений. Наиболее значимые из них связаны с увеличением числа установочных отверстий в статоре не только для рабочих ОВТД, но и для компенсационных, которые отрицательно влияют на его прочность, а также с трудностями сосредоточения ОВТД в составе кластера из-за сравнительно больших габаритов существующих датчиков. Перечисленные ограничения стали основной мотивацией к последующей разработке новых разновидностей методов, свободных от указанных недостатков, в том числе методов измерения с неполным кластером с моделированием неизмеряемых координат [9]. В работах [10, 11] рассматривались принципы построения систем измерения, реализующих указанные методы, включая обобщенную структурно-функциональную схему и типовые алгоритмы функционирования.

Следует отметить, что рассмотренные выше кластерные методы измерения КС торцов лопаток, включая их разновидности, предполагают отсутствие деформаций статора, смещений его г.ц. и биений колеса ротора. В противном случае полученная информация окажется недостоверной. В этой связи разработки последних лет были направлены на преодоление и этого серьезного ограничения. В [12-14] предложены методы, которые предусматривают установку на статоре четырех кластеров ОВТД, определение РЗ как одной из КС, моделирование радиальных смещений торцов лопаток, вызванных упругой и термической деформацией с учетом текущих скоростей вращения и температуры, и вычисление деформации статора по результатам измерений РЗ и моделирования.

Очевидно, что создание конкретных систем измерения КС и деформаций ЭК ГТД, реализующих методы [12-14], требует разработки обобщенной структуры и типовых алгоритмов функционирования систем, отличающихся от изложенных в [10, 11] не только наличием операций вычислений деформаций, смещений г.ц. статора и биений, но и имеющих свои особенности в управлении сбором, преобразованиями, вычислениями и моделированием. Указанным вопросам и посвящена настоящая статья, в которой рассматриваются обобщенная структурно-функциональная схема систем измерения КС и деформаций, приводятся описания типовых алгоритмов управления сбором, преобразованиями и вычислениями, в том числе деформаций статора, смещений его г.ц. и биений ротора.

1.Обобщенная структурно-функциональная схема

Обобщенная структурно-функциональная схема систем измерения КС торцов лопаток колеса ротора и деформаций статора ГТД представлена на рис. 1.

Объект измерения - ГТД характеризуется множеством параметров, среди которых - искомые деформации и смещения указанных ЭК, в том числе и РЗ, а также параметры, характеризующие режим работы двигателя, его рабочую и внешнюю среду. К последним могут быть отнесены скорость вращения ротора ГТД (n), температуры газовой смеси и воздуха в функционально значимых зонах ГТД и в местах расположения ОВТД () и т.п.

Рис.1

Изменения естественных выходных сигналов датчиков кластеров (индуктивностей), соответствующих перемещениям контролируемых ЭК, преобразуются в квазипостоянные напряжения в соответствии с методом первой производной [7] при импульсном питании измерительной цепи с ОВТД. Выходные сигналы измерительной цепи нормализуются, коммутируются, а затем осуществляется их аналого-цифровое преобразование. Полученные коды подвергаются предварительной цифровой обработке, включая фильтрацию и отбраковку отсчетов [15].

Для формирования сигналов управления используется информация о скорости вращения колеса ротора, которая определяется с помощью индукционного датчика частоты вращения (ДЧВ) и магнитной «метки» на валу ротора. В моменты прохождения «метки» на выходе ДЧВ появляются импульсы напряжения, период которых (р) и характеризует скорость вращения ротора. Сигналы ДЧВ нормализуются, а период р преобразуется в цифровой код, который используется для вычисления физических значений скорости вращения n и моментов фиксации кодов (tцi) в каналах ОВТД по всем лопаткам в соответствии с реализуемым методом измерения. Полученные значения кодов и градуировочные характеристики измерительных каналов обеспечивают вычисление КС торцов лопаток, в том числе РЗ [7].

Найденные значения скорости вращения ротора используются для моделирования упругой деформации его элементов, а моделирование температурных деформаций производится на основе информации о температуре, получаемой с помощью датчиков температуры, и в частности термопар (ТП). С этой целью могут быть применены и встроенные в ОВТД ТП, горячие спаи которых размещены вблизи ЧЭ и предназначены для термокоррекции датчиков [7]. Сигналы ТП преобразуются в цифровые коды и после соответствующей обработки и вычисления физических значений температур используются для моделирования.

Термокоррекция результатов преобразования ОВТД производится в ходе вычислений физических значений КС торцов лопаток. Для более эффективной термокоррекции возможно применение дополнительной ТП, расположенной вблизи согласующего трансформатора ОВТД в сочетании с моделированием температуры ЧЭ по результатам измерений обеих ТП [16].

Если в ходе моделирования деформаций элементов конструкций колеса ротора возникает необходимость в учете дополнительных параметров режима работы, внешней или внутренней среды ГТД (помимо скорости вращения колеса и температуры), то число датчиков и преобразователей их сигналов в составе системы может быть увеличено.

Результаты моделирования упругих и температурных деформаций совместно с результатами вычисления физических значений РЗ используются для вычисления деформаций статора. Вычисленные физические значения РЗ служат также для определения смещений г.ц. статора и биений колеса ротора.

Если в системе реализуются методы, ориентированные на применение неполного кластера ОВТД [9], то определение неизмеряемых параметров и КС также осуществляется путем моделирования, при этом помимо специально разработанных могут быть использованы и рассмотренные выше упрощенные модели упругих и температурных деформаций ЭК ГТД. В случае необходимости состав моделей может быть расширен по сравнению с исходным.

Управление преобразованиями и вычислениями осуществляется с помощью специальных алгоритмов, реализуемых в программном обеспечении конкретных систем измерений. При этом часть функций по управлению и обработке информации может быть возложена на ПЭВМ, входящие в состав аппаратных средств систем, а другая часть указанных функций может быть реализована в специализированных микропроцессорах и микроконтроллерах.

2.Типовые алгоритмы функционирования систем

Алгоритм управления сбором, преобразованиями и вычислениями. В соответствии с обобщенной структурно-функциональной схемой (рис. 1) для получения информации об искомых параметрах необходимо выполнение следующих операций:

1) измерение периода вращения ротора (фр);

2) вычисление моментов прохождения замками лопаток г.ц. кластеров ОВТД (tцi);

3) преобразование, нормализация и коммутация сигналов ОВТД, а также параметров режима, внешней и внутренней среды;

4) преобразование в код нормализованных сигналов датчиков;

5) предварительная обработка полученных значений кодов;

6) выборка кодов в каналах ОВТД, соответствующих моментам tцi;

7) расчет физических значений параметров режима, внешней и внутренней среды;

8) моделирование упругих и температурных деформаций ЭК ротора;

9) вычисление физических значений КС торцов лопаток, включая РЗ;

10) вычисление биений колеса ротора компрессора и турбины, деформаций статора и смещений его г.ц.

Если разрабатываемая система предназначена для экспериментальных исследований ГТД, работающих в стационарном режиме, когда искомые параметры имеют практически статический характер (очень медленно изменяются во времени), то все вышеперечисленные операции, связанные с измерениями и преобразованиями, а также с вычислениями, могут выполняться в старт-стопном режиме в указанной последовательности без каких-либо серьезных ограничений во времени и повышенных требований к быстродействию применяемых технических средств системы, включая ПЭВМ, и к объему ее памяти. При этом длительность каждой операции в среднем составляет около периода вращения ротора ГТД.

Если разрабатываемая система предназначена для применения в ходе экспериментальных исследований динамических режимов ГТД, когда скорость изменений измеряемых и преобразуемых, а также вычисляемых параметров существенно возрастает, то появляются временные ограничения и возрастают требования к вычислительным ресурсам и динамическим характеристикам системы. Для улучшения динамических характеристик в [17, 18] предлагается так называемое «квазипараллельное» выполнение нескольких операций, в том числе измерение периода вращения, преобразования сигналов датчиков, их нормализация, коммутация и преобразование в код, вычисление моментов tцi и выборка соответствующих кодов, а также вычисление КС торцов лопаток. При этом все указанные вычисления выполняются в интервалах времени, ограниченных временем пролета лопатки (tц2-tц1, tц3-tц2,…, tцi-tцi-1,…).

Принцип квазипараллельности может быть распространен и на операции расчета деформаций, смещений г.ц. статора и биений ротора, реализуемые в рамках рассматриваемых в статье методов измерения. В этом случае вычисление КС лопаток происходит так же, как и в алгоритме [17, 18], при этом на отрезке времени от прихода синхроимпульса (t=0) до момента tц1 начиная со второго оборота вычисляются моменты выборки кодов в каналах с ОВТД, производится преобразование сигналов датчиков параметров режима и среды объекта, моделируются упругие и температурные деформации элементов конструкций ротора. В тех же интервалах (0…tц1), но с начала третьего оборота и на всех последующих, при наличии биений дополнительно определяются средние значения РЗ и деформаций, а также вычисляется величина биений.

Квазипараллельный алгоритм может быть использован и в системах, ориентированных на исследования ГТД в стационарных режимах. В этом случае преобразования и вычисления (расчет моментов времени tцi и КС) выполняются в «кадре», содержащем несколько периодов вращения ротора, по квазипараллельному алгоритму, а избыточность измерительной информации в несколько периодов вращения используется для предварительной обработки. По окончании предварительной обработки вычисляются смещения г.ц. статора, его деформация и биения ротора.

Следует отметить, что реализация квазипараллельных измерений, преобразований и вычислений может потребовать распределенной обработки информации, поскольку перечисленные вычислительные операции связаны с большими информационными потоками. Разумеется, приведенные соображения не исключают применения в системах одного, но достаточно быстродействующего процессора.

Алгоритмы моделирования. Одной из значимых процедур в реализации методов измерений КС торцов лопаток и определения деформаций статора является моделирование упругих и температурных деформаций вращающихся ЭК ГТД [9, 12-14]. Очевидно, что разработка таких моделей требует привлечения соответствующих специалистов в области создания и исследования ГТД. Более того, алгоритмы расчета моделей напрямую зависят от решаемых системой измерения задач и потому плохо поддаются какой-либо типизации. В то же время можно сформулировать основные требования и рекомендации, которым должны удовлетворять указанные модели.

Очевидно, что быстродействие систем, реализующих рассматриваемые в статье методы сбора и обработки измерительной информации о смещениях и деформациях ЭК ГТД, во многом определяется скоростью расчета указанных моделей. В этой связи основным требованием, предъявляемым к соответствующим алгоритмам моделирования, является их быстродействие - все расчеты должны осуществляться в реальном времени. Второе немаловажное требование к алгоритмам моделирования связанно с ограниченностью в вычислительных ресурсах систем измерения. Поэтому указанные алгоритмы не должны быть требовательны к объемам оперативной памяти, процессорному времени и т.п. В общем случае выполнение этих требований достигается за счет применения упрощенных моделей (аналитических или численно разрешимых), моделей идентификации [19] и моделей, построенных на новых принципах, в том числе нечетких логических моделей [7, 20].

Алгоритмы вычислений деформаций статора, смещений его г.ц. и биений ротора. Одной из задач измерений, реализуемых в системах рассматриваемого класса, является нахождение деформаций статора и смещений его г.ц. относительно оси ротора. Определение искомых параметров осуществляется по результатам измерений РЗ, выполненных с помощью четырех кластеров ОВТД, размещенных на статоре двигателя с равномерным угловым шагом и результатам моделирования удлинения лопаток рабочего колеса с учетом их геометрии, физических параметров материалов, текущих значений температуры и скорости вращения ротора ступени ГТД [12-14]. При этом определение деформаций статора может происходить как в условиях биений колеса ротора турбины или компрессора, так и при их отсутствии.

Если биения колеса ротора отсутствуют, то искомые деформации определяются по результатам измерения физических значений зазоров на холодной прокрутке, а также в рабочем режиме с учетом начальных и рабочих смещений г.ц. статора, и определяемых на основе моделей изменений РЗ, обусловленных упругими и температурными вытяжками колеса ротора. Исходными данными для алгоритма являются значения РЗ между торцами контролируемых лопаток и г.ц. всех четырех кластеров ОВТД, полученные в ходе холодной прокрутки ротора от стартера после сборки и монтажа исследуемой ступени, значения РЗ на рабочем режиме функционирования ГТД, а также результаты моделирования изменений РЗ из-за упругих и температурных деформаций элементов конструкций ротора. На начальном этапе работы алгоритма производится вычисление координат смещений г.ц. статора после сборки и монтажа в режиме холодной прокрутки, а затем, после вычисления изменений РЗ относительно их начального значения, производится расчет искомых деформаций статора. Полученные результаты сохраняются в памяти системы.

Наличие биений колеса ротора приводит к тому, что в режиме холодной прокрутки и в рабочем режиме зазоры являются функциями угла поворота ротора и имеют колебательный характер с периодом, равным периоду вращения. В этом случае операции, связанные с определением смещений г.ц. статора и его деформаций, могут быть проведены только после получения информации о зазорах по всем лопаткам контролируемого колеса и их последующего усреднения. Алгоритм вычисления деформаций статора, смещений его г.ц. и биений ротора приведен на рис. 2. Исходными данными для алгоритма являются массивы начальных (полученные в ходе холодной прокрутки ротора ГТД от стартера) значений РЗ между торцами контролируемых лопаток и г.ц. всех четырех кластеров ОВТД (c01[1.. nл]…c04[1..nл]), массивы значений РЗ, полученные в рабочем режиме (cр1[1..nл]…cр4[1..nл]), результаты моделирования изменений РЗ из-за упругих и температурных деформаций элементов конструкций колеса ротора компрессора (турбины) (cГТД), а также общее число лопаток (nл).

Рис.2

газотурбинный деформация моделирование

На первом этапе работы алгоритма (блоки 3-9) в цикле по всем четырем контролируемым точкам производится усреднение результатов измерений РЗ соответствующими кластерами ОВТД после сборки и монтажа при холодной прокрутке ротора (блок 5) и в рабочем режиме (блок 7), определяются максимальные и минимальные значения РЗ (блоки 4, 6 соответственно), рассчитываются биения колеса ротора (блок 8), а также вычисляются изменения измеренных РЗ относительно их начального значения на неработающем двигателе (блок 9). При этом с целью учета возможной разности в длинах лопаток расчет биений осуществляется относительно г.ц. всех четырех кластеров ОВТД с последующим усреднением полученных результатов (блок 10).

Блоки 11-13 аналогичны соответствующим блокам алгоритма вычисления смещений г.ц. и деформаций статора при отсутствии биений с той лишь разницей, что при расчетах используются не мгновенные значения РЗ, а результаты их усреднений, полученные на первом этапе работы алгоритма.

Результаты расчета деформаций статора, смещений его г.ц. и биений ротора сохраняются в памяти системы (блок 14).

Заключение

газотурбинный деформация моделирование

Предложена обобщенная структурно-функциональная схема систем измерения, реализующих широкий спектр методов получения информации о смещениях торцов лопаток ротора и деформациях статора ГТД. Разработаны типовые алгоритмы функционирования систем, в том числе алгоритмы управления преобразованиями и вычислениями КС смещений, моделирования и определения деформаций статора, смещений его г.ц., а также биений колеса ротора контролируемой ступени компрессора или турбины ГТД.

Библиографический список

1.Управление радиальными зазорами в турбокомпрессорах авиационных ГТД / Н.Д. Кузнецов, В.П. Данильченко, В.Е. Резник. - Самара: Самар. авиац. ин-т., 1991. - 109 с.

2.Прокопец А., Ревзин Б., Рожков А. Необходимость диагностирования радиальных зазоров в проточной части газотурбинных двигателей // Газотурбинные технологии. - 2004. - №4. - С. 5-7.

3.Lattime S., Steinetz B. Turbine Engine Clearance Control Systems: Current Practices and Future Directions // Proc. of the 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, Indiana. - 2002.

4.De Castro J., Melcher K. A Study on the Requirements for Fast Active Turbine Tip Clearance Control Systems // Proc. of the 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Fort Lauder-dale, Florida. - 2004.

5.Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. Вихретоковые датчики зазоров с чувствительными элементами в виде отрезка проводника // Приборы и системы управления. -1996. - №8. - С. 27-30.

6.Беленький Л.Б., Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Одновитковые вихретоковые датчики: от кластерных композиций к кластерным конструкциям // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды VI Междунар. конф. - Самара: Самар. науч. центр РАН. -2004. -С. 437-443.

7.Методы и средства измерений многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев, Л.Б. Беленький, С.Ю. Боровик, Б.К. Райков, А.В. Слепнев, В.В. Тулупова / Под ред. Ю.Н. Секисова, О.П. Скобелева. - Самара: Самар. науч. центр РАН, 2001. - 188 с.

8.Измерения и вычисление координатных составляющих многомерных перемещений торцов лопаток в процессе вращения ротора / С.Ю. Боровик, Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев, В.В. Тулупова // Автометрия. - 2001. - №2. - С.103-111.

9.Боровик С.Ю., Райков Б.К., Тулупова В.В. Система измерения радиальных смещений торцов лопастей винтовентилятора // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2004. - №7. - С. 29-35.

10.Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Принципы построения систем сбора, преобразования и обработки информации для экспериментальных исследований винтовентиляторов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. - №3. - С. 28-34.

Размещено на Allbest.ru