close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Дискретно-фазовые преобразователи динамических перемещений лопаток для систем управления турбоагрегатов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Чернявский Аркадий Жоржевич
ДИСКРЕТНО - ФАЗОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДИНАМИЧЕСКИХ
ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЛОПАТОК ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ТУРБОАГРЕГАТОВ
05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Самара – 2018
Работа выполнена на кафедре радиотехники федерального государственного
автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский
национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева».
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент Данилин Александр Иванович
Официальные оппоненты:
Боровик Сергей Юрьевич, доктор технических наук, профессор, федеральное
государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления
сложными системами Российской академии наук, директор;
Васин Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор,
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и
информатики», кафедра систем связи, заведующий кафедрой.
Ведущая организация:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Самарский государственный технический университет»,
г. Самара.
Защита диссертации состоится 3 октября 2018 г. в 10.00 на заседании
диссертационного совета Д 212.215.05 на базе федерального государственного
автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский
национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» по
адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика
С.П. Королева»: https://ssau.ru/resources/dis_protection/chernyavskiy.
Автореферат разослан ___ ______ 2018 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук, доцент
С. В. Востокин
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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.
3
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
1. 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].
2. 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].
4
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.
5
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 научнотехнических 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
6
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
Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения,
списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и трех приложений.
Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, включающего 44
рисунка, 21 таблицу, список литературы из 112 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи
исследований, дана краткая характеристика диссертационной работы.
В первой главе выполнен сравнительный анализ методов измерения
динамических перемещений лопаток турбоагрегатов, разработана их классификация
по принципам получения и обработки информации. Приведены основные
характеристики рассмотренных методов, включая способы и устройства,
запатентованные автором. Рассмотрены основные достоинства и недостатки
используемых первичных преобразователей. Выполнен обзор основных
направлений зарубежных исследований.
Определены эксплуатационные требования и разработана базовая структурная
схема ДФП динамических перемещений лопаток в составе САУ турбоагрегатов.
Во второй главе рассмотрены теоретические основы метода нахождения
параметров динамических перемещений лопаток на основе нелинейной
аппроксимации сигналов первичных преобразователей.
Для диагностики и определения параметров колебаний лопаток при
использовании ДФМ применяются различные импульсные ПП. Прохождение
лопатки в зоне видимости ПП вызывает на его выходе импульсный сигнал
соответствующей формы. Колебательный характер движения лопатки и
неравномерность её мгновенной скорости (динамическое перемещение) приводят к
изменению формы генерируемого импульса.
Автором предложен метод, защищённый патентами на изобретение Российской
Федерации № 2584723 [25] и США № 9810090 [26], в котором параметры
динамических перемещений контролируемых лопаток оцениваются по степени
различия формы импульсов ПП, формируемых динамически нагруженной
(колеблющейся) и ненагруженной лопатками. Параметры колебаний торца лопатки
– амплитуда, частота и начальная фаза – определяются непосредственно по
7
результатам анализа изменений формы информационного сигнала ПП.
Достоинством метода является возможность определения параметров колебаний
лопаток за 1-2 оборота лопаточного колеса, что позволяет оценить их
деформационное состояние на самых информативных переходных режимах.
Разработаны математические модели формирования информационных сигналов
вихретокового и индукционного ПП при их взаимодействии с динамически
подвижным объектом контроля − лопаткой турбоагрегата, позволяющие определить
целевую функцию оптимизации, решением которой являются параметры колебаний
лопатки.
Колебательная составляющая движения лопатки приводит к неравномерности
её мгновенной скорости, что вызывает изменения электромагнитного поля ПП и
приводит к изменению формы генерируемого импульса.
Например, вихретоковый ПП генерирует импульс колоколообразной формы
при прохождении ненагруженной лопатки в зоне его видимости, который может
быть описан выражением для гауссова импульса:
2
(1)
sg ( y )* = K g exp − y 2 2a y ,
(
)
где y – окружное перемещение торца лопатки, ay – метрический параметр гауссова
импульса, определяемый эквивалентным радиусом чувствительного элемента ПП,
Kg – коэффициент передачи ПП.
При условии, что лопатка колеблется по гармоническому закону, перемещение
торца лопатки будет иметь две составляющие, обусловленные его окружным и
колебательным движением, и определится как:
(2)
y (t ) = Rωк t + A sin(ω л t + ϕ ) ,
где R, ωк – радиус и угловая частота вращения лопаточного колеса; A, ωл и ϕ –
соответственно, амплитуда, угловые частота и начальная фаза колебаний лопатки.
Подставив (2) в (1), выходной сигнал ПП при наличии колебаний определится как:
2

  ,
A
1 
(3)


(
)
s g (t ) = K g exp −
t
ω
t
ϕ
sin
⋅
+
+
л
 
 2at 2  Rωк
 

где at = a y ( Rωк ) – временной параметр гауссова импульса.
Форма выходных сигналов первичного преобразователя при наличии и
отсутствии колебаний лопатки показана на рисунке 1:
Рисунок 1 – Информационный сигнал вихретокового ПП
Аналогичные выкладки были выполнены также и для биполярного выходного
сигнала индукционного ПП.
8
Исследуемый метод реализован на использовании методов нелинейной
аппроксимации, суть которых в нахождении параметров a1,a2...an аналитического
выражения − аппроксимирующей функции fa(tm,a1,a2...an), удовлетворяющих
заданному критерию оптимальности. В качестве исходных данных для
аппроксимации используются значения сигнала s(tm) ПП от колеблющейся лопатки
в моменты времени tm. Через данные отсчеты сигнала требуется провести
аппроксимирующую функцию fa вида (3) таким образом, чтобы отклонение
аппроксимирующей функции от исходных отсчетов сигнала было минимальным.
Среди нескольких функций, удовлетворяющих критерию оптимальности,
наилучшей является та, для которой квадратическая погрешность аппроксимации
минимальна:
M
f (a 1 , a 2 ...a n ) = ∑ [s (t m ) − f a (t m , a 1 , a 2 ...a n )] 2 = min,
(4)
m =1
где s(tm) – отсчеты сигнала ПП в m-е моменты времени; fa (tm,a1,a2...an) –
аппроксимирующая функция; M – количество отсчетов сигнала.
Применительно к задаче определения параметров динамических перемещений
лопаток искомыми параметрами a1,a2...an будут, соответственно, амплитуда A,
частота ωл и начальная фаза ϕ колебаний лопаток. В этом случае для
информационного сигнала вихретокового ПП целевую функцию оптимизации
можно записать в виде:
2
2


 
1 
A
(5)


(
)
sin
F ( A, ω л , ϕ ) = ∑  s(tm ) − exp −
t
ω
t
ϕ
+
+
л m
2  m
  .

R
ω
2
a


m =1
к
 
t 


Поиск минимума целевой функции (5) и нахождение параметров динамических
перемещений лопаток A, ωл, ϕ производится численными методами решения
оптимизационных задач.
При решении оптимизационной задачи (5) установлено, что имеются решения
(значения параметров A, ωл, ϕ), которые, будучи оптимальными в смысле минимума
целевой функции, не являются оптимальными с экспертной точки зрения, т.е. дают
неправильные результаты. Исследование таких субоптимальных решений показало,
что причиной их появления является наличие множества локальных минимумов.
Для выделения из нескольких субоптимальных решений, оптимального как в
смысле минимума целевой функции, так и с экспертной точки зрения, необходимо
выполнить решение оптимизационной задачи с использованием дополнительного
условия, которое может быть сформировано на основе:
• условий проверки реализуемости механической колебательной системы;
• известных колебательных характеристик лопатки;
• анализа временных интервалов между импульсами информационного сигнала ПП
контролируемой лопатки через один или несколько оборотов лопаточного колеса.
Учитывая относительную простоту аппаратной и вычислительной реализации,
предлагается использовать дополнительное условие сравнения аппроксимированного
сигнала с определенными параметрами колебаний лопатки на первом обороте
лопаточного колеса (с найденными по результатам аппроксимаций параметрами) с
информационным сигналом ПП на следующем обороте. Уравнение информационного
M
9
сигнала вихретокового ПП от контролируемой лопатки через один оборот
лопаточного колеса:
2
 1 
 
A
(6)

sgT = sg (t − T ) = exp −
sin(ωлt + ϕ ) ,
⋅t − T +

 2at 2 
Rωк



где T − период вращения лопаточного колеса.
Тогда дополнительное условие для проверки найденных решений и нахождения
оптимального решения можно записать в виде:
2
2


 
A
1 
(7)


(
)
ω
FT ( A, ω л , ϕ ) = ∑  sg (tm − T ) − exp −
t
−
T
+
t
+
ϕ
sin
л m
2  m
  .

ω
R
a
2


m =1
к
 
t 


В этом случае, модифицированная методом множителей Лагранжа целевая
функция с учетом дополнительного условия может быть записана в виде:
M
n
FΣ ( A, ω л , j ) = F ( A, ω л , j ) + ∑ λ j ⋅ FT ( A, ω л , j ),
(8)
j =1
где λ j = λ (A, ωл, ϕ) − множители Лагранжа.
Имитационное моделирование разработанного преобразователя, выполненное
исследуемым методом с использованием целевой функции вида (8), подтвердило
нахождение оптимального решения, имеющего минимальное значение целевой
функции, которое также является оптимальным и с экспертной точки зрения.
В третьей главе рассмотрена классификация погрешностей ДФП динамических
перемещений лопаток, выполнен метрологический анализ составляющих
методической, инструментальной и дополнительной погрешностей. Разработана
методика оценки методической погрешности в условиях действия случайной помехи.
Методическая погрешность определена в соответствии с разработанной
методикой имитационного моделирования ДФП с использованием нелинейной
аппроксимации информационного сигнала ПП. Графические представления
методической погрешности определения амплитуды δAпр и частоты δFпр колебаний
лопаток изображены на рисунке 2. Установлено, что величина δAпр не превышает
4,2 %, а δFпр − не превышает 2,7 %.
Значение инструментальной погрешности устройства составляет 0,5 %,
динамической погрешности 0,3 %, дополнительной погрешности 0,1 %.
а)
б)
Рисунок 2 − Графические представления приведенной погрешности определения
амплитуды δAпр (а) и частоты колебаний δFпр (б)
10
В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований
разработанного измерителя динамических перемещений лопаток (ИДПЛ),
предназначенного для проверки основных положений разработанной математической
модели информационного сигнала ДФП динамических перемещений лопаток, оценки
работоспособности предложенного метода определения параметров колебаний
лопаток, определения эксплуатационных и метрологических характеристик.
Исследования проводились на экспериментальной установке (рисунок 3),
основными составляющими частями которой являются специально изготовленное
образцовое лопаточное колесо и имитатор колебаний лопаток. Экспериментальная
установка содержит основание 1; лопаточное колесо 2, приводимое во вращение
электродвигателем (на схеме не показан); оборотную метку 3; оборотный ПП 4;
лопаточный вихретоковый ПП 5; имитатор колебаний лопаток, состоящий из
кривошипно-шатунного механизма 6, электродвигателя 7 и ПП 8 для измерения
частоты колебаний лопаток.
Информационные
сигналы
лопаточного и оборотного ПП
подключены на вход ИДПЛ 9,
выход которого соединен с ПЭВМ
10. Кроме этого, параметры
информационных сигналов ПП
контролировались с
помощью
сертифицированных
цифровых
осциллографов Tektronix MSO2022B и OWON DS8302 (номер 11
на рисунке 3).
Рисунок 3 − Схема экспериментальной установки для исследования ДФП
динамических перемещений лопаток
В результате рассматриваемым методом в 9 сериях измерений были
экспериментально определены параметры колебаний: амплитуда и частота.
Значения приведенных погрешностей экспериментального определения параметров
колебаний составили по амплитуде δA = 2,13−5,38 %; по частоте δFл = 1,14−4,79 %.
Проведенный сравнительный анализ результатов имитационного моделирования
и эксперимента показал их соответствие в пределах 2 % по амплитуде и частоте
колебаний лопаток и, таким образом, подтвердил правильность и адекватность
разработанной математической модели.
В пятой главе рассмотрена схемотехническая и конструкторская реализация
устройства для определения параметров колебаний лопаток турбоагрегата −
измерителя динамических перемещений лопаток (ИДПЛ).
Разработана функциональная схема ИДПЛ, предназначенного для определения
параметров колебаний лопаток 4-х ступеней турбоагрегата, содержащая первичные
преобразователи, блок предварительной обработки сигнала (БПОС) и
изолированный интерфейс USB. БПОС содержит 4 канала обработки
информационных сигналов, 1 канал обработки сигнала оборотного ПП. Каждый
11
канал обработки информационного сигнала содержит ФНЧ и АЦП в составе
микроконтроллера. Микроконтроллер обрабатывает выходные цифровые сигналы
АЦП и формирует кадр данных для передачи на ЭВМ для дальнейшего анализа по
предложенному методу. Передача сформированного кадра данных на ЭВМ
осуществляется через изолированный преобразователь интерфейсов UART / USB.
Разработаны принципиальная электрическая схема, электронный модуль,
алгоритм и программа микроконтроллера БПОС. Разработана конструкция ИДПЛ.
На рисунке 4 приведены фотографии электронного модуля БПОС, конструкции
и внешнего вида ИДПЛ, соответственно. Основные технические характеристики
разработанного устройства приведены в таблице 1.
Рисунок 4 − Электронный модуль БПОС, конструкция и внешний вид ИДПЛ
Таблица 1 – Основные технические характеристики ИДПЛ
Характеристика
Диапазон частот вращения лопаточного колеса, об/мин
Диапазон измеряемых частот колебаний лопатки, Гц
Диапазон измеряемых амплитуд перемещений лопатки, мм
Установочный зазор первичного преобразователя, мм
Диапазон рабочих температур первичного преобразователя, °C
Диапазон рабочих температур БПОС, °C
Погрешность определения частоты колебаний лопаток, %
Погрешность определения амплитуды колебаний лопаток, %
Напряжение питания, В
Потребляемая мощность, не более, Вт
Значение
300…10000
15…200
0,5…10
0,5 ... 1,5
-50…+180
0...70
4,8
5,4
~ 220 ± 10 %
50
Разработанные в диссертации ДФП динамических перемещений лопаток
турбоагрегатов используются ПАО «Кузнецов» для бесконтактного определения
параметров колебаний лопаток вентиляторной ступени изделия Д-4, ТЭЦ ВАЗа в
составе систем диагностики и контроля деформационных параметров лопаток
паровых турбин и в учебном процессе Самарского университета.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Выполнен сравнительный анализ методов измерения динамических
перемещений лопаток турбоагрегатов, разработана их классификация по принципам
получения и обработки информации. Приведены основные характеристики
рассмотренных методов. Выполнен обзор основных направлений зарубежных
исследований. Определены эксплуатационные требования и разработана базовая
структурная схема ДФП динамических перемещений лопаток в составе систем
управления турбоагрегатов.
12
2. Разработаны и исследованы математические модели информационных
сигналов вихретокового и индукционного ПП при наличии колебаний лопаток.
Определены энергетические и временные характеристики сигналов, положенные в
основу определения требуемых интервалов дискретизации и необходимого
количества отсчетов информационных сигналов.
Впервые исследован предложенный метод нахождения параметров динамических
перемещений лопаток, основанный на 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, а именно:
• доказана возможность определения параметров колебаний лопаток с
использованием нелинейной аппроксимации информационного сигнала ПП;
• разработана методика обработки информационного сигнала ПП для определения
параметров динамических перемещений лопатки турбоагрегата;
• выполнено математическое моделирование ДФП динамических перемещений
лопаток.
3. Выполнен метрологический анализ составляющих методической,
инструментальной и дополнительной погрешностей разработанного ДФП.
Определена методическая погрешность в широком эксплуатационном
диапазоне значений параметров колебаний лопаток и различных отношениях сигнал /
шум, составившая не более 4,2 % при определении амплитуды и не более 2,7 % при
определении частоты. Построены графические представления методической
погрешности определения амплитуды и частоты колебаний лопаток.
Значение инструментальной погрешности устройства составляет 0,5 %,
динамической погрешности 0,3 %, дополнительной погрешности 0,1 %.
4. Проведены экспериментальные исследования по определению амплитуд и
частот колебаний лопаток разработанным методом. Значения погрешностей при
экспериментальном определении параметров колебаний лопаток в различных
сериях экспериментов составили по амплитуде δA = 2,13−5,38 %, по частоте
δFл = 1,14−4,79 %.
Проведенный сравнительный анализ результатов имитационного моделирования
и эксперимента показал их соответствие в пределах 2 % по амплитуде и частоте
колебаний лопаток и, таким образом, подтвердил правильность и адекватность
разработанной математической модели.
5. Разработана функциональная схема измерителя динамических перемещений
лопаток, предназначенного для определения параметров колебаний лопаток 4-х
ступеней турбоагрегата. Разработаны принципиальная электрическая схема,
электронный модуль, алгоритм и программа микроконтроллера блока
предварительной обработки сигнала. Разработана конструкция измерителя
динамических перемещений лопаток. Определены основные технические
характеристики разработанного устройства, приведены примеры его использования
в ПАО «Кузнецов», ТЭЦ ВАЗа и учебном процессе Самарского университета.
Рассмотрены направления дальнейшего развития ДФП динамических
перемещений лопаток турбоагрегатов.
13
Основные результаты опубликованы в следующих работах:
Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК и журналах, реферируемых Scopus, WoS
1. Данилин А.И., Чернявский А.Ж., Сазанов В.П. Диагностика и контроль
деформационного состояния лопаток турбоагрегатов // Контроль. Диагностика. −
2003. - № 1. − С. 23-28.
2. Данилин А.И., Медников В.А., Чернявский А.Ж. и др. Первичный
преобразователь для реализации оптоэлектронного дискретно-фазового метода
измерения деформаций лопаток турбомашин // Известия Самар. науч. центра РАН. −
2003. - Том 5, № 2(10). − С. 388-395.
3. Данилин А.И., Адамов С.И., Чернявский А.Ж. Диагностика и контроль рабочего
состояния лопаток паровых турбин // Электрические станции. − 2007. - № 7. − С. 19-25.
4. Данилин А.И., Чернявский А.Ж., Капустин А.С. Устройства диагностики и
контроля деформационного состояния лопаток турбин в процессе их эксплуатации //
Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та им. акад. С.П. Королёва. − 2008. - № 3(16). −
С.138-145.
5. Данилин А.И., Чернявский А.Ж. Критерии дискретно-фазового контроля
рабочего состояния лопаток и их реализуемость в системах автоматического
управления турбоагрегатами // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та им. акад.
С.П. Королёва. − 2009. - № 1(17). − С. 107-115.
6. Чернявский А.Ж., Данилин А.И., Адамов С.И. Программно-аппаратный
имитатор лопаточных импульсов для измерения параметров систем контроля
деформационного состояния лопаток турбоагрегатов // Датчики и системы. − 2010. № 4. − С.14-17.
7. Чернявский А.Ж., Данилин А.И., Данилин С.А. Преобразователи
параметров динамических перемещений лопаток турбоагрегатов, основанные на
нелинейной аппроксимации первичных сигналов // Вестник Самар. гос. аэрокосм.
ун-та им. акад. С.П. Королёва. − 2012. - № 7(38). − С.117-123.
8. Данилин А.И., Чернявский А.Ж., Данилин С.А. Устройство для
определения параметров колебаний лопаток турбоагрегатов на основе нелинейной
аппроксимации сигналов первичных преобразователей // Вестник Самар. гос.
аэрокосм. ун-та им. акад. С.П. Королёва. − 2012. - № 5(36) ч. 2. − С. 194-202.
9. Домрачев В.Г., Гречишников В.М., Чернявский А.Ж. и др. Определение
параметров колебаний лопаток турбоагрегатов на основе нелинейной
аппроксимации сигналов первичных преобразователей // Измерительная техника. −
2013. - № 11. − С. 29-32.
10. Чернявский А.Ж., Данилин С.А. Алгоритм оценки помехоустойчивости
способа определения параметров колебаний лопаток турбоагрегатов на основе
нелинейной аппроксимации сигналов первичных преобразователей // Известия
Самар. науч. центра РАН. − 2016. - Том 18, № 4. − С. 161-165.
11. Чернявский А.Ж., Данилин А.И., Прохоров С.А. и др. Точность
определения параметров колебаний лопаток турбомашин при использовании
нелинейной аппроксимации сигналов первичных преобразователей // Измерительная
техника. − 2017. - № 11. − C. 41-45.
12. Danilin A.I., Votoropin S.D., Tcherniavski A.G. Using of autodyne transceiver
modules on Gunn diodes for determination of turbomachine blades deformations //
CRIMICO 2001 − 11th International Conference "Microwave and Telecommunication
Technology": Conference Proceedings, Sept. 10-14, 2001. − Sevastopol, Crimea. − P. 654-656.
14
13. Danilin A.I., Adamov S.I., Chernyavskii A.Zh. Diagnostics And Monitoring Of
The Operating Condition Of Steam-Turbine Blades // Power Technology and Engineering,
2007, Vol. 41, No. 5. − P. 295-301.
14. Domrachev V.G., Grechishnikov V.M., Chernyavskii A.Zh. et al. Determination
of the Oscillation Parameters of the Blades of Turbine-Driven Sets based on Nonlinear
Approximation of the Signals of Primary Converters // Measurement Techniques, Vol. 56.
No.11, Feb. 2014. − P. 1242-1247.
15. Danilin A.I., Chernyavskiy A.Zh., Danilin S.A. et al. Signaling Device for the
Pre-Emergency State of the Elements of the Rotating Assembly of Steam Compressor of
Desalination Plant // 2017 International Conference on Aerospace Technology,
Communications and Energy Systems (ATCES 2017), 28-30.09.2017. − Samara, Russia.
IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2018, Vol. 302. − No. 012014. DOI: 10.1088/1757899X/302/1/012014.
16. Chernyavskii A.Zh., Danilin A.I., Prokhorov S.A. et al. Accuracy of
Determination of the Parameters of Vibration of Turbomachine Blades with the Use of a
Nonlinear Approximation of the Signals of Primary Transducers // Measurement
Techniques, 2018, Vol. 60, Iss. 11. − P. 1130–1136. DOI: 10.1007/s11018-018-1329-1.
17. Danilin A.I., Chernyavsky A.Zh., Danilin S.A. et al. Non-contact control of the
working condition of mechanical units of the steam compressor for desalination plant //
2017 2nd International Conference on Mechatronics and Electrical Systems (ICMES 2017),
22-25.12.2017. − Wuhan, China. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2018, Vol. 339.
− No. 012028. DOI:10.1088/1757-899X/339/1/012028.
Патенты Российской Федерации и США
18. Патент на изобретение 2152590 Российская Федерация, МПК G01B 11/16,
11/24. Способ определения деформации лопаток вращающегося колеса
турбомашины и устройство для его осуществления. Данилин А.И., Сурков В.В.,
Чернявский А.Ж., заявитель и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм. ун-т им.
акад. С.П. Королёва (СГАУ). Заявл. 20.07.1998, опубл. 10.07.2000, бюл. № 19.
19. Патент на изобретение 2177145 Российская Федерация, МПК G01H 1/08.
Сигнализатор предаварийных деформаций лопаток турбомашин. Данилин А.И.,
Чернявский А.Ж., заявитель и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм. ун-т им.
акад. С.П. Королёва (СГАУ). Заявл. 29.03.2000, опубл. 20.12.2001, бюл. № 35.
20. Патент на изобретение 2189567 Российская Федерация, МКИ G01H 1/08.
Устройство для измерения колебаний лопаток турбомашин. Данилин А.И., Сухарев
И.Н., Чернявский А.Ж. и др., заявитель и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм.
ун-т им. акад. С.П. Королёва (СГАУ). Заявл. 20.12.2000, опубл. 20.09.2002, бюл. № 26.
21. Патент на изобретение 2207523 Российская Федерация, МПК G01H 11/06.
Способ определения параметров колебаний лопаток вращающегося колеса
турбомашины и устройство для его осуществления. Данилин А.И., Чернявский
А.Ж., заявитель и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. акад.
С.П. Королёва (СГАУ). Заявл. 24.10.2001, опубл. 27.06.2003, бюл. № 18.
22. Патент на изобретение 2326362 Российская Федерация, МКИ G01M 15/14.
Способ диагностирования повреждений и дефектов рабочих лопаток турбомашин.
Данилин А.И., Чернявский А.Ж., Серпокрылов М.И. и др., заявитель и
патентообладатель Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. акад. С.П. Королёва (СГАУ).
Заявл. 07.09.2006, опубл. 10.06.2008, бюл. № 16.
15
23. Патент на изобретение 2337330 Российская Федерация, МКИ G01H 9/00.
Способ измерения раскрутки и амплитуды крутильной составляющей колебаний
лопаток турбомашин и устройство для его осуществления. Данилин А.И., Данилин
С.А., Чернявский А.Ж. и др., заявитель и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм.
ун-т им. акад. С.П. Королёва (СГАУ). Заявл. 09.01.2007, опубл. 27.10.2008, бюл. № 30.
24. Патент на изобретение 2341781 Российская Федерация, МПК G01H 11/06.
Способ измерения амплитуды колебания лопаток турбомашины и устройство для
его осуществления. Данилин А.И., Адамов С.И., Чернявский А.Ж. и др., заявитель
и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. акад. С.П. Королёва (СГАУ).
Заявл. 05.02.2007, опубл. 20.12.2008, бюл. № 35.
25. Патент на изобретение 2584723 Российская Федерация, МПК G01H 11/06.
Способ определения параметров колебаний лопаток вращающегося колеса
турбомашины и устройство для его осуществления. Данилин А.И., Чернявский
А.Ж., Данилин С.А. и др., заявитель и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм. ун-т
им. акад. С.П. Королёва (СГАУ). Заявл. 03.02.2015, опубл. 20.05.2016, бюл. № 14.
26. Патент на изобретение 9810090 США, МПК H01L 21/00. Method for
determining the oscillation parameters of turbo-machine blades and a device for putting
the same into practice. Danilin A.I., Chernyavskij A.Zh., Danilin S.A. et al. Applicant and
Assignee: Samara State Aerospace University. Priority date 3.02.2015, patent date 7.11.2017.
Публикации в прочих изданиях
27. Чернявский А.Ж., Данилин А.И., Данилин С.А. Преобразователи
параметров динамических перемещений лопаток турбоагрегатов, основанные на
нелинейной аппроксимации первичных сигналов // Актуальные проблемы
радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всерос. науч.-техн. конф. − Самара:
Изд-во СГАУ, 2012. − С. 44-46.
28. Данилин А.И., Чернявский А.Ж., Данилин С.А. Устройство для
определения параметров колебаний лопаток турбоагрегатов на основе нелинейной
аппроксимации сигналов первичных преобразователей // Симпозиум с
международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы». −
Самара: Изд-во СГАУ, 2012. − С. 162-164.
29. Чернявский А.Ж., Данилин С.А. Алгоритм определения параметров
колебаний лопаток турбоагрегатов на основе нелинейной аппроксимации сигналов
первичных преобразователей // Актуальные проблемы радиоэлектроники и
телекоммуникаций: матер. Всерос. науч.-техн. конф. − Самара: изд-во АНО
«Издательство СНЦ», 2015. − С. 45-47.
30. Чернявский А.Ж., Данилин С.А. Структурная схема устройства для
экспериментальной проверки алгоритма нелинейной аппроксимации сигналов
первичных преобразователей // Актуальные проблемы радиоэлектроники и
телекоммуникаций: матер. Всерос. науч.-техн. конф. − Самара: ООО «Офорт», 2016.
− С. 92-94.
16
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа