CC BY
10УДК 681.518
МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ О МНОГОКООРДИНАТНЫХ СМЕЩЕНИЯХ ТОРЦОВ ЛОПАСТЕЙ ВИНТОВЕНТИЛЯТОРА С РАЗНОВРЕМЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ КЛАСТЕРНЫХ ДАТЧИКОВ.
ЧАСТЬ 1. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА И ЕГО ОПИСАНИЕ
Л. Б. Беленький, С.Ю. Боровик, Б.К. Райков, ЮМ, Секисов,
О.П. Скобелев, В.В. Тулупова1
Институт проблем управления сложными системами РАН,
443020, Самара, ул. Садовая, 61,
Рассматривается метод получения измерительной информации о многокоординатных смещениях торцов лопастей винтовентиляторного газотурбинного двигателя, предусматривающий использование кластерного одновиткового вихретокового датчика с разновременным преобразованием индуктивностей его чувствительных элементов в напряжение на выходе измерительной цепи и соответствующий цифровой код.
Ключевые слова: винтовентиляторный авиационный двигатель, смещения торцов лопастей, кластерный одновитковый вихретоковый датчик, разновременный опрос, бесконтактные ключевые элементы, влияние остаточных параметров
Одним из направлений современного авиационного двигателестроения является разработка и создание экономичных и надежных винтовентиляторных газотурбинных силовых установок. В процессе их доводочных испытаний особое место занимает задача получения информации о радиальных зазорах (РЗ) между торцами лопаток и статором компрессора и турбины, между лопастями винтовентилятора и его статорной оболочкой, поскольку от величины РЗ зависит как экономичность, так и надежность газотурбинного двигателя (ГТД) [1, 2].
Изменения РЗ в винтовентиляторах (ВВ) в основном связаны с деформациями, из которых наиболее значимы изгиб лопастей под действием тяговых усилий, их вытяжка в радиальном направлении под действием центробежных сил и изменений температуры. Кроме того, лопасти ВВ совершают принудительные угловые перемещения (в несколько десятков градусов), определяющие режим работы ГТД. Иначе говоря, торцы лопастей в процессе вращения винта совершают многокоординатные смещения в системе отсчета, жестко связанной со статорной оболочкой ВВ, а изменения РЗ вызваны изменениями лишь одной из координат - смещениями торца лопасти в радиальном направлении (например, координаты у в прямоугольной системе отсчета ОХУ7).
В работе [3] приводится описание метода получения измерительной информации о РЗ в ВВ, предусматривающего применение одновиткового вихретокового дат-
1 Беленький Лев Борисович, кандидат технических наук, научный сотрудник.
Боровик Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, ученый секретарь, с.н.с.
E-mail: borovik@iccs.ru Райков Борис Константинович, старший научный сотрудник.
Секисов Юрий Николаевич, доктор технических наук, заведующий лабораторией.
Скобелев Олег Петрович, доктор технических наук, главный научный сотрудник,
Тулупова Виктория Владимировна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник.
чика (ОВТД) с чувствительным элементом (ЧЭ) в виде отрезка проводника. Индуктивность ЧЭ датчика зависит не только от РЗ (изменений координаты у), но и от всех прочих координат смещений торцов лопастей. Чтобы учесть их влияние, предусматривается применение штатного потенциометрического датчика угла поворота лопастей (<р) с токосъемником, а также модели изгибных деформаций лопастей, функционирующей в реальном времени с учетом текущих значений параметров режима и обеспечивающей определение соответствующих изгибу координат смещений (х, г). Искомые РЗ вычисляются с помощью семейства градуировочных характеристик (ГХ), представленных в виде полиномиальной функции нескольких переменных (координат смещений торцов лопастей х, у, г, <р).
Однако в системе, реализующей этот метод, используется существенно упрощенная модель, вполне совместимая с программным обеспечением реального времени, но ограниченная по точности. Вместе с тем более совершенные модели с повышенной точностью вычисления деформаций лопастей отличаются сложностью и значительной длительностью расчетных операций, а потому их применение в указанных системах практически невозможно. Кроме того, точность моделирования при проведении бортовых экспериментов снижается из-за отсутствия прямых измерений тяговых усилий - одного из параметров режима, необходимого для функционирования модели. Понижена и надежность получения информации об угловых перемещениях лопастей из-за наличия контактов в штатном датчике и токосъемнике.
В работе [4] рассматривается метод получения информации о координатах смещений торцов лопастей, в котором нет необходимости применения моделирования, так как вместо ОВТД используются их кластерные разновидности, названные в работах [5, 6] кластерными ОВТД (КОВТД), Число ЧЭ в КОВТД определяется числом искомых координат, а выходные сигналы датчиков после цифрового преобразования фиксируются в момент прохождения основанием лопасти геометрического центра (г.ц.) в торцевой части КОВТД. При этом искомые координаты смещений торцов лопастей и РЗ вычисляются путем решения системы уравнений на основе семейств ГХ и цифровых кодов, соответствующих выходным сигналам измерительной цепи (ИЦ) с датчиком в указанный момент времени. Недостаток метода связан с взаимным электромагнитным влиянием ЧЭ, которое негативно сказывается на семействах ГХ, вызывая снижение чувствительности к искомым координатам или сужение рабочих диапазонов их изменений [7].
Следует отметить, что при реализации первого метода [4], ориентированного на применение ОВТД, предполагается использование ИЦ, в одно из плеч которой включен рабочий ЧЭ, взаимодействующий с торцами лопастей, а во второе - компенсационный ЧЭ, не взаимодействующий с торцами лопастей, но подверженный примерно тем же температурным воздействиям, что и рабочий ЧЭ1. Что касается второго метода, то его реализация также связана с дифференциальными ИЦ, в которые включаются кластерные датчики - рабочий и компенсационный. Число таких ИЦ определяется числом ЧЭ в рабочем КОВТД, образующих пары с соответствующим ЧЭ в компенсационном КОВТД, причем последний (согласно [5]) должен быть расположен на статорной оболочке ВВ с таким расчетом, чтобы в момент фиксации кодов его ЧЭ находились в максимальном удалении от ближайших торцов лопастей, т. е. вне зоны чувствительности. Для компенсационного КОВТД требуется дополнительное установочное отверстие, наличие которого нежелательно из-за возможного
1 Компенсационный ЧЭ встроен в корпус ОВТД и находится в той его части, что противоположна месту расположения рабочего ЧЭ.
риска потери прочности статорной оболочки, а потому является недостатком второго метода. Поэтому с учетом изложенного представляется необходимой разработка нового метода, свободного от перечисленных недостатков. Результатам разработки этого метода и посвящена первая часть настоящей статьи. Во второй части рассматриваются вопросы реализуемости разработанного метода.
На рис. 1 представлено упрощенное изображение лопасти в момент прохождения ее основанием г.ц. КОВТД в точке 0 на внутренней поверхности статорной оболочки. На том же рисунке показана прямоугольная система отсчета ХУ2 с началом в точке 0. Предполагается также, что смещение торца лопасти (точки М) происходит по трем координатам (х, у, г), причем изменениям РЗ соответствуют изменения у. Как уже отмечалось, в существующих авиационных ВВ предусмотрен также принудительный разворот лопасти, т.е. дополнительное смещение торца лопасти по четвертой угловой координате <р относительно собственной продольной оси лопасти (координатной оси У). При этом следует иметь в виду, что лопасти ВВ вместе с валом вращаются относительно оси X, но размещение каждой из них на валу задается угловым положением основания лопасти относительно «метки», также размещенной на валу ВВ. Момент прохождения «метки»1 принимается за начало отсчета по времени при вычислении моментов прохождения основанием каждой лопасти г.ц. КОВТД (точки 0 - начала системы отсчета).
Предлагаемый метод, как и один из методов, изложенных во вводной части статьи, ориентирован на применение КОВТД. Если при этом отказаться от использования штатного потенциометрического датчика угла поворота лопастей и контактного токосъемника, обеспечивающих получение информации о координате <р и обладающих известными недостатками, то число ЧЭ в КОВТД должно быть равно четырем для преобразования смещений торцов лопастей по всем четырем координатам х, у, г, (р.
Однако осевые смещения винта (координата ж) ограничены упорными подшипниками, а потому реальные смещения торцов лопастей в том же направлении в основном связаны с их изгибом и, следовательно, зависимы от координат г и <р, т.е.
1 «Метка» и дополнительный датчик, выдающий сигнал в момент ее прохождения, используются также для измерения скорости вращения вала (по периоду или частоте его вращения).
Рис. 1. Схематическое изображение лопасти. Система отсчета
координату х с определенной степенью приближения можно считать функцией координат г и (р. Но это означает, что для решения практически любых задач экспериментальных исследований ВВ, в которых предусмотрено получение информации о смещениях торцов лопастей, достаточно трех ЧЭ (описание существующих КОВТД с тремя ЧЭ приведено в работах [6, 7]).
Чтобы добиться уменьшения электромагнитного влияния ЧЭ друг на друга, которое приводит к потере чувствительности или сужению диапазонов измерения искомых координат, в предлагаемом методе предусматриваются разновременные (поочередные, последовательные во времени) преобразования индуктивностей ЧЭ в напряжение на выходе ИЦ и фиксация соответствующих цифровых кодов. Кроме того, вместо компенсационного КОВТД с тем же числом ЧЭ предлагается использование датчика с одним ЧЭ, выполняющего компенсационные функции. Если при этом рабочий КОВТД конструируется по модульному принципу [7], то модуль с компенсационным ЧЭ встраивается в корпус КОВТД аналогично конструкции ОВТД, описание которой приведено в работе [3]. При этом исчезает необходимость в дополнительном установочном отверстии для компенсационного КОВТД.
Предполагается, что изменения смещений торцов лопастей во времени и соответствующих координат х, у, г, (р имеют медленно меняющийся (квазистатический) характер, и в связи с этим преобразование и фиксация кодов могут осуществляться с разрывом во времени на один или несколько периодов вращения винта. Вместе с тем периода вращения более чем достаточно для выбора пары «рабочий - компенсационный ЧЭ», в которой функции компенсационного выполняет один и тот же ЧЭ, а функции рабочего - поочередно ЧЭ в составе КОВТД.
На рис. 2 в качестве примера представлен КОВТД с тремя ЧЭ и топологией их размещения типа «треугольник» [5]. На этапе 1 преобразования и фиксации кодов (первом периоде вращения винта) в ИЦ функционирует пара ЧЭрР и ЧЭ-К, на этапе 2 (втором периоде вращения) - пара ЧЭ^-Р и ЧЭ-К, на этапе 3 (третьем периоде вращения) - пара ЧЭ3-Р и ЧЭ-К1. Сформированные пары ЧЭ сведены в таблицу, представленную на том же рисунке. Далее (на следующих этапах (периодах)) процесс повторяется, причем поочередное формирование указанных пар реализуется с помощью ключевых элементов коммутатора, используемых в ИЦ (см. вторую часть статьи).
Преобразованию и фиксации кодов, как и в известном методе [3], предшествует определение периода вращения и вычисление моментов прохождения основанием каждой лопасти начала отсчета в точке 0 (г.ц. КОВТД) на всех трех этапах. В вычисленные моменты времени производятся преобразования сначала индуктивности ЧЭ1 (этап 1), а затем индуктивностей ЧЭ2 и ЧЭз (этапы 2 и 3 соответственно) для каждой лопасти (1, 2,..., пл).
На основе результатов преобразований и фиксаций соответствующих кодов производится вычисление искомых координат - решается система уравнений, каждое из которых представляет собой семейство ГХ, полученное экспериментально или расчетным путем на моделях [8-10] при конкретных значениях кодов (С;, Сг, С3) в моменты прохождения основаниями лопастей точки 0:
Су =/](*,7,*,Ф),
<С2=/2(х,у,г, <р), (О
Рз =Мх>У**&\
1 Рабочие ЧЭ на каждом этапе изображены затемненными.
где X - координата, которая определяется известной функцией х=Р(г, <р), например, х=-г^(<р)\
Этап 1
Этап 2
Этап 3
ЧЭ,-Р
ЧЭгР-ЧЭ-К
2 ЧЭгР-ЧЭ-К
3 ЧЭ3-Р - ЧЭ-К
Р и с. 2. Этапы преобразования и фиксации кодов пары ЧЭ в дифференциальной ИЦ
Решение системы уравнений (1) производится после завершения этапа 3 и повторяется для каждой из щ лопастей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Прокопец А.О., Ревэин Б.С., Рожков А. В. Необходимость диагностирования радиальных зазоров в проточной части газотурбинных двигателей // Газотурбинные технологии. - 2004. - №4.
- С. 5-7.
2. Некоторые вопросы проектирования авиационных газотурбинных двигателей / Е.А. Гриценко, В,П. Данильченко, В.П. Лукачев, Ю.Л, Ковылев, В.Е. Резник, В.И. Цыбизов. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2002, - 527 с.
3. С.Ю. Боровик, Б.К. Райков, В.В. Тудупова. Система измерения радиальных смешений торцов лопастей винтовентилятора // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2004. - №7, - С, 35-40.
4. Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Методы получения информации о многокоординатных смещениях торцов лопаток и лопастей в газотурбинных двигателях Н Проблемы управления и моделирования в сложных системах: труды VIII Международной конференции, Самара, Россия, 24-29 июня 2006 г. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2006, - С, 232-239.
5. Беленышй 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 Международной конференции, Самара, Россия, 14-17 июня 2004 г.
- Самара: Самарский научный центр РАН, 2004. - С. 437-443,
6. Райков Б.К. Кластерный вихретоковый датчик для измерения смещений торцов лопастей винто-вентилятора по трем координатам И Проблемы управления и моделирования в сложных системах: труды VII Международной конференции, Самара, Россия, 27 июня - 01 июля 2005 г. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2005. - С.175-180.
7. Райков Б.К. Модульные конструкции кластерных одновитковых вихретоковых датчиков. Особенности работы при последовательном и параллельном опросе модулей // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: труды VIII Международной конференции, Самара, Россия, 24-28 июня 2006 г. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2006.-С. 240-245.
1 Система уравнений (1) фактически содержит три неизвестные координаты у, г, <р и имеет решение при выполнении некоторых дополнительных условий (см. вторую часть статьи).
Методы и средства измерений многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Под ред. Ю.Н. Секисова, О. П. Скобелева. - Самара: Самарский научный центр РАН, 200).
- 188 с.
Райков Б.К., Секисов Ю.И., Тулупова В.В. Функции преобразования кластерного одновиткового вихретокового датчика// Автометрия. -2008. - №1. - С. 47-58.
Беленький Л.Б., Райков Б,К., Секисов Ю.Н., Тулупова В.В. Функции преобразования кластерного одновиткового вихретокового датчика с тремя чувствительными элементами // Вестник СамГТУ. Сер. «Технические науки», - 2008, - № 1. - С. 63-68.
Статья поступила в редакцию I / января 2007 г.
UDC 681.518
METHODS FOR DATA ACQUISITION ABOUT BLADE TIPS MULTI-COORDINATE DISPLACEMENTS IN PROP-FAN ENGINES ON BASIS OF DELAYED TRANSFORMATION OF CLUSTERED SENSORS SIGNALS. PART 1. MEASUREMENT TECHNIQUES: REASONING AND DESCRIPTION
L.B. Belenki, S. Yu, Borovik, U.K. Raykov, Yu.;\. Sekisov,
0,P. Skobetev, V, V, Tulupova]
Institute for the Control of Complex Systems, RAS,
61, Sadovaya str., Samara, 443020/
The method for data acquisition about blade tips multi-coordinate displacements in prop-fan gas-turbine engines is considered. It basis on using of clustered single-coil eddy-current sensor with delayed transformation of it sensitive elements inductance in output voltage and then in digital code.
Keywords: prop-fan gas-turbine engine, blade tips displacements, clustered single-coil eddy-current sensor, delayed scanning, contactless switches, the effect of influence of residual parameters.
1 Lev B. Belenki, Candidate of Technical Sciences, Scientist.
Sergey Yu. Borovik, Candidate of Technical Sciences, Academic secretary,Senior scientist. Boris K. Raykov, Senior scientist.
Yuriy N. Sekisov, Doctor of Technical Sciences, Head of laboratory.
Oleg P. Skobelev, Doctor of Technical Sciences, Chief scientist.
Viktoria V. Tulupova, Candidate of Technical Sciences, Senior scientist.
