автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Система измерения радиальных зазоров в турбомашинах

самарский государственный технический университет

На правах рукописи . Дм служебного пользования

Экз. (65

ХРИНН Александр Алексеевич

УДК 681.51а 3

СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ В ТУРВОЫАШНАХ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные

системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1894

- г -

Работа выполнена в Самарском филиале Института иаяиноведени

им. А. А. Клагонравова Российской Академии наук

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Скобелев О. Б.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических наук, Профессор Конюхов ЕЕ, кандидат технических наук, доцент Григоровский Е К

Ведущее предприятие : Самарское государственное НШ1 "Труд"

8а«ита состоится г. в часов

& &Уй. 23 ta заседании специализированного Совета Д Оба 16.01 Самарского государственного технического университета по адресу 443010, г. Campa, ул. Гагштюйокекая .141.

С диссертацией шгмо ознакомиться ь сналиотеке Сашрскогс государственного технического университета по адресу: ул. Нерве иайская.18.

Автореферат разослш! " " 16S4 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук, доцент Еиров Е Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Стендовые испытания новых образцов авиационной техники, включая газотурбинные двигатели (ГТД), являются сложным и трудоемким процессом, требующим для своей подготовки й проведения значительных организационных и экономических затрат. В связи с этим целесообразно создание и совершенствование систем измерения, позволяющих в ходе эксперимента в обработанном виде получать информацию об основных параметрах ГТД, что существенно 'влияет на эффективность проводимых* испытаний и сокращает сроки доводки новых изделий.

Повышение экономичности, надежности и ресурса ГТД вызывает необходимость экспериментальных исследований процессов упругой и термической деформации элементов конструкции и, в частности, измерений радиальных зазоров (РЗ) медду статором и лопатками ротора компрессоров и турбин. Известно, что величина РЗ существенно влияет на КПД, запасы газодинамической устойчивости, сохраняемость характеристик двигателя в процессе эксплуатации. Уменьшение га в високонагруягнных ступенях компрессора на \Х приводит к увеличению КПД на 1-ЗХ и запаса устойчивости на 3-8Х. Это означает, что методы и средства измерения РЗ должны иметь повышенную точность преобразования, трудно реализуемую в срязи с чрезвычайно тякелыыи условиями работы датчиков, устанавливаемых в зоне измерения РЗ. Кроме того, в сукествуютих стендовых устройствах измерения РЗ по-прежнему недостаточен уровень автомати-. заики сбора и обработки информации, что при высокой стоимости одного газо-часа испытаний приводит к значительным экономическим потерям. Поэтому разработка и совершенствование мзтодое и средств измерения РЗ , обеспечивающих достаточно высокие метрологические и эксплуатационные показатели, а такле создание на их основе систем измерения РЗ (СИРЗ), в которых процессы измерения и обработки данных полностью автоматизированы, является актуальной задачей.

Обоснование предлагаемого подхода к построению СИРЗ.

В существующих средствах измерения РЗ наибольшее распространение подучили оптические, емкостные и вихретоковые (ВТ) датчики. Однако, загрязнение воздушого пространства в зазорах, изменения давления, влажности, химического состава и ионизация газов существенно ограничивают возможности оптических и емкостных дат-

чиков, а высокие температуры в воне измерений ватрудняют применение большинства конструкций ВТ датчиков РЗ.

Для расширения температурного диапазона предлагается использовать конструкции одновитковых ВТ датчиков (ОВГД) с чувствительным элементом (43) простейшей формы в виде отрезка проводника, который вводится в зону измерения с помощью специального безындуктивного токовода. Трансформатор, расположенный в датчике вне зоны интенсивных температурных воздействий, согласует параметры витка с параметрами измерительной цепи (ВД). Девиация выходного параметра ВТ датчиков РЗ, в том числе и ОВГД, не превышает II, что обусловлено малой зоной взаимодействия торцевой части двилстцейся лопатки и электромагнитного поля, генерируемого ЧЭ датчика. Поэтому при работе ВТ датчика в традиционных ,КЦ с гармоническим питанием на выходной сигнал преобразователя большое влияние оказывают внешние дестабилизирующие факторы, электромагнитные помехи агрегатов ГТД и стендового оборудования. Увеличить уровень полезного сигнала позволяет режим питания ОВГД импульсами напряжения с повышенной амплитудой. Сохранение теплового режима датчика при этом может Сыть достигнуто за счет уменьшения длительности импульсов питания. Известно, что минимальное время формирования выходного сигнала ИЦ с ВТ датчиком при импульсном питании обеспечивает один из методов тестовых переходных процессов - метод первой производной (Пф. Однако, динамические возможности ОД, реализующей метод Ш. существенно ограничены длительностью рассеяния электромагнитной энергии, накопленной в датчике за время импульса питания, что затрудняет измерение РЗ при однократном прохождении лопатки вблизи 43 датчика на максимальных скоростях вращения ротора. Совместить дискретный характер появления лопаток в зоне измерения с импульсным режимом питания датчика и инерционностью ИЦ в условиях цикличности движения лопаток относительно датчика и большой инерционности ротора, определяющей стабильность скорости его вращения, позволяет применение стробоскопического метода измерения. Для сокращения времени получения информации о РЗ по каждой лопатке предлагается использовать метод, названный в работе мудьтистро-Ооскопическим. В отличие от классического стробоскопического он предусматривает многократное стробирование датчика в пределах одного оборота ротора. Один из предлагаемых в работе вариантов мультистробоскопического метода с синхронным опросом датчика позволяет получить информацию о РЗ по каждой лопатке за несколь-

- б -

ко оборотов ротора. Он предусматривает стробирование датчика РЗ в процессе вращения ротора пакетами импульсов по числу лопаток, смещаемых на каяком обороте относительно опорного импульса на заданную величину пага дискретизация. 1фи отсутствии опорного сигнала синхронизации предлагается использовать вариант метода измерения с асинхронным стробированием датчика РЗ, позволяющий получать информацию о величинах среднего и минимального в данном сечении зазора. При практической реализации вариантов мультист-робссквпического метода представляется целесообразным использование микропроцессоров и программируемых тгймеров, обладающих возможностями программного управления формированием стробимпуль-сов, средствами для запоминания и математической обработки получаемых от датчика отсчетов.

Дель работы и постановка задачи. Целью работы является создание и внедрение в практику стендовых испытаний ГТД систем измерения радиальных зазоров с улучеенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, построенных на основе предлагаемого подхода

Рассматриваемые в рамках предлагаемого подхода системы образуют новую, практически неизученную разновидность микропроцессорных средств измерения. Вопросы, связанные с разработкой теоретических основ построения таких систем, исследованием их технических и метрологических возможностей, можно считать открытыми. Кроме того, необходимы экспериментальные подтверждения э^ фективности предлагаемых методов и средств в промышленных условиях. Пэзтому представляется необходимым:

- разработать структуры и алгоритмы функционирования вариантов СИРЗ на основе мультистробоскопического метода с синхронным и асинхронным опросом датчиков,

- разработать и исследовать математические модели импульсных ИЦ с ОВТД, реализупзих метод Ш,

- исследовать погрешности предлагаемых технических средств и алгоритмов функционирования СИРЗ, ;

- разработать экспериментальные образцы СИРЗ, провести их метрологические исследования и апробацию в стендовых условиях.

Методы исследования основаны на использовании теории измерений, теории вероятностей и математической статистики, аппарата дифференциальных и интегральных исчислений, теории электрических цепей, численного анализа и имитационного моделирования на ЭЕЧ

Научная новизна. Для измерения РЗ в турбо маппшах предложено использовать мультистробоскопический метод, предусматривающий многократное стробирование естественного выходного сигнала датчика в пределах одного оборота ротора; новыми являются варианты мультистробоекопического метода измерения с синхронным и асинхронным опросом датчика, а также разработанные на нх основе структуры и алгоритмы функционирования СИРЗ.

iTifipr.ue получены аналитические выражения уравнений преобразования и чувствительности идеализированных не дифференциальной и £И$<1£р-:-нц.плык»и и; с 01?ГД га. ргаагауиэдх метод первой производной. Отличительной особенность» ИЦ является включение ЧЭ датчика, х.н;1ол1;«нного в виде линейного отрезка проводника, через ссч'мпуыу.А -I <кшг£с.т«иатор. С помоаьй модели дифференциальной ИЦ к г.и.да ураьи~шш переменных состояния исследованы влияния на выходной сигнал н-'-информагивных параметров датчика, линии связи, КРКих ?.ллмеьтов цопи.

1г. 1 oonoi.o ;».'_;;::.г;ст.акных моделей ИЦ, а также методами имитационного ! юделирования алгоритмов функционирования СИРЗ впервые получены оценки составляющих инструментальных и методических погргыностей.

Практическая ценность работы. Предложенные структуры и алгоритмы измерения РЗ доведены до уровня функционально законченных микропроцессорных приборов и компьютерных систем, прошедших про-у хзс-ор.'1тор,!ых и прешшленных условиях. Подученные с их данные позволили уточнить модели термогааодинамических г; ь гаговогдушюм тракте и лолучить новые данные о комп-

:■■:< МЛ в ходе стендовых испытаний.

J- -г ..-'отrznv.is в конструктивах КАМАК и "Евромеханика" микроп-)<• 1-го«о?Гг!е измерительные преобразователи, составляпцие основу СН>'3. ri'H соответствующем изменении их внутреннего программного oOi.rnC'4-лвйй могут быть использованы при создании широкого спектра систем I' приборов различного назначения.

Представленная в виде программы на ЭВМ модель импульсной диф-ференц-.гагмюй ИЦ, ориентированная на одневатковые ВТ датчики, ши бжь использована для анализа характеристик других видов ЬТ к традиционных индуктивных датчиков в процессе проектирования J ГЦ ка основе ме-тода ПЛ.

Реализация и внедрение результатов работы. В практику стен' довых испытаний на Самарском государственном НПП "Труд" внедрена чгтнрахканальная система измерения РЗ в компрессоре, построенная

на базе ГОЕМ и аппаратуры в стандарте КАМАК, в которой полностью автоматизирован процесс сбора, обработки и документирования информации о РЗ в процессе стендовых испытаний ГТД. Разработаны и прошли лабораторные испытания:' четырехканальная микропроцессорная система измерения РЗ в приборном исполнении и шестнадцаткка-нальная многопроцессорная, система на базе ПЭВМ, выполненные в конструктиве "Евромеханика". Разработана и внедрена в практику лабораторных исследований система для метрологических испытаний высокотемпературных ОВТД РЗ, обеспечивающая в автоматическом рэ-заше получение градуировочных характеристик и_ оценку погрешностей измерительных каналов с датчиками в рабочем диапазоне температур.

Апробация работа Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждалйсь на: Международной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промышленности" (Минск, 1992 г.). Всесоюзных научно -технических конференциях: "Информационно-измерительные систе-ш" (Санкт-Петербург, 1991г.) и "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990г.), Всесоюзном симпозиуме "(Модульные информационно - вычислительные системы" (Новосибирск,' 1987г.), Всесоюзной пколе "Автоматизация научных исследований" (Аппатиты, 1990 г.), Всесоюзном семинаре "Метрология в прецизионном машиностроении" (Саратоз, 1990 г.), региональном семинаре "Микропроцессоры в системах управления" (Пенза, 1991 г.);

Публикации. По теьге диссертации опубликовано 20 печатных работ, в тоы числе 8 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения. 5 глав, заключения и прилояэний. Основная часть содержит 175 страниц ма-синописного текста, 59 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 83 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и предложенный подход к построении СИРЗ, определена цель работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе анализируется условия измерения зазоров в тракте ГТД и возиожностя использования традиционных методов и ср';"ств бесконтактного измерения РЗ, в тоы числе, оптических, электрических, рентгеновских и других. Особое внимание уделяется анализу злектрнческха ьктодов,■ среди которых гнделяэтся ВТ дат-

чики РЗ, наилучшим образом отвечавшие условиям измерений в компрессорах и турбинах ГТД. К преимуществам ВТ датчиков относится низкая чувствительность к изменению факторов внешней среды, поме хозашиаенность, простота конструкции, малые габариты датчиков. Основной недостаток - ограниченный диапазон рабочих температур.

Предлагаются конструкции высокотемпературных ОВТД с ЧЭ в виде отрезка линейного проводника и согласующим трансформатором, внесенным из зоны повышенных температур с помовью цилиндрического токовода. Одновитковый ЧЭ обеспечивает работоспособность датчика и повторяемость его характеристик при воздействии высоких температур и других влияпцих факторов, что позволяет использовать ОВТД для измерения РЗ в высоконагруженных ступенях компрессоров и турбин. Рассматривается возможность использования импульсной ИЦ, реализующей метод Ш, для - повышения чувствительности преобразования информативного параметра ОВТД. Предлагаются варианты мультистробоскопического метода измерения, позволяющие получить информацию о РЗ при импульсном режиме питания ОВТД. На основе проведенного анализа формулируется подход к построению СИРЗ, и определяются задачи исследования.

Во втором разделе рассматриваются структурные схемы и алгоритмы функционирования СИРЗ на основе мультистробоскопического метода измерения РЗ с синхронным и асинхронным опросом датчика.

Обобщенная структурная схема СИРЗ (рис.1) включает ОВТД РЗ, датчик положения вала (ДПЕ), блок формирования строб-импульсов (БЗСИ), измерительный преобразователь (ИП) выходного параметра ОВТД, АЦП и вычислительное устройство (БУ).

Алгоритм синхронного мультистробоскопического опроса ОВТД РЗ предусматривает определение по интервалам времени между соседними импульсами ДПВ периодов вращения ротора, предшествующих измерению, с последующей экстраполяцией периода врадения на текущем обороте. Для текущего оборота определяются интервалы следования лопаток, и формируются пакеты импульсных тестов по питанию ОВТД синхронно с появлением лопаток в зоне размещения датчика на статоре, причем число импульсов в пакете равно числу лопаток на диске ротора, а начало каждого пакета сдвигается относительно импульса ДПВ на величину шага дискретизации огибаичей сигнала датчика. Отклики ОВТД на импульсные воздействия, соответствующие равноемешенным угловым положениям лопаток относительно ЧЭ датчика, преобразуются в блоках ИП и АЦП в цифровую форму и ааломина-игся в памяти БУ в хронологическом порядке их поступления от ИП.

Обобщенная структура СНРЗ

Рис.1

После объединения отсчетов в группы по номерам лопаток, производится интерполяционная обработка отсчетов внутри групп и определение кодов М* локальных максимумов огибашэй естественного выходного сигнала датчика ¿(1,5), характеризующих зазоры в моменты совмещения каждой из лопаток с ЧЭ датчика (табл.1). Способ интерполяционной обработки и количество отсчетов внутри групп

Таблица 1

Модель сигнала Интерполяционная обработка отсчетов

*> Г И» ■ехр о „ . [ИхИгМЫИг^А

Ь «« ь3

.V, л

Цф^со^) // н/ \Л

ь, 1 г ¿3

НгА // V 1 1//Ч А £ 4,= а(ыггы^ы3)

! Ь Ь \

определяется выбранной моделью и требуемой точностью восстановления огибающей. Подученные значения Л/м приводятся в ВУ к единицам измеряемой величины ($ ) в соответствии с градуировочной характеристикой датчика.

Формальное описание функционирования СИРЗ с синхронным опросом датчиков может быть представлено операторной записью, позволяющей наглядно отразить содержание производимых в системе преобразований:

£*- Н I 6 <КО Т^и.Б ) > ,

где I (^Б) - входной параметр ( изменение индуктивности датчика), 8 - истинные значения зазоров, ¡. - номер лопатки на диске ротора, I - номер текущего оборота ротора, 8*- результаты измерения зазоров. Основные этапы преобразований и алгоритмы обработки отражают следующие операторы: Т^- тестовое возбуждение ИЦ пакетами строб-импульсов, Б - дифференцирование реакции Щ на тестовое возбуждение и преобразование входного воздействия в амплитуду импульса напряжения, К - аналого-цифровое преобразование, 6 - группировка цифровых отсчетов по признаку отношения к определенным лопаткам, I - интерполяционная обработка групп отсчетов и выделение максимумов огибающей, Н - приведение полученных максимумов к единицам измеряемой физической величина

Асинхронный вариант мультистробоскопического метода применяется в тех случаях, когда на двигатель не может быть установлен датчик синхронизации. При этом ВХСИ формирует пакеты импульсов со случайными временными сдвигами, а полученная выборка отсчетов представляется в виде точечной гистограммы распределения вероятностей отсчетов, полученных при случайных угловых положениях лопаток относительно датчика. Анализ параметров гистограммы позволяет получить информацию о среднем и минимальном зазоре в данном сечении. Функционирование СИРЗ при оценке минимального зазора может быть представлено операторной записью вида:

шт{'8*> - н б { ко тСлць,8 ) > ,

где Тм- оператор тестового возбуждения ИЦ пакетами импульсов со случайными временными сдвигам!", Б - оператор поиска максимального отсчета в выборке, соответствующего минимальному зазору. Доверительная вероятность результата измерения РЗ, полученного с помощью асинхронного варианта метода," зависит от объема выборки

отсчетов, допустимого отклонения результата от истинного значения и разброса начальных значений РЗ у лопаток.

Третий раздел посвящен исследованию основных характеристик гамерительной цепи с ОВТД РЗ. Для получения уравнения преобразования и чувствительности ИД в аналитическом виде использованы эквивалентные схемы цепи, в которых отражены лишь основные ее свойства и специфические особенности. В частности, рассмотрена модель идеализированной недифференциальной импульсной Щ, учитывающая влияние на выходной сигнал параметров схемы замещения ОВТД с трансформаторным согласованием ЧЭ. Уравнение преобразования ОВТД, включенного в ИЦ, реализующую метод Ш, имеет вид :

где ¿чэ($)- индуктивность ЧЭ датчика, зависящая от измеряемого зазора , выходная индуктизность датчика. Лет - коэффициент связи обмоток согласующего трансформатора (СТ), Ц и ¿1 -индуктивности первичной и вторичной обмоток СТ. фи использовании в СТ ферромагнитного сердечника /Гст-* / , ¿г >>£„, а уравнение преобразования имеет вид: 1-$($)-пг , где л = //,/Дг'-коэффициент трансформации СТ. Относительная чувствительность /(л1Ч)/1ч}) таких ОВТД близка к единице. В конструкциях ОВТД с СТ на неферроиагнитном сердечнике и существенно зависит от коэффициента Кет , а ее максимум определяется выражением ^ _ ___

и достигается при соотношении индуктивностей .

Дифференциальная ИЦ (рис. 2) содержит два идентичных по своим параметрам ОВТД, один'из которых является рабочим, второй - компенсационным, а таю® устройство дифференцирования тока в виде трансформатора (ДГ), клич (К) и источник напряжения (Е).

На основе математической модели дифференциальной ИЦ (без учета собственных емкостей элементов цепи) получены уравнение преобразования 1Г\ ьЦэ

к'о Ц

и относительная чувствительность дифференциальной Щ, реализующей метод ПП

г _ Щ/В _ ___Хсг _

Ц и» ¿«пг

где - выходной сигнал ИЦ в момент замыкания ключа К .

Е - напряжение источника питания, ¿„, = ¿чз/ = ¿„41 - начальное значение индуктивности ЧЭ рабочего и компенсационного датчиков, изменение индуктивности ЧЭ рабочего датчика,¿<-¿„=1^ и 14 = ¿гг - индуктивности первичных и вторичных обмоток СТ,

= индуктивность ЛИНИИ СВЯЗИ, ¿4Г" индуктивность

дифференцирующего трансформатора

Анализ показывает, что чувствительность Щ снижают слагаемые знаменателя, которые аадисят от соотношения индуктивностей' элементов ИЦ. При выборе: I, 55> 1ЧЗ , ¿Лг Кст - ( относительная чувствительность ИЦ определяется виражением:5ич=//}'/+4,/1„ и не зависит от абсолютных значений индуктивностей обмоток трансформаторов, а влияние индуктивности линии связи по отношению к основному параметру снижается в п1 раз.

Более детальное исследование влияний параметров ИЦ (рис.2) на выходной сигнал производился с использованием модели в виде дифференциального уравнения более высокого порядка, учитывающего

.влияние собственных емкостей и активных сопротивлений датчика, линии связи и ДГ, а также внутреннего сопротивления источника питания и ключевого элемента. Моделирование процессов в такой ИЦ ведется с использованием одного из наиболее эффективных численных методов анализа цепей - метода переменных состояния. Модель ИЦ при этом представляется в виде: X - АХ + ~ВМга) , где ~Х -вектор переменных состояния ИЦ, X - его производная ( X и X определяются всеми напряжениями на емкостях и токами в индуктшз-ностях эквивалентной схемы) ,йг (1) - вектор источников тока или напряжения, ~А - квадратная матрица цепи размером л«п . В - вектор размера п , п - число параметров состояния.

При ступенчатом тестовом воздействии вектср#г( Ь) постоянен во всем интервале интегрирования уравнения состояния. Результат интегрирования, представленный разностным уравнением, удобным для вычисления на ЭВМ, имеет вид: X 1(т1)Т] - Г X [тТ] + ¿¡г V , где Р - ехрСМ), У - (ехр(А1-1))-А'1В, т - целые числа. Т - шаг приращений.

Анализ результатов численного моделирования показал, что при наличии собственных емкостей у ДГ, линии связи и датчика переходный процесс в Щ имеет характер затухающих колебаний. При этом за результат преобразования принимается значение максимума первой полуволны выходного напряжения ДГ. Задержка момента фиксации результата в зависимости от длины линии связи составляет а 2-0.7 мкс, а снижение чувствительности при включении 20-метрс-вой линии - не более 102. Несимметрия емкостей элементов ИЦ приводит к появлению высокочастотных составляющих в информативней области выходного сигнала, для подавления которых необходима дополнительная фильтрация. Влияние несимметрии диссипативных параметров проявляется в появлении в выходном сигнале медленно нарастающей экспоненциальной составляющей, достигающей к моменту Фиксации максимума сигнала 102 от уровня полезного сигнала.

3 четвертом разделе рассматриваются инструментальные и методические погрешности СИРЭ. Проведен анализ составляющих основной погрешности ИЦ, в том числе, погрешности нелинейности и погрешности от разброса параметров элементов цепи. Анализ погрешности нелинейности показал, что в дифференциальной ИЦ она не прегыззет 0.2 1 в рабочем диапазоне изменения индуктивности 43 датчика. В то тв время, нелинейность градуировочной характеристики (ГХ) самого датчика значительно выпе и может достигать величины 3-5 2 от диапазона. Использование аппроксимации ГХ датчика степенным

полиномами 3-4 порядка позволяет уменьшить отклонение реальной характеристики от аппроксимирующей функции до 0.31. Анализ погрешности, обусловленной технологическим разбросом параметров элементов Щ, показал, что основной вклад в эту погрешность (около 10Х) вносит разброс индуктивностей 43 рабочего и компенсационного датчиков, а также разброс параметров линии связи (до 51). Погрешность от разброса параметров ИП имеет систематический характер и может бить устранена при помощи индивидуальной градуировки измерительных каналов с датчиками.

Исследована дополнительная погрешность ИЦ, которая вызвана температурной нестабильностью параметров ЧЭ и согласующего трансформатора датчика, линии связи и дифференцирующего трансформатора. Основной вклад в эту погрешность вносят температурные изменения активного сопротивления ЧЭ датчика (около 101) и магнитной проницаемости сердечника СТ (до ЗХ). Погрешность от нагрева линии связи в рабочем диапазоне температур не превышает 0.3 X, а нагрев ДТ приводит к погрешности менее О. IX. Для снижения температурных погрешностей датчиков в СИРЗ использована автоматическая коррекция результатов измерения, реализуемая на этапе приведения кодов АЦП к единицам измеряемой физической величины зазора. Дая этого в систему введен дополнительный канал .измерения температуры датчика, а алгоритм расчета физических значений зазоров предусматривает использование аппроксимирующих многочленов, коэффициенты которых являются функциями измеренной температура Экспериментально установлено, что в результате такой коррекции дополнительная температурная погрешность ИД может быть снижена до 2.5-3 2.

Исследована методическая погрешность СИРЗ, вносимая алгоритмами, реализующими варианты мультистробоскопического метода измерения. В системе с синхронным опросом датчиков на стационарных режимах работы компрессора она определяется неточностью восстановления сигнала по его дискретным отсчетам-и находится в пределах 0.2-0.51 . Ш переходных режимах компрессора появляется дополнительная погрешность интерполяции из-за смешений отсчетов при изменении спорости вращения ротора. На режимах дросселирования эта погрешость составляет величину 0.3-0. 4 X, а на режимах приемистости и сброса оборотов может достигать 10Х. Введение в алгоритм измерения процедуры коррекции моментов формирования строб-импульсов по результатам экстраполяции скорости врааэния ротора позволяет уменьшить погрешность восстановления на режимах

приемистости и сброса до 1-2 2. В системе с асинхронным спросом датчиков наиболее с умственны иетодические погрешности, связанные с ограниченным объемом статистической выборки отсчетов и значительным временем ее накопления.. Так, "для определения минимального зазора на ступени с точностью 12 и доверительной вероятностью 0.95 выборка должна содержать не менее 1000 отсчетов сигнала. При этом динамическая погрешность алгоритма, связанная с изменением зазора за время накопления выборки, з зависимости от релима работы компрессора мокет достигать величины 0.5 - 52.

3 пятом разделе приводятся описания разработанных СИРЗ, лропедпих апробацию в лабораторных и стендовых условиях. Рассмотренные ео втором разделе структуры СИРЗ реализованы в виде магистрально-модульных систем в конструктивах КАМАК и "Евромеха-ника". Часть из них работает под управлением внешней ЗШ, сбес-печивакней в реальном времени сбор, обработку, документирование и выдачу информации о РЗ на экран дисплея и печатающее устройство. Другие строятся в виде автономных микропроцессорных приборов, еыдшсцих информацию на цифровое табло или устройство печати.

Четырехканальная СИРЗ, построенная на базе стандарта КАМАК я БЭБЫ. предназначена для измерения РЗ кадвой лопатки в четырех точках по окружности на одной ступени компрессора ГТД, а также измерения температуры в местах установки датчиков РЗ и частоты вращения ротора. Основная погрешность измерения РЗ на стационар-шх режимах компрессора не превышает 12, а дополнительная температурная погрешность составляет 32 в диапазоне рабочих температур датчика до 450°С. Основу системы составляет микропроцессорной ЯАЫАК гадуль 4/1- ЙРЗ-01, обеспечивахвдий преобразование в сод и первичную обработку сигналов ОВТД РЗ, термопар градуировок 21 и ХА и индукционного датчика частоты вращения вала ДЧВ-2500. 1налогичшагн характеристиками и функциональными возможностями, :о значительно шяьзямя габаритам и энергопотреблением обладает Т1РЗ, разработанная в стандарте "Евромеханика" в виде автономно-о микропроцессорного прибора. Ее основу составляет язмеритель-ая процессорная станция (ИБС), состояшя из модулей, выполнения в Езроконструкгиве. Путем объединения нескольких ИПС в крей-е под управлением персональной ЗШ 1Ш/РС создана шгагспроцес-зрная 16-кзнальная СИРЗ высокой производительности, предпазна-энная' для гамере.'пя РЗ одновременно на яесксльких ступенях эмпресссра. Дгя понижения эффективности процесса градуировки 1ТЧИК0Э на базе разработанных технических средств создана еле-

тема метрологической аттестации, обеспечивающая в автоматическом режиме получение ГХ и расчет погрешностей измерительных каналов с датчиками в диапазоне рабочих температур датчиков до 450 С.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложениях приведены листинги программ, образцы протоколов с результатами измерения РЗ , протоколы метрологической аттестации измерительных каналов, акт внедрения СИРЗ.

I

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Предложен новый подход к построению СИРЗ, предусматривающий комплексное применение мультистробоскопического метода измерения, импульсной ИЦ и высокотемпературных ОВТД с ЧЭ в виде линейного отрезка проводника.

Предложены варианты мультистробоскопического метода измерения РЗ с синхронным и асинхронным стробированием. на основе которых разработаны структуры и алгоритмы функционирования СИРЗ.

Предложены конструкции ОВГД РЗ с ЧЭ простейшей геометрической $ор.мы в виде отрезка линейного проводника, обеспечивающие работоспособность датчика и повторяемость его характеристик при воздействии повышенных температур и других влияющих факторов.

Разработаны математические модели ИЦ с ОВТД РЗ. Излучены в аналитическом виде и исследованы уравнения преобразования и чувствительности идеализированных недифференциальной и дифференци-ИЦ. С помощью модели дифференциальной ИЦ в виде уравнений н.'реьгпйых состояния исследовано влияние на выходной сигнал неин-ъор-.лгкзтос параметров датчика, линии связи, других элементов Щ.

Проведен анализ инструментальных погрешностей СИРЗ. На основе моделей дифференциальной ИЦ и экспериментальных исследований получены оценки основной и дополнительной температурной погрешности. По результатам метрологической аттестации основная погрешность СИРЗ не превышает 12, а дополнительная - ЗХ.

Проведен анализ методических погрешностей СИРЗ. На основе имитационного моделирования функционирования СИРЗ получены оценки погрешностей алгоритмов измерения СИРЗ на стационарных и переходных режимах турбомашины.

Создан ряд СИРЗ, в которых реализован предложенный подход. В практику стендовых испытаний ГТД внедрена четырехканальная КАМАК система измерения РЗ. Подготовлены к заводским испытаниям микропроцессорные СИРЗ ^конструктиве "Евромеханика" - четырех-

канальная в приборном исполнении и шестнадцатиканальная на базе ГВВЫ. предназначенная для измерения РЗ одновременно на нескольких ступенях компрессора.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Белкин R Н., Пинес Е Е . Скобелев О. И , Секисов КХ а , Хритин A.A. Компьютерная система измерения радиальных зазоров в турбокомпрессорах ГТД //Авиационная промышленность. -1991.- N4.-С. 11-12. .

2. Секисов И. Е, Скобелев О. а , Хритин А. А. Микропроцессорные средства измерения зазоров в малинах циклического дейс-7Еия//Уетрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промышленности: Тез. докл. Мелдунар. koh$l - Минск. 1992.-С. 47.

а Белкин R Ы., Пинес В. Е , Секисов Ю. Е , Скобелев О. Е , Хритин А. А. Распределенная микропроцессорная ИКС для испытаний мапин//ИИС- 91: Тез. докл. Бсес. кон& -Санкт-Петербург, 1991. -С. 173.

4. Секисов. a R » Скобелев О. Е , Хритин А. А. Никропроцессор-гай измерительный преобразователь для системы автоматического гаэнтроля радиальных зазоров // 1.!икро процессорные системы автоматик:!: Тез. докл. II Всес. конф. - Новосибирск, 1990. -С. 32.

5. Секисов. В. Е .Скобелев О. Е .Хритин А. А. Микропроцессорная система автоматизации испытания объектов машиностроения с -циклическими изменениями механических параметров //Автоматизация научных исследований: Тез. докл. XXIV Всес. сколы по автоматизации научи. исследований. - Аппатиты, 1990. -С. 43.

6. Секисов. П. Е , Скобелев О. Е . Хритин А. А. Система измерения радиальных зазоров вращающихся элементов ГТД/ЛШислительная томография: Тез. докл. II Всес. симп. - Куйбышев, 1985. -С. 147.

7. Секисов.П.Е .Хритин A.A. Исследование предельных возможностей метода первой производной для преобразования параметров высокотемпературных вихретоковых датчиков //Автоматизация экспериментальных исследований/ КуАИ. -Куйбывев, 1987.-С. 154-160.

а Хритин А. А. Шкропроцессорный модуль КАМАК для динамических измерений // Модульные информационно- вычислительные системы: Тез. докл. VII Всес. симп. -Новосибирск, 1987. -С. 103.

9. Хритин А. А., Ковалева Ы. А. Никропроцессорная система для' испытаний высокотемпературных датчиков перемещений //Метрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промнагевнзс-ТИ: Тез. докл. Шддунар. конф. -Уинск,1992. -а 49.

10. Хритин А. А. Ковалева U. А. Аппроксимация градуировочных и температурных характеристик бесконтактных преобразователей перемещений в микропроцессорной измерительной системе // Метрология в прецизионном машиностроении: Тез. докл. Всес. семинара -Саратов, 1990.-С. 27.

11. Хритин А.А., Костин A.R Динамическая погрешность микропроцессорного стробоскопического преобразователя " радиальных зазоров в турбомашинах // Ыикропроцессоры в системах управления: Теэ. докл. Всес. семинара -Пенза, 1991.-С. 44-45.

12. Хритин А.А., Квитко ЕГ. Оценка погрешности стохастического алгоритма в микропроцессорной системе измерения радиальных зазоров лопаточных машин// Микропроцессоры в системах управления: Тез. докл. Всес. семинара - Пенза, 1991.-С. 12-1 а

13. А. с. 1779908 СССР, ЫКИ G 01 В 7/08. Способ измерения радиальных зазоров в турбомашинах/ Е It Велкин, Пинес ЕЕ, О. П. Ско белев , Ю.Е Секисов , А. А. Хритин// Опубл. 07.12.92, Бш. N45

14. А. с. 1670370 СССР, ЫКИ 6 .01 В 7/08. Устройство для измерения радиальных зазоров в турбомашинах/ Е VL Белкин , О. П. Скобелев , 1й Е Оекисов, А. А. Хритин// Опубл. 15.08.91, Бш. N30.

15. А. с. 1394912 СССР, ЫКИ G 01 N 27/90. Высокотемпературный проводниковый вихретоковый преобразователь / О. Е Скобелев, IIЕ Секисов, А. А. Хритин // ДСП.

16. А. с. 1555336 СССР» ЫКИ 6 01 Н 27/90. Высокотемпературный вихретоковый преобразователь/ А. А. Хритин и др. // ДСП.

17. А. с. 1649917 СССР, ШШ 6 01 К 27/90. Высокотемпературный вихретоковый преобразователь/Е Е Белкин, Е Е Пинес, Е Е Нестеров, Л Е Секисов, О. Е Скобелев, А. А. Хритин // ДСЕ

18. А. с. 1766147 СССР. ЫКИ G 01 В 7/14. Способ измерения ра диальшгх зазоров. / А. А. Хритин, С Е Секисов. Е Г. Квитко // ДСП.

19. А. с. 1663404 СССР. ЫКИ G 01 В 7/08. Способ контроля радиальных зазоров при сборке турбомашны/ Е U. Велкин ,ЕЕ Пинес О. П. Скобелев ,0. Е Секисов, А. А. Хриткн // ДСП.

20. А. с. 1825089 СССР, ЫКИ G 01 В 7/14. Устройство для измерения радиальных зазоров в турбомашинах/ А. К Костив, И Е Секисов, А-А-Хриткв // ДСП.