Введение к работе
Актуальность тема Стендовые испытания новых образцов авиационной техники, включая газотурбинные двигатели (ГТД), являются сложным и трудоемким процессом, требующим для своей подготовки и 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 изделии.
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 КІШ, запасы газодинамической устойчивости, сохраняемость характеристик двигателя в процессе эксплуатации. Уменьшение га в виеоконагружнных 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 связи с чрезвычайно тязнелыыи условиями работы датчиков, устанавливаемых в зоне измерения РЗ. Кроме того, в сукествуютих стендовых устройствах измерения РЗ по-прежнему недостаточен уровень автомати-. заиии сбора и обработки информации, что при высокой стоимости одного газо-часа испытаний приводит к значительным экономическим потерям. Поэтому разработка и совершенствование мэтодое и средств измерения РЗ , обеспечивающих достаточно высокие метрологические и эксплуатационные показатели, а таккк 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 наибольпее распространение получили оптические, емкостные и вихретоковыв (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 затрудняют применение большинства конструкции 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, распрлояенный в датчике вне зоны интенсивных температурных воздействий, согласует параметры витка с параметрами измерительной цепи (ИЮ. Девиация выходного параметра ВТ датчиков РЗ, в том числе и ОВГД, не превышает II, что обусловлено малой зоной взаимодействия торцевой части движущейся лопатки и электромагнитного поля, генерируемого ЧЭ датчика. Поэтому при работе ВТ датчика в традиционных ,ИЦ с гармоническим питанием на выходной сигнал преобразователя больше 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 быть достигнуто за счет уменьшения длительности импульсов питания. Известно, что минимальное время формирования выходного сигнала Щ с ВТ датчиком при импульсном питании обеспечивает один из методов тестовых переходных процессов - метод первой производной (ПЩ. Однако, динамические возможности Щ, реализующей метод Ш. существенно ограничены длительностью рассеяния электромагнитной энергии, накопленной в датчике аа время импульса питания, что затрудняет измерение РЗ при однократном прохождении лопатки вблизи ЧЭ датчика на максимальных скоростях вращения ротора Совместить дискретный характер появления лопаток в зоне измерения с импульсным режимом питания датчика и инерционностью ИИ 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 мультистро-боскопическим. 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 псзволяет получить информацию о РЗ по каждой лопатке аа несколь-
- б -
ко оборотов ротора Он предусматривает стробирование датчика РЗ в процессе вращения ротора пакетами импульсов по числу лопаток, смещаемых на каждом обороте относительно опорного импульса на заданную величину тага дискретизация. 1фи отсутствии опорного сигнала синхронизации предлагается использовать вариант метода измерения с асинхронным стробировазием датчика РЗ, позволяющий получать информацию о величинах среднего и минимального в данном сеченчн зазора. При практической реализации вариантов мультист-робсскспического метода представляется целесообразным использование ьсасропроцессоров и программируемых тгямеров, обладающих возможностями программного управления формированием стробимпуль-сов, средствами для запоминания и математической обработки получаемых от датчика отсчетов.
Дедь работы и постановка задачи. Целью работы является создание и внедрение в практику стендовых испытаний ГТД систем измерения радиальных зазоров с улучвенными 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 такій систем, исследованием их технических и метрологических возможностей, можно считать открытыми. Кроме того, необходимы экспериментальные подтверждения эффективности '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 ПП,
исследовать погрейюсти 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 ЭВ1
Научная новизна. Для измерения РЗ в турбомашинах предложено использовать мультистробоскопическиП метод, предусматривающий многократное стробирование естественного выходного сигнала датчика в пределах одного оборота ротора; новыми являются варианты мультистробоекопического метода измерения с синхронным и асинх-{кэшшм опросом датчика, а также разработанные на их основе структуры и алгоритмы функционирования СИРЗ.
iTifipr.ue получены аналитические выражения уравнений преобразования и чувствительности идеализированных недифференциальной и ;;;ї5«і*?Р-:-ні.'.іч.-іьнои 'Лі с ОСТД РЗ. реалгаупгих метод первой проиэ-еол'іой. Отличительной особенность» ИЦ является включение ЧЭ датчика, х.н;іолі!«нного в виде линейного отрезка проводника, через согд^пя^кн ірагю-іс.рматор. С помсзыо мсяе.ли дифференциальной ИЦ к г.и.да ургіьіі'-ш;и переменных состояния исследованы влияния на выходной сигнал ^информативных параметров датчика, линии связи, гдагих кл-^меьтов цепи.
На oonoi.o j».-j;;.:.r;cTaKHaX моделей ИЦ, а также методами имитационного моделирования алгоритмов функционирования СИРЗ впервые получены оценки составляющих инструментальных и методических погрешностей.
Практическая ценность работы. Предложенные структуры и алгоритмы измерения РЗ доведены до уровня функционально законченных микропроцессорных приборов и компьютерных систем, прошедших про-1.-=;у:у і' л-іГ-ог.-іторльїх и промышленных условиях. Подученные с их :-'.'-,:.'-:iv-,>j данные позволили уточнить модели термогааодинамических ;;.>,,...;"", ь газовоздушом тракте и лолучить новые данные о комп-::< ..c.(.'vx МЛ в моде стендовых испытаний.
I- -г .:'^7г",пиг в конструктивах КАМАК и "Евромеханика" микроп-j.: v-o;;o~'K-!e !Шйритолъные преобразователи, составляпцие основу СіГі'З, Ери соответствующем изменении их внутреннего программного оСч-гг.іч-гший могут быть использованы при создании широкого спектра систем і' приборов различного назначения.
Представленная в виде программы на ЭШ модель импульсной диф-фереіщпагміой ИЦ, ориентированная на однсватковые ВТ датчики, шяїї бжь использована для анализа характеристик других видов ЬТ к традиционных индуктивных датчиков в процессе проектирования ЇІЦ ка основе метода ІЇЇІ
Реализация и внедрение результатов работы. В практику стен-доеух испытаний на Самарском государственном ШШ "Труд" внедрена чгтнрехканальная 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. Разработана! и прошли лабораторные испытания:' четырехканальная микропроцессорная система измерения PS 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-яиме полу-іение градуировочных характеристик и_ оценку погрешностей измерительных каналов с датчиками в рабочем диапазоне температур.
Апробация работа Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуадаіись на: Международной научно-технической конференции "Петрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промышленности" (Минск, 1992 г.). Всесоюзных научно -технических конференциях: "Информационно-измерительные сметены" (Санкт-Петербург. 1991г.) и "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990г.), Всесоюзном симпозиуме "Модульные информационно - вычислительные системы" (Новосибирск.' 1987г.), Всесоюзной пколэ "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. lb теїге 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 прилолэний. Основная часть содержит 175 страниц ма-еинописного текста, 59 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 83 наименования.