Технические науки/ 6.Электротехника и радиоэлектроника.

Милюшин Н.Н.

РЗА Системз,Россия

Классификация фазогенераторных преобразователей

Существует класс высокоскоростных электропроводящих объектов, элементы которых в процессе функционирования перемещаются с большими линейными скоростями (от 300 м/с до 2000 м/с и более). Объекты могут быть как сплошными, так и составными, монолитными или оболоченными; состоять из ферро- и диамагнитных металлов и сплавов либо их сочетания; перемещаться поодиночке, группам либо потоками. Расстояние между движущимися элементами этих объектов в направлении трассирования может быть одного порядка с их линейными размерами и иметь значение в несколько десятков миллиметров и менее. В процессе трассового движении элементы либо часть элементов в кластере могут совершать рыскание по трассе, участвуя при этом ещё и в колебательном движении вокруг одной или нескольких мгновенных осей вращения. Примерами подобных объектов являются орудия боевых комплексов, газотурбинные двигатели подвижного и стационарного назначения, агрегаты газотранспортных станций, паросиловые энергетические турбоустановки и т.п.

Указанные объекты объединяет то, что они имеют близкие значения динамических параметров движения элементов. Так, начальная скорость снаряда современного орудия в зависимости от вида и калибра составляет от 1700 до 2100 м/с, при средней длине снаряда 0,5 м. При этом отклонение начальной скорости в 3,5 % дает отклонение времени прохождения снарядом контрольного устройства порядка с. Окружная скорость лопаточного венца паросиловой турбины в зависимости от его диаметра и при синхронной частоте вращения 3000 об/мин может составлять от 650 до 850 м/с, при этом период следования лопаток мимо неподвижной контрольной точки при их типовом числе в венце 94÷96 составляет порядка с, а длительность прохождения лопаткой контрольной точки – от до с.

Объединяющим фактором является и то, что обязательным условием обеспечения эффективности и безопасности эксплуатации таких объектов является функциональный контроль параметров движения или взаимного расположения их подвижных элементов. Так, например материал лопаток энергетических турбомашин во время рыскания может испытывать значительные динамические напряжения и механические деформации, сравнимые с пределами прочности, что может привести к возникновению аварийных отказов с риском для жизни и здоровья обслуживающего персонала и значительным экономическим ущербом. Поэтому контроль рыскания лопаток энергетических турбомашин, связанного с возникновением их изгибных и крутильных колебаний различных кратностей, а в авиационных турбодвигателях – контроль возникновения флаттера, позволяют избежать опасных режимов работы либо критичных переходных процессов, обусловленных, например, сбросом нагрузки.

Таким образом, существует актуальная проблема функционального контроля высокоскоростных электропроводящих объектов в процессе их эксплуатации, при этом в качестве диагностических параметров целесообразно рассматривать параметры движения или взаимного положения их элементов. Несмотря на определенную специфику контроля различных объектов, динамические параметры движения их элементов имеют значения одного порядка, что позволяет рассматривать решение общих задач по их контролю на примере одного из объектов, в качестве которого в работе выбраны турбомашины.

Одним из наиболее эффективных методов контроля параметров перемещения или взаимного расположения элементов объектов, в частности - колебаний рабочих лопаток лопаточных венцов, в настоящее время является бесконтактный дискретно-фазовый метод (ДФМ), в соответствии с которым контролируемые параметры определяются математической обработкой измеренных временных интервалов прохождения торцом лопатки нескольких неподвижных контрольных точек за некоторое число оборотов ротора турбомашины. При этом, однако, высокая чувствительность ДФМ к погрешности определения границ временных интервалов с учетом динамики контролируемых высокоскоростных объектов предполагает жесткие требования к метрологическим характеристикам используемых датчиков. Анализ состояния вопроса показал, что применяемые в настоящее время импульсные индукционные и емкостные датчики вследствие не идеальности изготовления и несимметричности условий взаимодействия датчика и торца лопатки, запаздывания сигнала из-за инерционности процессов в датчике, вихревых потерь и влияний паразитных емкостей, влияния высокочастотной аддитивной помехи, наводимой внешними источниками в сигнальной линии датчика, и т.п. обладают существенными погрешностями, зависящими во многом от параметров движения и материала лопаток и по значению, порой, соизмеримыми с контролируемыми параметрами. Кроме того, тенденция к увеличению единичной мощности силовых турбомашин ведет к применению рабочих лопаток увеличенной длины, изготовленных из диамагнитных титановых сплавов, для контроля которых применение описанных выше импульсных датчиков становится весьма затруднительным либо принципиально невозможным.

Таким образом, возникает необходимость в разработке импульсного датчика, удовлетворяющего высоким точностным и динамическим требованиям, важнейшими из которых являются: частота переключения (не менее 200 кГц); время задержки срабатывания (не более с); номинальное расстояние срабатывания на сталь (не менее 3 мм); гистерезис (не более 5 %). При этом для обеспечения универсальности датчика, с учетом необходимости контроля различных объектов характеристики датчика, должны быть максимально инвариантными к материалам контролируемых объектов (турбинные стали, нержавеющие стали, титановые сплавы, алюминиевые сплавы, медь и медные сплавы) при работе в широком диапазоне температур. В рамках поиска наиболее приемлемого принципа построения датчика с учетом выдвинутых требований проанализированы известные технические решения и обоснован выбор фазогенераторного принципа преобразования.

Первый

генератор

Второй

генератор

Элемент

связи

Элемент

контроля

Рисунок 1 - Структурная схема классического

варианта ФГП

Классический принцип построения ФГП основан на явлении взаимной синхронизации двух генераторов через элемент связи с разным характером проводимости – комплексным, резистивным, взаимоиндуктивным, комбинированным, резонансным и т.п. ФГП обеспечивает фазовое преобразование выходных параметров первичного параметрического ВТП (катушки индуктивности). Обобщенная структурная схема классического варианта ФГП представлена на рисунке 1. Чувствительность классического варианта составляет 100 рад/процент [1]. Известны другие варианты ФГП, чувствительность которых теоретически может быть сколь угодно большой. Проведенный анализ известных решений позволил осуществить на основе принципа формирования разности фаз классификацию ФГП, которая представлена на рисунке 2.

Фазогенераторный преобразователь

Мультипликативный

Прямого действия

Комбинационный

Фазовый сдвиг формируется

между сигналами двух

связанных колебательных контуров

Фазовый сдвиг формируется

многократным умножением первичного сдвига

Фазовый сдвиг формируется многократным

суммированием основной и вспомогательных частот

Рисунок 2-Классификация известных решений ФГП

Теоретические и практические работы предшественников показали, что для реализации потенциально высокой чувствительности классического варианта ФГП требуется применение стабилизирующей обратной связи [1]. Для стабилизации режима работы необходима автоматическая стабилизация амплитуд колебаний на контурах, цепь которой содержит инерционное звено в виде - фильтра.

Мультипликативный вариант ФГП представляет собой -автогенератор, охваченный многократной положительной обратной связью по фазе [2].

В комбинационном варианте ФГП разность фаз формируется в процессе преобразования информационного сигнала автогенератора посредством как минимум одного полосного усилителя с инверсной фазовой характеристикой и последующими неоднократными операциями суммирования/вычитания частот исходного и полученных преобразованиями сигналов и прохождения их через полосные фильтры [3].

Анализ динамических характеристик известных решений ФГП показал, что непосредственное применение известных решений для целей контроля функционирования высокоскоростных электропроводящих объектов не представляется возможным – они не обладают необходимыми динамическими характеристиками.

Литература.

1. Полулях К.С. К теории фазогенераторного преобразователя //Измерительная техника. - 1970. - N1, c.14-17.

2. Заблоцкий И.Е, Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин – М.Машиностроение, 1977.

3. Иванов В.В. Генераторные преобразователи повышенной чувствительности для систем контроля и управления – дис. на соиск. степ. д.т.н.- Тольятти, 2006.-С. 197.