- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •1.1.1. Формы и частоты колебаний лопаток турбомашин
- •1.1.3. Основные параметры подобия процессов вибраций лопаток
- •1.2.1. Флаттер (автоколебания) лопаток
- •1.2.2. Вынужденные (резонансные) колебания лопаток
- •1.2.4. Колебания лопаток от вращающегося срыва
- •1.4.1. Прибор для измерения амплитуд колебаний лопаток
- •1.4.2. Сигнализатор колебаний лопаток рабочих колес турбомашин
- •2.6.1. Измерение вынужденных колебаний лопаток методом
- •годографа
- •2.6.2. Влияние связности лопаток на точность измерения их колебаний методом годографа
- •2.8.1. Узкополосные колебания лопаток с частотой, не кратной частоте вращения
- •2.8.3. Широкополосные колебания лопаток
- •3.2.1. Систематическая погрешность
- •3.2.2. Случайные погрешности
- •3.3.3. Область применения индукционных датчиков
- •3.4.2. Особенности конструкции емкостных датчиков
- •3.4.3. Практические замечания
- •Глава 4
- •4.4.1. Функциональная схема прибора ЭЛУРА-5
- •4.4.3. Оборотная развертка
- •4.4.4. Строчная развертка и временная задержка
- •4.4.5. Преобразователь частоты вращения в напряжение (ток)
- •4.7.1. Функциональная схема прибора ЦИКЛ
- •4.7.2. Принципиальная схема прибора ЦИКЛ
- •5.1.3. Расшифровка результатов измерений
- •5.2.1. Индикация обрыва и повреждения лопатки
- •5.2.3. Измерение упругой раскрутки лопаток рабочего колеса
- •5.2.4. Измерение закрутки валов
- •5.3.1. Определение природы колебаний лопаток с помощью прибора ЭЛУРА
- •5.3.2. Индикация уровня колебаний лопаток
- •5.3.3. Измерение амплитуды колебаний лопаток
- •5.3.6. Измерение крутильной составляющей колебаний (коэффициентов разворота)
конструкция могут быть изменены. Так, например, датчики, рабо тающие в последней ступени крупной паровой турбины, имеют наружный диаметр 2 0 мм и длину 80 мм, причем число витков ка тушки датчика доведено до 2000. Это объясняется тем, что лопат ки таких турбин обычно имеют разные длины, в результате чего зазор между датчиком и лопаткой, имеющей наименьшую длину, может достигать 3 мм. С другой стороны, лопатки этого рабочего колеса турбины имеют значительные размеры: длина хорды пери ферийного сечения достигает 0,5 м. Поэтому в данном случае раз меры датчика по сравнению с хордой лопатки по-прежнему оста ются незначительными, но их абсолютное увеличение позволяет резко увеличить чувствительность датчика. Увеличение чувстви тельности датчика требуется еще и потому, что для предотвраще ния эрозии датчика капельками конденсирующегося пара он снабжается титановым колпачком.
Другой вариант конструкции индукционного датчика приведен на рис. 3.5, б. Этот датчик предназначен для работы в малогаба ритной ступени осевого компрессора, имеющей наружный тонко стенный стальной корпус. Поэтому размеры датчика уменьшены и он не вворачивается в корпус на резьбе, а крепится двумя болти ками. Кроме того, стенка корпуса турбомашины является состав ной частью его магнитопроводящей системы.
При больших размерах исследуемого рабочего колеса с успе хом можно использовать индукционные датчики, выпускаемые датской фирмой «Брюль и Къер», а также фирмой RFT (ГДР). Эти датчики генерируют импульсы хорошей формы при амплиту де в несколько вольт, но имеют большие размеры (диаметр 2 0 мм).
3.3.3. Область применения индукционных датчиков
Индукционный датчик является генераторным и не нуждается в подводе внешнего питания. Обычно он обладает сравнительно низким внутренним сопротивлением (несколько десятков ом), что обеспечивает его высокую помехоустойчивость. Эти достоинства индукционных датчиков, а также простота их конструкции дела ют желательным их применение во всех случаях, когда это воз можно. Поэтому обычно в качестве оборотного и корневого дат чиков используют датчики индукционного типа.
Однако индукционные датчики обладают двумя существенны ми недостатками. Прежде всего датчики индукционного типа мо
гут работать лишь с лопатками |
из ферромагнитного материала, |
что исключает их применение |
для исследования турбомашин с |
лопатками из неферромагнитных материалов, например из тита |
на. Правда, при Кратковременных испытаниях на торцы лопаток можно наносить ферромагнитный слой, например железный по рошок с клеем кли никелевое покрытие. Такая технология в нас тоящее время еще недостаточно отработана. Нанесение железно
го порошка с эпоксидным клеем можно рекомендовать для стек лопластиковых лопаток, так как здесь можно ожидать прочного
контакта клея с материалом лопатки.
Другим недостатком индукционных датчиков является ограни чение по температуре, при которой они сохраняют работоспособ ность. Обычная изоляция обмотки катушки датчика выдерживает температуру не более 140 .160° С. Применение специальных ви дов изоляции, а также пропитка катушек высокотемпературными лаками позволяют сохранить работоспособность датчика до тем пературы 700° С. Выше этой температуры (точка Кюри) материал сердечника начинает терять магнитные свойства. Принципиально возможно использование охлаждения индукционных датчиков, но это значительно усложнило бы их конструкцию и вряд ли оказа лось практичным.
3.4. ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК
3.4.1. Основные положения
Рассмотрим электрическую схему цепи емкостного датчика, которая представлена на рис. 3.6, а.
Емкость Сд «датчик—лопатка» соединена с «землей» не непо средственно, а через масляный слой подшипников. Фактически подшипники представляют собой конденсаторы, суммарная ем
а )
Рис. 3.6. Электрическая схема цепи емкостного датчика (а) и ее эквивалентная схема (б)
кость которых на несколько порядков выше емкости датчика. По этому для импульса тока, вырабатываемого датчиком, полным согротивлением подшипника можно пренебречь.
Сам датчик и провод, соединяющий его пластину с нагрузоч ным сопротивлением (т. е. цепь), обладают сравнительно боль шой емкостью Сц относительно «земли». Эта емкость шунтирует рабочую емкость датчика Сд — уменьшая амплитуды и искажая форму его сигнала. Параллельно емкости Сц включена входная емкость нагрузки Свх. Обе эти емкости образуют общую паразит ную емкость Сп=Свх + Сц, шунтирующую рабочую емкость дат чика Сд.
Нагрузкой датчика является сопротивление цепи Rl{. Последо вательно с ним включено сопротивление RE— внутреннее сопро тивление источника питания. Импульс напряжения снимается с нагрузки /?ц> которая должна быть не менее нескольких сотен килоом для того, чтобы при малых токах заряда и разряда рабочей емкости получать сравнительно большое напряжение. При такой величине Rn входное сопротивление следующей цепи должно быть как минимум несколько мегом. Поэтому между датчиком и изме рительным прибором необходимо включать катодный или эмиттерный повторитель, что одновременно уменьшает емкость нагрузки
ОвхЭквивалентная схема цепи датчика изображена на рис. 3.6, б.
На схеме емкость С представляет собой сумму емкостей
|
|
|
C = C A(t) + Ca, |
|
|
|||
где |
Сд(/) — рабочая емкость датчика, |
которая |
изменяется |
от О |
||||
До Cm3LX; |
Сп=Сц+Свх — постоянная |
паразитная емкость, |
а соп |
|||||
ротивление Rn=—Rn~\~ RE' |
|
|
|
|
|
|
||
|
Для этой цепи можно записать UC+ U R = E |
|
|
|||||
или |
|
|
|
(Jc -\-iRH= E. |
|
(3. 1 0 ) |
||
Заряд рабочей емкости |
|
qc — CUс, |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
откуда ток в зарядной цепи |
|
|
|
|
|
|||
|
|
, = |
dt |
^ |
с |
I |
|
ГЗ.Ш |
|
|
|
dt |
dt |
|
' |
||
|
Подставив значение тока из (3.11) в (ЗЛО), |
получим уравне |
||||||
ние, описывающее цепь датчика |
|
|
|
|
||||
|
|
|
+ |
|
|
|
(3.12) |
|
|
Для удобства введем следующие безразмерные величины: от |
|||||||
носительное напряжение |
|
U=U/E |
|
(3.13) |
||||
и безразмерное время |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
x=t/T, |
|
|
(3. 14) |
|
где |
Т |
---- время |
прохождения |
лопаткой |
расстояния, |
рав- |
2 и*
ного радиусу датчика.
Очевидно, что величина х одновременно является безразмер ным мгновенным расстоянием от конца лопатки до геометриче ской оси датчика:
-2 х
Х ~ Dm
Выражая в уравнении |
(3.12) |
время |
t и напряжение |
U через |
||
их безразмерные аналоги (3.13) |
и (3.14), получим |
|
||||
-^ -+ 7 7 /'— |
+ — |
W |
— . |
(3.15) |
||
dt |
\ С |
dx |
' R„C I |
R„C |
|
Представим емкость С в виде
С = Сл (/) + С„= Слпих [Ся (X) + С„].
Здесь |
Сд тах — емкость датчика |
в тот момент, |
когда |
лопатка |
|||
пересекает ось датчика; |
|
|
|
|
|||
|
|
|
С л Н |
сА х ) |
С|( |
|
|
|
|
|
£*дшах |
сдшах |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Подставив выражение для С в (3.15), получим |
|
|
|||||
d{_ I и |
__ 1 __ |
Г |
т |
1 dC ^ x) |
J |
_ |
(3.16) |
dx |
Сд + С;| |
L ^цСдщах |
dx |
J ^нСдтах [Сд {х) -f- Си] |
|
Таким образом, сигнал датчика определяется двумя парамет рами: отношением паразитной емкости к амплитуде изменения емкости
QС||
Сд щах
иотношением времени прохождения лопаткой радиуса датчика DBll/2 к постоянной времени цепи
|
ЛнСдщах |
|
|
|
|
Кроме того_ решение уравнения (3.16) |
зависит |
от |
безразмер |
||
ной функции Сд(х). Для |
определения вида |
этой |
функции были |
||
поставлены специальные |
эксперименты. |
На |
макете |
металличе |
ская пластина, имитирующая лопатку, устанавливалась в различ ные положения по отношению к электроду датчика и измерялась емкость этой пары в функции их взаимного расположения.
Обработка результатов этих экспериментов показала, что эта
зависимость хорошо аппроксимируется функцией |
е~х\ так что |
^ Й = с лп,ахе х р (-л 2). |
(3.17) |
После подстановки в уравнение (3.16) выражения для функ ции Сп(х) в виде (3.17) получается окончательное уравнение для расчета
^+ =------------— [Г—2хехр(—х 2)} = = ------------
dx |
С„ + ехр (—х2)1 |
С„ + ехр (—JC^) |
Результаты численного решения этого уравнения представле ны на рис. 3.7 для трех значений приведенной паразитной емко сти Сп=10; 100 и 1000 при Г=100. На рисунке видно, что им пульс напряжения имеет биполярную форму с крутым фронтом и
|
Рис. 3.8. Зависимость запаздывания А* от параметров Т и |
Рис. 3.7. Форма сигнала емкостного датчика |
Сп |
в зависимости от_величины паразитной ем |
|
кости Сп при 7=100 |
|
Oi
О