Следует отметить, что реализация квазипараллельных измерений, преобразований и вычислений может потребовать распределенной обработки информации, поскольку перечисленные вычислительные операции связаны с большими информационными потоками. Разумеется, приведенные соображения не исключают применения в системах одного, но достаточно быстродействующего процессора.
Алгоритмы моделирования. Одной из значимых процедур в реализации методов измерений КС торцов лопаток и определения деформаций статора является моделирование упругих и температурных деформаций вращающихся ЭК ГТД [9, 12-14]. Очевидно, что разработка таких моделей требует привлечения соответствующих специалистов в области создания и исследования ГТД. Более того, алгоритмы расчета моделей напрямую зависят от решаемых системой измерения задач и потому плохо поддаются какой-либо типизации. В то же время можно сформулировать основные требования и рекомендации, которым должны удовлетворять указанные модели.
Очевидно, что быстродействие систем, реализующих рассматриваемые в статье методы сбора и обработки измерительной информации о смещениях и деформациях ЭК ГТД, во многом определяется скоростью расчета указанных моделей. В этой связи основным требованием, предъявляемым к соответствующим алгоритмам моделирования, является их быстродействие - все расчеты должны осуществляться в реальном времени. Второе немаловажное требование к алгоритмам моделирования связанно с ограниченностью в вычислительных ресурсах систем измерения. Поэтому указанные алгоритмы не должны быть требовательны к объемам оперативной памяти, процессорному времени и т.п. В общем случае выполнение этих требований достигается за счет применения упрощенных моделей (аналитических или численно разрешимых), моделей идентификации [19] и моделей, построенных на новых принципах, в том числе нечетких логических моделей [7, 20].
Алгоритмы вычислений деформаций статора, смещений его г.ц. и биений ротора. Одной из задач измерений, реализуемых в системах рассматриваемого класса, является нахождение деформаций статора и смещений его г.ц. относительно оси ротора. Определение искомых параметров осуществляется по результатам измерений РЗ, выполненных с помощью четырех кластеров ОВТД, размещенных на статоре двигателя с равномерным угловым шагом и результатам моделирования удлинения лопаток рабочего колеса с учетом их геометрии, физических параметров материалов, текущих значений температуры и скорости вращения ротора ступени ГТД [12-14]. При этом определение деформаций статора может происходить как в условиях биений колеса ротора турбины или компрессора, так и при их отсутствии.
Если биения колеса ротора отсутствуют, то искомые деформации определяются по результатам измерения физических значений зазоров на холодной прокрутке, а также в рабочем режиме с учетом начальных и рабочих смещений г.ц. статора, и определяемых на основе моделей изменений РЗ, обусловленных упругими и температурными вытяжками колеса ротора. Исходными данными для алгоритма являются значения РЗ между торцами контролируемых лопаток и г.ц. всех четырех кластеров ОВТД, полученные в ходе холодной прокрутки ротора от стартера после сборки и монтажа исследуемой ступени, значения РЗ на рабочем режиме функционирования ГТД, а также результаты моделирования изменений РЗ из-за упругих и температурных деформаций элементов конструкций ротора. На начальном этапе работы алгоритма производится вычисление координат смещений г.ц. статора после сборки и монтажа в режиме холодной прокрутки, а затем, после вычисления изменений РЗ относительно их начального значения, производится расчет искомых деформаций статора. Полученные результаты сохраняются в памяти системы.
Наличие биений колеса ротора приводит к тому, что в режиме холодной прокрутки и в рабочем режиме зазоры являются функциями угла поворота ротора и имеют колебательный характер с периодом, равным периоду вращения. В этом случае операции, связанные с определением смещений г.ц. статора и его деформаций, могут быть проведены только после получения информации о зазорах по всем лопаткам контролируемого колеса и их последующего усреднения. Алгоритм вычисления деформаций статора, смещений его г.ц. и биений ротора приведен на рис. 2. Исходными данными для алгоритма являются массивы начальных (полученные в ходе холодной прокрутки ротора ГТД от стартера) значений РЗ между торцами контролируемых лопаток и г.ц. всех четырех кластеров ОВТД (c01[1.. nл]…c04[1..nл]), массивы значений РЗ, полученные в рабочем режиме (cр1[1..nл]…cр4[1..nл]), результаты моделирования изменений РЗ из-за упругих и температурных деформаций элементов конструкций колеса ротора компрессора (турбины) (cГТД), а также общее число лопаток (nл).
Рис.2
газотурбинный деформация моделирование
На первом этапе работы алгоритма (блоки 3-9) в цикле по всем четырем контролируемым точкам производится усреднение результатов измерений РЗ соответствующими кластерами ОВТД после сборки и монтажа при холодной прокрутке ротора (блок 5) и в рабочем режиме (блок 7), определяются максимальные и минимальные значения РЗ (блоки 4, 6 соответственно), рассчитываются биения колеса ротора (блок 8), а также вычисляются изменения измеренных РЗ относительно их начального значения на неработающем двигателе (блок 9). При этом с целью учета возможной разности в длинах лопаток расчет биений осуществляется относительно г.ц. всех четырех кластеров ОВТД с последующим усреднением полученных результатов (блок 10).
Блоки 11-13 аналогичны соответствующим блокам алгоритма вычисления смещений г.ц. и деформаций статора при отсутствии биений с той лишь разницей, что при расчетах используются не мгновенные значения РЗ, а результаты их усреднений, полученные на первом этапе работы алгоритма.
Результаты расчета деформаций статора, смещений его г.ц. и биений ротора сохраняются в памяти системы (блок 14).
Заключение
газотурбинный деформация моделирование
Предложена обобщенная структурно-функциональная схема систем измерения, реализующих широкий спектр методов получения информации о смещениях торцов лопаток ротора и деформациях статора ГТД. Разработаны типовые алгоритмы функционирования систем, в том числе алгоритмы управления преобразованиями и вычислениями КС смещений, моделирования и определения деформаций статора, смещений его г.ц., а также биений колеса ротора контролируемой ступени компрессора или турбины ГТД.
Библиографический список
1.Управление радиальными зазорами в турбокомпрессорах авиационных ГТД / Н.Д. Кузнецов, В.П. Данильченко, В.Е. Резник. - Самара: Самар. авиац. ин-т., 1991. - 109 с.
2.Прокопец А., Ревзин Б., Рожков А. Необходимость диагностирования радиальных зазоров в проточной части газотурбинных двигателей // Газотурбинные технологии. - 2004. - №4. - С. 5-7.
3.Lattime S., Steinetz B. Turbine Engine Clearance Control Systems: Current Practices and Future Directions // Proc. of the 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, Indiana. - 2002.
4.De Castro J., Melcher K. A Study on the Requirements for Fast Active Turbine Tip Clearance Control Systems // Proc. of the 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Fort Lauder-dale, Florida. - 2004.
5.Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. Вихретоковые датчики зазоров с чувствительными элементами в виде отрезка проводника // Приборы и системы управления. -1996. - №8. - С. 27-30.
6.Беленький 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 Междунар. конф. - Самара: Самар. науч. центр РАН. -2004. -С. 437-443.
7.Методы и средства измерений многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев, Л.Б. Беленький, С.Ю. Боровик, Б.К. Райков, А.В. Слепнев, В.В. Тулупова / Под ред. Ю.Н. Секисова, О.П. Скобелева. - Самара: Самар. науч. центр РАН, 2001. - 188 с.
8.Измерения и вычисление координатных составляющих многомерных перемещений торцов лопаток в процессе вращения ротора / С.Ю. Боровик, Ю.Н. Секисов, О.П. Скобелев, В.В. Тулупова // Автометрия. - 2001. - №2. - С.103-111.
9.Боровик С.Ю., Райков Б.К., Тулупова В.В. Система измерения радиальных смещений торцов лопастей винтовентилятора // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2004. - №7. - С. 29-35.
10.Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. Принципы построения систем сбора, преобразования и обработки информации для экспериментальных исследований винтовентиляторов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. - №3. - С. 28-34.