аппаратура преобразования и передача в ЭВМ измеряемых времен­ ных интервалов при большом числе датчиков окажется очень гро­ моздкой. Поэтому целесообразно найти метод обработки, позволя­ ющий ограничить в разумных пределах число датчиков за счет потери части информации или путем использования априорных сведений о колебаниях лопаток.

Рассмотрим с этой точки зрения основные виды колебаний.

2.8.1. Узкополосные колебания лопаток с частотой, не кратной частоте вращения

Пусть лопатка колеблется по одной из своих собственных форм с амплитудой, изменяющейся так, что период ее изменения боль­ ше времени одного оборота ротора. Такие колебания представляют собой узкополосный процесс с центральной частотой /, равной соб­ ственной частоте лопатки, и с шириной полосы Д /= /в—/н, опреде­ ляемой скоростью изменения амплитуды колебаний. Для упроще­ ния дальнейших рассуждений будем оперировать не абсолютными частотами, а кратностями я и их разностями Д = я в—я„. Тогда рас­ сматриваемые колебания будут характеризоваться тем, что я не целое число, а Д<С 1.

Представим я в виде п=[п]+ {/г}, где [я] — ближайшее к я це­ лое число, {я} — дробная часть я, не превышающая 1/2. Пусть в результате измерения таких колебаний в памяти ЭВМ записаны N' значений относительных перемещений yi каждой лопатки, из­ меренных одной парой датчиков Дн—Дп по схеме на рис. 2.2. При­ менив к этим значениям дискретное преобразование Фурье, полу­

таточно одновременно записать результаты измерений, полученных с помощью еще одной пары датчиков Дк—Дп, сдвинутых по враще­ нию относительно первой пары на известный угол а. Эти измере­ ния будут характеризовать тот же процесс с запаздыванием на ве­

личину At = ----TQ. 2л

Следовательно, преобразование Фурье, полученное по резуль­ татам измерений второй парой датчиков, будет отличаться от пер­ вого лишь спектром фаз.

Определим сдвиг фаз для составляющей с частотой /:

Д«р = 2я/Д / = 2 я / — Т0=ап. 2л

Вычислив разность фаз спектральных составляющих, можно определить их частоты. На практике удобнее разность фаз опреде­

лять через взаимный спектр, вычисленный по результатам измере­ ний первой и второй парами датчиков.

Заметим, что, поскольку разность фаз определяется с точностью до я, угол а между датчиками должен выбираться исходя из мак­ симальной ожидаемой кратности частот /гтах в спектре колеба­ ний — из соотношения а/гтах<л.

Описанный метод может быть использован и в том случае, если лопатки колеблются по двум и более формам при условии, что дробная часть кратности {п } для каждой формы различна.

2.8.2.Узкополосные вынужденные колебания лопаток

счастотой, кратной частоте вращения

При вынужденных колебаниях относительные перемещения, из­ меренные двумя парами датчиков, будут содержать постоянные составляющие

У\ = Л sin ср, уг— А sin (ая + ср),

где п — целая кратность.

Определить амплитуду А и фазу <р из этих уравнений можно,

Если величина п заранее не известна, то ее можно найти по взаимному спектру результатов измерения. Действительно, хотя бы одна из лопаток венца будет содержать кроме основной частоты боковые составляющие. Их частоты, определенные по фазе взаим­ ного спектра, укажут значение целой кратности п.

Естественно, что выделить две и более составляющие с целыми значениями п нельзя.

2.8.3. Широкополосные колебания лопаток

Если в спектре колебаний нет явно выраженных узкополосных составляющих, то спектр колебаний не представляет интереса. Для этих колебаний достаточно определить плотность распределения амплитуд, которая хорошо характеризует вибронапряженность ло­ паток.

На этом закончим изложение основных сведений о дискретно­ фазовом методе измерения колебаний лопаток турбомашин и пе­ рейдем к практическим аспектам реализации использования при­ боров, основанных на этом методе.

Глава 3

ИМПУЛЬСНЫЕ ДАТЧИКИ

Основой дискретно-фазового метода измерения является опре­ деление моментов времени, когда конец лопатки или какая-либо другая ее часть проходит при каждом обороте ротора определен­ ную точку пространства. Для индикации этих моментов использу­ ются так называемые импульсные датчики, расположенные на не­ подвижных частях турбомашины — чаще всего в корпусе над рабо­ чим колесом. При прохождении мимо него элемента лопатки такой датчик должен вырабатывать электрический импульс с возможно меньшей длительностью и амплитудой, достаточной для передачи сигнала в электронную часть устройства при наличии помех в сое­ динительной линии.

Импульсные датчики должны работать в довольно сложных фи­ зических условиях. Так в последних ступенях многоступенчатых компрессоров и паровых турбинах они располагаются в области сравнительно высоких температур и давлений. Кроме того они мо­ гут подвергаться эрозии частицами, находящимися в воздухе и от­ брасываемыми на периферию рабочего колеса центробежными си­ лами. В последней ступени паровой турбины эрозия датчиков мо­ жет возникать от капелек конденсата. Особое значение это имеет для штатных датчиков, которые должны сохранять работоспособ­ ность на протяжении всего времени эксплуатации турбомашины. Кроме механической надежности датчиков не менее важна их электрическая надежность.

В зависимости от материала, из которого изготовлены лопатки рабочего колеса, используют три основные группы импульсных датчиков. Это, во-первых, датчики для лопаток из магнитных Ма­ териалов, главным образом для стальных лопаток. Во-вторых, — датчики для лопаток из токопроводящих материалов — как прави­ ло, металлов. И, наконец, датчики для лопаток из синтетических материалов (стеклопластика и пр.)« В отдельных случаях, исклю­ чительно для экспериментальных исследований прибегают к нане­ сению на торцевую поверхность лопатки из пластмассы или немаг­ нитного материала порошка железа, или тонкой стальной фольги. Для этих лопаток можно использовать датчики, применяемые Для стальных лопаток, т. е. индуктивные датчики, индуктивность кото­

рых изменяется при прохождении мимо них элемента лопатки, и индукционные датчики, содержащие постоянный магнит и обмотку, в которой при прохождении мимо датчика элемента лопатки инду­ цируется э. д. с.

Для всех видов металлических лопаток можно применять ем­ костные датчики. Изолированный от корпуса электрод емкостного датчика и элемент лопатки являются как бы пластинами конден­ сатора, емкость которого изменяется при перемещении лопатки.

Известно использование оптического датчика [87], в котором применяется волоконная оптика и светочувствительный элемент типа фотоэлемента, фотосопротивления или фотодиода, а также лазера [5]. Можно представить себе импульсный датчик, реагирую­ щий на частички радиоактивного элемента, закрепленные на кон­ цах лопаток и пр.

Из перечисленных выше типов импульсных датчиков наиболь­ шее распространение получили датчики индукционного и емкостно­ го типов. Это объясняется их простотой и надежностью в эксплу­ атации. Поэтому в дальнейшем подробно остановимся лишь на дат­ чиках этих двух типов.

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ ДАТЧИКАХ

Точность и разрешающая способность приборов ДФМ в основ­ ном определяется качеством сигналов импульсных датчиков и пра­ вильностью метода формирования границ временного интервала по их сигналам.

Современная электроника позволяет создавать устройства для измерения временных интервалов с разрешением до 10-8 с, поэто­ му даже при окружной скорости концов лопаток 500 м/с разреша­ ющая способность измерителя временных интервалов эквивалент­ на 500X 10~8= 0,005 мм.

Для того, чтобы получить такую же разрешающую способ­ ность всего прибора, необходимо, чтобы импульсы, формирующие границы временных интервалов, имели крутизну фронта того же порядка — 10-8 с. Кроме того важно, чтобы импульс с той же точ­ ностью совпадал во времени с моментом прохождения подвижной точки мимо выбранной неподвижной. Этим требованиям наилуч­ шим образом отвечают фотоэлектрические датчики. Однако на практике от такого типа датчиков приходится отказаться главным образом из-за загрязненности газовой среды в турбомашине.

Опыт показывает, что наиболее простыми и надежными явля­ ются индукционные и емкостные датчики.

Индукционный датчик (рис. 3.1, а) представляет собой намаг­ ниченный сердечник 1 из магнитотвердого материала, на который надета катушка 2. Сердечник с катушкой заключены в стальной корпус 3, причем сердечник и корпус образуют разомкнутый магнитопровод. При прохождении возбудителя или лопатки мимо дат­ чика изменяется магнитное сопротивление в цепи его магнитопро-

вода. Это вызывает изменение магнитного потока (см. рис. 3.1, б), что приводит к индуцированию в обмотке датчика э. д. с., пропор­ циональной скорости изменения магнитного потока (см. рис. 3.1, в).

Для генерации импульсов лопатками, выполненными из немаг­ нитных металлов, используется емкостный датчик (рис. 3.1, г). Он

Рис. 3.1. Устройство индукционного (а) и емкостного

(б)датчиков:

/—магнитный сердечник; 2—катушка; 3—корпус; -/—возбуди­ тель или лопатка; 5—пластина; 6—токосъемный ’ провод; 7—

корпус-изолятор. Зависимость от времени магнитного потока

представляет собой пластину 5 с токосъемным проводом 6, поме­ щенными в изоляционную втулку. Пластина образует одну из обк­ ладок конденсатора. Второй обкладкой служит торец лопатки 4. Электрическая цепь замыкается через подшипники вала и корпус турбомашины.

Когда лопатка находится далеко от датчика, емкость системы датчик—корпус мала, цепь разорвана и ток через нагрузочное соп­ ротивление RH не течет. По мере приближения лопатки к датчику емкость увеличивается и появляется ток заряда, который сначала возрастает, а затем начинает убывать и становится равным нулю

ющей способностью измерителя интервалов, т. е. не более 10“8с. Сформированный П-образный импульс запускает оконечный бло- кинг-генератор.

3.2. ПОГРЕШНОСТИ, ВНОСИМЫЕ ДАТЧИКАМИ

При измерении дискретно-фазовым методом возникают два ти­ па погрешностей, источниками которых являются датчики и фор­ мирователи границ временных интервалов, — систематическая и случайная погрешности.