Устройство для определения технического состояния нагнетателя

Изобретение относится к технической диагностике газоперекачивающих агрегатов и используется для определения технического состояния по мощности нагнетателей природного газа газотурбинных агрегатов.Цель изобретения - повышение точности работы устройства путем учета режимов и условий работы нагнетателя,На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.Устройство для определения технического состояния нагнетателя содержит установленный над измерительной шестерней 1 индукционный датчик 2 частоты вращения, подключенный к последовательно соединенным выпрямителю 3; усилителю-ограничителю 4, формирователю 5 импульсов и ждущему мультивибратору 6, последовательно соединенные инвертор 7, интегрирующий усилитель 8, следящий полосовой фильтр 9, усилитель 10 и стрелочный индикатор 11, установленный на валу турбокомпрессора маятниковый антивибратор 12, вход инвертора 7 подключен к выходу ждущего мул ьтивибратора 6.Размеры антивибратора 12 выбираются из соотношенияерш-ф - 1) - 1,/1, где г - расстояние от оси вращения ротора до оси, вокруг которой колеблется маятник антивибратора;. Ь - длина маятника антивибратора; В - безразмерная собственная частота крутильных колебаний ротора;1 а - маховый момент инерции шестерни и антивибратора;1 р - маховый момент инерции ротора нагнетателя и турбины низкого давления.Кроме того, устройство содержит блок 13 питания, а также встроенные калибратор 14 и переключатель 15 контроля, предназначенные для обеспечения самоконтроля устройства. На чертеже показаны также рабочие лопатки 16, измерительные зубцы 17 измерительной шестерни 1 и ротор 18 нагнетателя.Устройство работает следующим обра эоПоток рабочего тела в газотурбинных нагнетателях неоднороден, так как скорость, давление и другие параметры не одинаковы в различных точках колеса нагнетэтеля. Неоднородность потока по окружности вызывается аэродинамическими решетками и возникает из-за концевых потерь врешетках. Лопатки вращающегося рабочего колеса создают переодический поток с частотой, кратной частотам гр 1 и гн, где гр и лн - число рабочих и направляющих лопаток ко леса нагнетателя; 1 - частота вращения ротора. Неоднородный поток создает периодические возмущающие силы с указанными частотами. действующими на лопатки рабочего колеса, Из известного выражения для 10 отношения динамической возбуждающей силы к статической, переходя от сил к моментам и суммируя моменты отдельных лопаток, можно получить выражение для отношения динамической соСтавляющей кру тящего момента Мд к статическому моменту Мст на колесе нагнетателя Мд К К 2 КзК 45 сна - сщМст х (ст 9 Р 2 + с 19 )где К 1 - безразмерный коэффициент дина мической силы;К 2 = 0,436- коэффициент неоднородности скоростей;Кз = 0,18-0,2 - коэффициент кромочныхпотерь в решетке; 25 К 4 - безразмерный коэффициент суммирования момента отдельных лопаток; х - толщина выходной кромки лопатки; Я - осевое расстояние между направляющими и рабочими лопатками; 30 а,ф 1 - угол наклона абсолютной и относительной скорости газа на входе в рабочие лопатки;Д - угол наклона относительной скорости газа на выходе из рабочих лопаток, 35 Коэффициент суммирования момента К 4 зависит от числа направляющих и рабочих лопаток колеса нагнетателя и при 2 Р = г равен К 4 = 1, так как используется алгебраическая сумма, Если г = ь, то суммирова ние является геометрическим (по правилу параллелограмма) и Ка1.Это обусловлено тем, что процесс обтекания колеса газом, выходящим из каждой лопатки направляющего аппарата, одина ков, однако в общем случае сдвинут во времени на угол 2 7 г/г. При обтекании каждая следующая лопатка направляющего аппарата возбуждает силу со сдвигом во времени, равным времени запаздывания, умно женному на 2 и деленному на период про- цесса. Суммарный крутящий момент от дей ствия возмущающих сил всех лопаток содержит лишь гармоники, кратные числу рабочих лопаток. Это означает, что рабочие лопатки колеса в этом случае являются фильтром и пропускают колебания динамического момента только с частотами, кратными гр 1, Таким образом, для однотипного агрегата величина К 4 = сопз 1.Углы а 1 и Р 1 всегда являются условно постоянными, а угол 82 зависит от режима работы. Величина угла 31 = л/2, и сщ 9 Р 1 = О. Кроме того, на переменных режимах, когда появляется приращение угла631 при изменении статического крутящего момента, можно показать, что ст 9 ф 1Ьф 1) = с 19 Д 1. Таким образом, 6 является постоянной величиной для данного типа турбомашины и составляет 6 = 0,1 - 0,16, а изменение крутящего момента происходит только за счет изменения скорости потока газа, плотности и расхода, т,е. ухудшения технического состояния турбомашины.Динамический крутящий момент вызывает крутильные колебания ротора нагнетателя, образующие спектр сложного сигнала угловой скорости вращения. Составляющие спектр колебания проходят по валопроводу независимо друг от друга и, следовательно, в спектре угловой скорости присутствуют все гармонические составляющие, кратные частоте вращения ротора. Интенсивные крутильные колебания валопровода, величину изменения угловой скорости которых можно зарегистрировать, вызываются крутящим моментом с частотой гр 1, так как рабочие лопатки колеса являются фильтром. Все остальные гармоники крутящего момента, а следовательно и угловой скорости, относятся к неизбежным помехам измерения,. Так как мощность агрегата пропорциональна скорости вращения ротора нагнетателя, жесткости на кручение и амплитуде угла закручивания ротора, то коэффициент технического состояния по мощности можно представить в видеМн РнК= - = - ,э ,Ргде йэ, Йн - Эталонная и измеренная мощности агрегата;дЪ, Ъ - эталонная и измеренная амплитуды угла закручивания ротора нагнетателя в месте установки датчика для измерения на частоте гр 1.Измеряя амплитуду угла закручивания уЪ или амплитуду мгновенной угловой скорости на частоте гр 1, с помощью приведенного соотношения можно получить значение коэффициента технического состояния нагнетателя по мощности.Изменения интенсивности составляющих спектра на частотах, кратных при изменении мощности нагнетателя, носят линейную зависимость,Динамическая составляющая од угла закручивания в зависимости от статической составляющей с равна55 условия Й 1 = 1, определяется коэффициентом Кт =где Г - расстояние от оси вра 1 Ьщения ротора до оси, вокруг которой колеблется маятник; Ь - длина маятника, который определяется из соотношения 1 Е12й) совОд= р Х1 =11 1212где- длина ротора;- расстояние по длине ротора от местаприложения возмущающего момента до ТОЧКИ УСтаНОВКИ ДатЧИКа; 1 с, й 1 = г У 1 с - абсолютная и относительная собственная 10круговая частота крутильных колеб 1 ий ротора;д - логарифмический декремент затухания.Повысить точность измерений угла закручивания ротора можно за счет увеличения коэффициента динамичности, Максимальное значение амплитуды для закручивания будет на резонансном режиме, когда гр 1 = 1 с, т.е, Й 1 = 1.12 сов 1 л 1В этом случае ад=с . Таким2 2 уобразом, при максимальных значениях коэффициента динамичности л/д = 33. когда логарифмический декримент затухания равен д = 0,105, и при максимальных значениях 6 = 0,16 обеспечивается максимальный коэффициент усиления динамической составляющей угла закручивания по сравнению со статической составляющей, образованной полным крутящим моментом 0,16 х х 30 = 4,8. Принятое значение декремента затухания соответствует суммарному механическому и аэродинамическому демпфированию, причем в лопатках аэродемпфирование существенно больше механического,Ввести систему в резонанс гр 1 = 1 с можно с помощью устройства, изменяющего собственную частоту системы, например, маховика, установленного в месте замера угла закручивания, Однако, эффект от введения инертной массы невелик, так как резонанс наступает с высокой собственной частотой кратности= г + 3. Это обусловле но тем, что частота вращения ротора и число лопаток велики, коэффициент динамичности мал л/д (.ф. 3), Поэтому применяется устройство для отклонения маховых масс при подходе к резонансу - маятниковый антивибратор, использующийся не для отклонения, а для настройки на резонанс. При этом порядок настройки маятникового антивибратора, обеспечивающий выполнение"Ь-(В 1) пают на вход ждущего мультивибратора 6, который их преобразовывает в импульсы стандартной длительности. С выхода ждугде Ь - маховый момент инерции антивибратора и шестерни с измерительными зубцами;р - маховый момент инерции ротора нагнетателя и ротора турбины низкого давления, вращающего через упругую форму ротор нагнетателя,Последнее соотношение может быть получено из равенства собственной частоты крутильной системы с антивибратором и частоты кратности кя вращения ротора 1 = гя 1. В этом случае антивибратор увеличивает инертную массу и понижает собственную частоту крутильной системы.Таким образом, для определения технического состояния по мощности используется измерительная система фиг.1) амплитуды угла закрутки ротора на частоте р 1 и ротор с рабочими лопатками 16 колеса нагнетателя, оснащенный антивибратором 12. Для измерения угла закрутки устройство снабжено шестерней 1 с измерительными зубцами 17.Замер угла закрутки шестерни производится по величине изменения периода следования импульсов, вырабатываемых индукционным датчиком 2, установленным над шестерней 1, при прохождении зубцов 17. Частота следования зубцов выражается зависимостью 1 = 2 1 гш, где гш - число зубьев шестерни 1.Датчик 2 вырабатывает импульс от каждой входной и выходной кромки зуба, Число зубьев 17 шестерни 1 выбирается из соотношения 2 гркш5 гр. Такое соотношение частбт позволяет испольэовать частоту следования импульсов 1 н в качестве несущей, которая модулируется частотой ляг с последующей ее демодуляцией, Период следования импульсов преобразуется время-амплитудным преобразователем в направление. Для этого импульсы выпрямляются выпрямителем 3, усиливаются усилителем 4, проходят формирователь 5 импульсов и постущего мультивибратора 6 импульсы поступают последовательно на инвертор 7, интегрирующий усилитель 8 и на вход следящего полосового фильтра 9, настроенного на частоту пропускания сигнала р 1. Отфильтрованный полезный сигнал с полосой пропу 10 скания тра усиливается усилителем 10 и регистрируется на стрелочном индикаторе 11, проградуированном в единицах угла закрутки шестерни или в единицах величины коэффициента технического состояния нагнетателя по мощности.Измеренный результат через аналогоцифровой преобразователь может подаваться на индуцирующее устройство. Питание устройства осуществляется от блока 13 питания, Встроенный калибратор 14 и переключатель 15 контроля обеспечивают самоконтроль устройства,Применение предлагаемого устройства в промышленности обеспечивает своевременное выявление возможных неисправностей нагнетателя и позволяет увеличить срок эксплуатации нагнетателя,15 20 25 Формула изобретения 30 Устройство для определения технического состояния нагнетателя, содержащее установленный над измерительной шестерней индукционный датчик частоты вращения, подключенный к последовательно соединенным выпрямителю, усилителю-ограничителю, формирователю импульсов и ждущему мультивибратору, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности путем учета режимов и условий работы нагнетателя, оно дополнительно содержит последовательно соединенные инвертор, интегрирующий усилитель, следящий поло- совой фильтр, усилитель и стрелочный индикатор, установленный на валу турбокомпрессора маятниковый антивибратор, вход инвертора подключен к выходу. 35 40 45 Составитель В.КолясниковРедактор Т.Парфенова Техред М,Моргентал Корректор С,Шекмар Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101 Заказ 923 Тираж 357 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5