Об одной частной задаче идентификации лопаток в процессе контроля состояния проточной части газо турбинного двигателя

Рассматривается задача "адресной" привязки результатов измерений пространственного положения торцов рабочих лопаток компрессора или турбины газотурбинного двигателя (ГТД) к конкретному конструктивному элементу силовой установки (лопатке) в процессе контроля состояния проточной части двигателя в условиях ограниченного применения технических средств диагностики и, в частности, невозможности установки датчиков углового положения вала, обеспечивающих синхронизацию опроса первичных преобразователей с периодом вращения ротора турбомашины. Типовыми примерами задач, требующих идентификации с последующей привязкой результатов измерений к каждой отдельной лопатке на контролируемом колесе ротора, являются диагностика срывных и помпажных явлений в компрессоре ГТД, детектирование попадания посторонних предметов в газовоздушный тракт двигателя, определение усталостного разрушения лопаток и т. п. Предлагаемое в статье решение основано на анализе уникального набора значений радиальных зазоров для полного ансамбля лопаток рабочего колеса ротора и сопоставлении текущего и предварительно снятого на этапе сборки "эталонного" образов контролируемого колеса турбокомпрессора. Рассматриваются два алгоритма определения условных порядковых номеров лопаток, не требующие отдельного канала синхронизации и использующие в качестве критериев для идентификации лопаток минимальное евклидово расстояние и максимальное значение функции взаимной корреляции между элементами образцового и текущего массивов кодов. Приводятся результаты проверки работоспособности обоих алгоритмов на лабораторном стенде с реальным колесом компрессора и показывается, что критерий на основе вычислений взаимокорреляционных функций обладает более высокой помехоустойчивостью, а потому является наиболее предпочтительным для практической реализации в реальных системах измерения. С учетом невысокой вычислительной сложности критерия его реализация возможна на нижнем (микропроцессорном) уровне системы измерения, что позволяет сократить аппаратурную избыточность технических средств систем контроля состояния газовоздушного тракта. 

1. Danilchenko V. P., Lukatchev S. V., Kovylov Y. L., Postnikova A. M., Fedorchenko D. G., Tsybizov Y. I. Engineering of aircraft gas-turbine engines, Samara, Samara Scientific Center of Russian Academy of Sciences, 2008, 619 p. (in Russian).

2. Inozemtsev A. A., Nihamkin M. A., Sandratskiy V. L. Fundamentals of the design of aircraft engines and power plants. Vol. 1: General information. Basic parameters and requirements. Structural and force diagrams, Moscow, Mashinostroenie, 2008, 199 p. (in Russian).

3. Kuznetsov N. D., Danil’chenko V. P., Reznik V. E. Radial clearance control in turbocompressors of aviation GTE, Samara, Samara Aviation Institute, 1991, 109 p. (in Russian).

4. Hong S., Schleer M., Abhari R. Effect of Tip Clearance on the Flow and Performance of a Centrifugal Compressor, Proceedings of the ASME/JSME 2003 4th Joint Fluids Summer Engineering Conference, Honolulu, 2003, vol. 2, pp. 563—569.

5. Lattime S. B., Steinetz B. M. High-Pressure-Turbine Clearance Control Systems: Current Practices and Future Directions, Journal of Propulsion and Power, 2004, vol. 20, no. 2, pp. 302—311.

6. Yang Y., Qiaoying L., Beiyi S., Xing G. Radical clearance analysis on the high-pressure compressor, 18th AIAA/3AF International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Tours, 2012.

7. Gelfenbejn L. S., Zuev V. N. Method for replacing a set of working blades of a turbine of a gas turbine engine, Patent RF, no. 2099541, 1995 (in Russian).

8. Makarov V. F., Sakaev A. H. Profile deep grinding of turbine blades on a CNC machine with continuous circle straightening, Vestnik UGATU, 2012, vol. 49, no. 4, pp. 52—58 (in Russian).

9. Prokopets A., Revzin B., Rozhkov A. The need for diagnosis of radial clearances in gas-turbine engines, Gazturbinnye technologii, 2004, vol. 31, no. 4, pp. 5—7 (in Russian).

10. Inozemtsev A. A., Bazhin S. V., Snitko M. A. Issues of optimizing the radial clearances in the TVD of an aviation GTE, Vestnik Dvigatelestroeniya, 2012, no. 2, pp. 149—154 (in Russian).

11. Kratz J. L., Chapman J. W., Guo T. H. A parametric study of actuator requirements for active turbine tip clearance control of a modern high bypass turbofan engine, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Charlotte, 2017, vol. 6.

12. Borovik S. Y., Raykov B. K., Sekisov Y. N., Skobelev O. P. Method for surge detecting and estimating parameters of surge oscillations in compressors of gas turbine plants, Patent RF, no. 2273831, 2006 (in Russian).

13. Borovik S. Y., Raykov B. K., Sekisov Y. N., Skobe lev O. P. Method for detecting torsional and bending displacements of the ends of the impeller blades of an axial compressor in studies of disruptive phenomena, Patent RF, no. 2320957, 2008 (in Russian).

14. Belopuhov V. N., Blinov A. V., Goldobin E. A., Kuteynikova M. M., Podlypnov P. E., Sekisov U. N. Single-coil eddy current sensors based technical state monitoring of components and assemblies of high-power power plants, Automatizatsiya v Promyshlennosti, 2024, no. 8, pp. 49—54 (in Russian).

15. Borovik S. Y., Danil’chenko V. P., Sekisov Y. N. Diagnostics of the fatigue state of the blades of turbine engine compressor, Proceedings of LX scientific and technical session on the problems of gas-turbines and combined cycle plants, Kazan, 2013, pp. 43—45 (in Russian).

16. Sekisov Y. N., Skobelev O. P., Belenki L. B., Borovik S. Y., Raykov B. K., Slepnev A. V., Tulupova V. V. Methods and tools for measuring of multi-dimensional displacements of power-plant constructional elements, Ed. Sekisov Y. N., Skobelev O. P., Samara, Samara Scientific Center of Russian Academy of Sciences, 2001, 188 p. (in Russian).

17. Kornouhov A. A., Pon’kin V. N., Husnullin V. H. The system for measuring the rotor speed of a gas turbine engine, Patent RF, no. 2416731, 2011 (in Russian).

18. Borovik S. Y., Ignachkov S. M., Il’inskij S. A., Raykov B. K., Sekisov Y. N., Tulupova V. V. System for radial clearances measuring in ducted propfan installation, Izvestiya Vuzov: Aviationnaya technika, 2004, no. 3, pp. 77—79 (in Russian).

19. Belopuhov V. N., Borovik S. Y., Podlipnov P. E., Sekisov Y. N. Method for blade numbers identifying in the process of radial clearances measuring between blade tips and the stator shell of a turbomachine, Patent RF, no. 2651623, 2018 (in Russian).

20. Belopuhov V. N., Borovik S. Y., Kuteynikova M. M., Podlypnov P. E. Structure and operation algorithms of the radial clearances measurement systems with self-compensation of temperature influences, Vestnik SAMGTU: Seriya Technicheskie Nauki, 2018, vol. 60, no. 4, pp. 52—65 (in Russian).

21. Borovik S., Sekisov Y. Single-Coil Eddy Current Sensors and Their Application for Monitoring the Dangerous States of Gas-Turbine Engines, Sensors, 2020, no. 20, pp. 2107.

22. Borovik S., Sekisov Y. Single-Coil Eddy Current Sensors. In Sensors, Measurements and Networks, Book Series: Advances in Sensors, vol. 8, IFSA Publishing, S. L., 2022, 19—48 p.

23. Borovik S., Kuteynikova M., Sekisov Y. Reducing the Impact of Influence Factors on the Measurement Results from Single-Coil Eddy Current Sensors, Sensors, 2023, no. 23, pp. 351.

24. Anisimov B. V., Kurganov V. D., Zlobin V. K. Image recognition and digital processing, Moscow, Vysshaya Shkola, 1983, 295 p. (in Russian).

25. Gutkin L. S. Theory of optimal radio reception methods in case of fluctuation interference, Leningrad, Gosenergoizdat, 1961, 488 p. (in Russian).

26. Ventcel’ E. S. Probability theory, Moscow, Vysshaya Shkola, 1962, 562 p. (in Russian).

27. Belkin V. M., Borovik S. Y., Danilchenko V. P., Sekisov Y. N. Prospects for the creation of radial clearance certification systems at the stage of assembly and production tests of gas turbines, Proceedings of LIV scientific and technical session on the problems of gas-turbines and combined cycle plants, SanktPeterburg, 2007, pp. 116—117 (in Russian).

28. Bendat J., Pirsol A. Measurement and analysis of random processes, Moscow, Mir, 1974, 463 p. (in Russian).

29. Gurskij E. I. Probability theory with elements of mathematical statistics. Study guide for universities, Moscow, Vysshaya Shkola, 1971, 328 p. (in Russian).

30. E-440. Technical description and operating instructions, Moscow, L-Card CJSC, 2003, 91 p. (in Russian).