Пристрій для контролю ерозійного зносу робочих лопаток парової турбіни в процесі експлуатації

Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використана в системах оперативного контролю та діагностики енергетичного устаткування ТЕС і АЕС, зокрема для вимірювання форми конструктивних елементів та ерозійного зносу лопаток парових турбін, а також вимірювання частот та переміщень коливань лопаток у процесі експлуатації. Необхідність забезпечення ефективної та надійної роботи ТЕС і АЕС вимагає розробки нових для енерговиробничої галузі високоінформативних методів і засобів неруйнівного контролю з діагностикою реального стану енергетичного устаткування ТЕС і АЕС. За даними ERPI на частку вимушених дорогих зупинок потужних парових турбін які пов'язані з руйнуванням робочих лопаток, доводиться 73% зупинок, при цьому частка зупинок через руйнування лопаток двох останніх ступенів становить 58%. Робочі лопатки парової турбіни в умовах постійних тривалих впливів паро-краплинного середовища, зазнають нестаціонарних навантажень неодноразового перевищення, що призводять до руйнування робочих кромок і зменшенню хорди лопаток. Тому, найважливішою умовою надійної роботи та продовження ресурсу експлуатації потужних парових турбін є своєчасне діагностування початкових стадій ерозійного зносу лопаткового апарата. Відомий пристрій для вимірювання ерозійного зносу робочих лопаток парової турбіни [А.с. СРСР №1666920, G01B11/24, 1991], що містить датчик, систему, синхронізації, систему обробки й аналізу даних. Датчик відомого пристрою включає імпульсне джерело світла, ендоскоп, фотореєстратор, вузол формування світлової або тіньової смуги і систему синхронізації у вигляді датчика положення робочих лопаток та вторинну електронну схему, вхід якої підключений до виходу датчика, а виходи - до керуючих входів імпульсного джерела світла та фотореєстратора. Несвоєчасне діагностування ерозійного зносу супроводжується структурними змінами і уносом матеріалу, що призводить до необоротного змінення геометрії лопаток. Тому, надійне функціонування лопаткового апарата турбіни, точність прогнозування залишкового ресурсу і терміну служби можливі тільки з використанням моніторингу вимірювання. Інформативність запропонованого способу обмежена, оскільки вимірювання змінення розмірів лопаток, зокрема величини хорди можливе тільки при зупинці турбіни або в процесі проведення ремонтних робіт. Відомий пристрій для вимірювання ерозійного зносу робочих лопаток парової турбіни [пат. РФ №2020411, G01D21/20, 1994, Бюл. №18], що містить датчик, систему синхронізації, систему обробки й аналізу даних. Датчик пристрою містить ендоскоп з реєстратором, імпульсне джерело світла з вузлом формування світлової або тіньової смуги і систему синхронізації, вхід якої підключений до датчика, систему обробки інформації, підключену до виходу системи синхронізації і реєстратора та підключений до виходу системи синхронізації, блок затримки, вихід якого підключений до імпульсного джерела світла. Датчик системи синхронізації виконаний у вигляді джерела та приймача світлового випромінювання, механічно пов'язаних з ендоскопом і розташованих по одну чи обидві сторони робочих лопаток турбіни. Пристрій має низьку чутливість до початкових стадій ерозійного зносу робочих лопаток, що знижує інформативність і вірогідність контролю, який проводять при зупинці турбіни. Найбільш близьким за технічною сутністю є пристрій для контролю дефектів [А.с. СРСР №1840088, G01N22/02, 17/00, бюл. №21, 2006], що містить послідовно встановлені приймально-передавальну антену, перший узгоджувальний елемент, спрямований відгалужувач, з'єднаний, через другий узгоджувальний елемент, з НВЧ-генератором, та детектор, з'єднаний зі спрямованим відгалужувачем, підключеним до блоку обробки відбитого сигналу. Пристрій включає мікросмужкову антену з ортогональним живленням, як узгоджувальні елементи атенюатори, один із яких включений між другим виходом спрямованого відгалужувача і першим входом мікросмужкової антени, послідовно з'єднані другий атенюатор та інвертор, включені між другим виходом спрямованого відгалужувана і другим входом мікросмужкової антени, а також додатковий низькочастотний генератор, перший і другий виходи якого з'єднані з керуючими входами першого та другого атенюаторів. У результаті векторного складання НВЧ енергії прямого та інвертованого сигналів із двох входів мікросмужкової антени, при обертанні поляризованої хвилі на 360° контролюють сигнал, відбитий від дефектів внутрішньої структури матеріалу. Пристрій працює в сантиметровому діапазоні довжин хвиль, відрізняється низькою чутливістю, вірогідністю та точністю вимірювання, оскільки призначений для контролю діелектричних матеріалів на присутність металевих структурних неоднорідностей і не дозволяє контролювати поверхні провідних матеріалів, тобто елементи лопаткового апарата. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу контролю ерозійного зносу робочих лопаток парової турбіни в процесі експлуатації та пристрою для його здійснення шляхом побудови функціональної схеми пристрою для формування заданого типу виразно орієнтованої електромагнітної хвилі міліметрового діапазону з автоматичним адресним визначенням геометричних характеристик і стану відбиваючої поверхні, тобто ступеня пошкодження елемента лопаткового апарата по діаграмі зворотного розсіювання відбитої хвилі без зупинок у процесі експлуатації турбіни, що дозволяє підвищити вірогідність і точність вимірювання ранніх стадій виникнення ерозійного зносу, а також підвищити надійність лопаткового апарата. Поставлена задача досягається тим, що в способі контролю ерозійного зносу робочих лопаток парової турбіни в процесі експлуатації шляхом зондування поверхні лопаток електромагнітною хвилею й обробки відбитого сигналу, відповідно до винаходу, зондування здійснюють у безперервному режимі квазіплоскою електромагнітною хвилею 4-міліметрового діапазону, сформованою хвилевідним трактом з елементами узгодження, в межах середньої зони дифракції з відстанню до об'єкта контролю 80-120 мм, а визначення ступеня ерозійного зносу здійснюють по зміненню діаграми зворотного розсіювання від контрольованої лопатки на поточний момент і момент вихідного стану. Поставлена задача досягається також тим, що в пристрої контролю ерозійного зносу робочих лопаток парової турбіни в процесі експлуатації, що містить послідовно встановлені, приймально-передавальну антену, перший узгоджувальний елемент, спрямований відгалужувач, з'єднаний через другий узгоджувальний елемент з НВЧгенератором, пов'язаним з детектором, і блок обробки відбитого сигналу, з'єднаний через детектор зі спрямованим відгалужувачем, відповідно до винаходу, пристрій включає систему синхронізації, оснащену датчиком положення, при цьому приймально-передавальна антена, виконана з рупором, в апертурі якого встановлена фазовирівнювальна лінза, перший з узгоджувальних елементів виконано штирьового типу, а другий - на феритовому вентилі. Пристрій включає систему синхронізації, оснащену датчиком положення, для забезпечення адресного контролю зносу кожної з лопаток. Приймально-передавальна антена, виконана з рупором, в апертурі якого встановлена фазовирівнювальна лінза для захисту хвилевідного тракту, зниження рівня бічних пелюстків і звуження ширини діаграми спрямованості. Перший узгоджувальний елемент виконано штирьового типу для компенсації, внесених у НВЧ тракт елементами пристрою відбиттів і настроювання за критерієм мінімуму відбитої хвилі. Другий узгоджувальний елемент, виконано на феритовому вентилі для розв'язки НВЧ-генератора по відбитій хвилі. Завдяки наявності фазовирівнювальної лінзи та узгоджувального елементу на феритовому вентилі в тракті сформована електромагнітна хвиля, фазові центри випромінювання поля якої суміщені, що забезпечує розв'язку хвилевідного тракту, а це дозволяє прецизійно з високою вірогідністю й точністю визначати початкові стадії зносу та сприяє підвищенню надійності лопаткового апарата в цілому. На Фіг. зображена структурна схема пристрою контролю ступеня ерозійного пошкодження робочих лопаток парової турбіни. Пристрій для контролю ерозійного зносу робочих лопаток парової турбіни в процесі експлуатації, містить НВЧ-датчик, що включає приймально-передавальну рупорну антену 1 з розміщеною в апертурі фазовирівнюючою діелектричною, наприклад, фторопластовою, лінзою 2, що дозволяє використовувати хвилевідну систему пристрою в умовах волого-паро-краплинного середовища циліндра низького тиску. Коректування фазового фронту за допомогою фазовирівнюючої діелектричної лінзи 2 також призводить до зниження рівня бічних пелюстків і звуження ширини діаграми спрямованості. Послідовно антені 1 з лінзою 2 у пристрої установлені узгоджувальна секція 3 з першим узгоджувальним елементом штирового типу, спрямований відгалужувач 4 вхід прямого випромінюваного сигналу, якого через другий узгоджувальний елемент 5 на феритовому вентилі з'єднаний з НВЧ генератором 6 (4-міліметрового діапазону), а вихід відбитого сигналу - із НВЧ-детектором 7 системи обробки й аналізу даних, яка включає блок обробки відеосигналу із цифро-аналоговим перетворювачем. При цьому, елемент узгодження секції 3 являє собою три штирі, встановлені на відстані ¼ один від одного для настроювання за критерієм мінімуму відбитої хвилі. Для спостереження за кожною робочою лопаткою і їх ідентифікацією вимірювальна система обладнана, оснащеною датчиком 9, системою синхронізації 10. Узгоджувальна секція 3 дозволяє мінімізувати вплив сигналу, відбитого від поверхні діелектричної лінзи 2, а обидва узгоджувальні елементи: штирьового типу й на феритовому вентилі дозволяють мінімізувати вплив відбитої хвилі на НВЧ генератор 6. Пристрій працює у такий спосіб. Спочатку на турбіні в штатному експлуатаційному режимі виконують цикл вимірювань і формують базовий каталог даних, що заноситься у пам'ять комп'ютерної системи обробки й аналізу даних для порівняння в автоматичному режимі з даними кожного конкретного циклу вимірювання у процесі експлуатації турбіни. За результатами порівняння оцінюють ступінь і динаміку ерозійного зносу кожної конкретної лопатки протягом усього часу експлуатації та контролю. При обертанні турбіни робочі лопатки переміщуються відносно установленого за допомогою юстирувальних елементів НВЧ-датчика (на Фіг. не показані). У момент входження однієї з лопаток у поле спрямованого випромінювання НВЧ-датчика, датчик синхронізації виробляє синхросигнал, по передньому фронту якого вихід НВЧ-датчика підключається до входу системи синхронізації 10, а по задньому його фронті вихід НВЧ-датчика відключається від неї. Одночасно по передньому фронту синхросигналу в системі обробки відеосигналу 8 спрацьовує аналого-цифровий перетворювач, тактова частота якого за період тривалості сигналу синхронізації дозволяє робити не менш 100 вибірок для апроксимації розподілу енергетичного спектра. Одночасно, виробляється лічильний імпульс, що відповідає кожному оберту ротора і здійснюється ідентифікація розпізнавання кожної з лопаток апарата відповідно з умовною нумерацією лопаток. У такий спосіб проводять знімання діаграми зворотного розсіювання, що відповідає геометричним параметрам контрольованої лопатки на поточний момент часу. Найбільший ерозійний знос виникає на режимах часткових завантажень потужних турбін. Контроль лопаток у процесі експлуатації на номінальних оборотах турбіни без зупинки з визначенням початку виникнення і розвитку ерозійних процесів дає можливість коректувати робочі параметри експлуатаційних навантажень із виведенням на безпечні режими роботи, тобто підвищити надійність лопаткового апарату і, як слідство, виключити позапланові зупинки. Одночасно виникає можливість з високою достовірністю оцінити технічний стан та залишковий ресурс лопаток до своєчасної їхньої заміни, що також сприяє підвищенню надійності. Оскільки діапазон зондувальних хвиль поглинається робочими середовищами мінімально, спосіб і пристрій не чутливі до локальних змін зовнішнього середовища (температура, тиск) і можуть бути використані в апаратних рішеннях з будь-якими умовами експлуатації завдяки високій сумісності та стійкості щодо електромагнітних перешкод і безпечного використання для навколишнього середовища. Експериментальна перевірка працездатності пристрою проводилася методами математичного та фізичного моделювання в міліметровому діапазоні довжин хвиль на стендовому устаткуванні в умовах експлуатації, наближених до реального. Розсіювальний елемент, виготовлявся з дюралюмінію Д16Т і являв собою паралелепіпед (пластину) з розмірами 100×70×3,5мм. Ерозійний знос різного ступеня моделювався за допомогою відповідної обробки одного із прикромкових країв на ширину ~10мм, що відповідало характеру зносу реальної лопатки. Були досліджені зразки із кромкою без обробки (відсутність зносу) із шорсткою кромкою (початкові ступені ерозійного зносу), із кромкою типу гребінки (сильний ерозійний знос). Висока чутливість діаграм зворотного розсіювання до початкових стадій ерозійного зносу пояснюється дифузійним характером розсіювання електромагнітної хвилі прикромкової області модельного зразка. Результати експериментальних досліджень показали задовільний збіг діаграм зворотного розсіювання за критерієм ширини на рівні половинної потужності з результатами розрахунків, що демонструє високу чутливість запропонованого пристрою особливо до початкових стадій ерозійного зносу.