ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-2-171-181ntv-59Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGМетодика выбора параметров оптико-электронных систем контроля износа рабочих лопаток паровых турбин по заданной величине суммарной погрешностиSelection of parameters of optoelectronic systems for monitoring the wear for steam turbine rotor blading based on the value of the total errorhttps://orcid.org/0009-0007-4499-5299РодиковаЛ. С.RodikovaL. S.

Родикова Лилиана Сергеевна — аспирант

Санкт-Петербург, 197101

sc 57225009764

Liliana S. Rodikova — PhD Student, ITMO University

Saint Petersburg, 197101

sc 57225009764

ls_rodikova@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7102-5967КоротаевВ. В.KorotaevV. V.

Коротаев Валерий Викторович — доктор технических наук, профессор, профессор

 Санкт-Петербург, 197101

sc 6603855670

Valery V. Korotaev — D.Sc., Full Professor

Saint Petersburg, 197101

sc 6603855670

korotaev_v_v@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7344-9832ТимофеевА. Н.TimofeevA. N.

Тимофеев Александр Николаевич — кандидат технических наук, доцент, старший преподаватель

 Санкт-Петербург, 197101

 sc 57189271286

Alexander N. Timofeev — PhD, Associate Professor, Senior Lecturer

Saint Petersburg, 197101

sc 57189271286

timofeev@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2682-8311РыжоваВ. А,RyzhovaV. A.

Рыжова Виктория Александровна — кандидат технических наук, доцент, доцент

 Санкт-Петербург, 197101

sc 57195127229

Victoria A. Ryzhova — PhD, Associate Professor, Associate Professor

Saint Petersburg, 197101

sc 57195127229

victoria_ryz@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7287-0414МараевА. А.MaraevA. A.

Мараев Антон Андреевич — кандидат технических наук, ассистент

 Санкт-Петербург, 197101

sc 55803972300

Anton A. Maraev — PhD, Assistant

Saint Petersburg, 197101

sc 55803972300

aamaraev@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2042-7285МихеевС. В.MikheevS. V.

Михеев Сергей Васильевич — кандидат технических наук, ассистент

 Санкт-Петербург, 197101

Sergey V. Mikheev — PhD, Assistant

Saint Petersburg, 197101

msv@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202411122024242171181Copyright © Родикова Л.С., Коротаев В.В., Тимофеев А.Н., Рыжова В.А., Мараев А.А., Михеев С.В., 20242024Родикова Л.С., Коротаев В.В., Тимофеев А.Н., Рыжова В.А., Мараев А.А., Михеев С.В.Rodikova L.S., Korotaev V.V., Timofeev A.N., Ryzhova V.A., Maraev A.A., Mikheev S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/59Введение

Введение. Оптико-электронные системы контроля износа рабочих лопаток цилиндров низкого давления паровых турбин обеспечивают оценку величины хорды рабочей лопатки в статике на закрытом цилиндре, но не позволяют оценить износ с необходимой погрешностью при валоповороте. Контроль затрудняется тем, что выходная кромка контролируемой лопатки может перекрываться входной кромкой следующей лопатки. Следовательно, требуется задать такое направление видеонаблюдения для каждого сечения, которое обеспечит формирование видеокадров, содержащих изображение лопатки, и будет включать ее входную и выходную кромки. Режим валоповорота требует применения импульсной подсветки передней и задней кромок рабочих лопаток для уменьшения величины смаза изображения. Исходя из этого, важно осуществить выбор фокусного расстояния объектива видеокамеры, диаметра входного зрачка объектива и мощности импульсных источников излучения. Разработка методики параметров системы является актуальной задачей с целью сокращения трудоемкости проектирования систем для различных моделей турбин и технологий применения.

Метод

Метод. Разработана методика выбора параметров систем контроля износа рабочих лопаток, которая основана на критерии равенства основных составляющих суммарной погрешности величины хорды. При аналитических исследованиях использовались выявленные связи параметров матричного приемника оптического излучения, источников подсветки и оптической схемы с требуемыми характеристиками системы. Компьютерное моделирование процесса преобразования информации в исследуемой системе учитывало связь параметров перемещающихся при валоповороте рабочих лопаток и параметров оптической схемы. Экспериментальная оценка погрешности системы в статике и в динамике на макете лопаточного аппарата использовала многократные измерения после калибровки системы по известным параметрам рабочих лопаток.

Основные результаты

Основные результаты. Методика обеспечивает при необходимых углах наклона видеозонда требуемое поле зрения и заданную погрешность контроля величины хорды за счет выбираемых матричного приемника оптического излучения, фокусного расстояния объектива видеокамеры, диаметра входного зрачка объектива, мощности источников излучения. На примере, наиболее сильно подверженной износу пятой ступени лопаточного аппарата цилиндров низкого давления турбины большой единичной мощности К-1200, показано, что для предельно допустимых значений углов поворота видеозонда 19° и времени задержки кадровой синхронизации до 0,18 с фокусное расстояние объектива видеокамеры должно быть менее 2,4 мм при времени импульсной подсветки 0,05 с. Компьютерное моделирование показало, что предельная погрешность системы может достигать 0,011 мм, что указывает на возможность уменьшения суммарной погрешности. С использованием разработанной методики выбраны основные элементы и создан макет системы. Сформулированы требования к времени экспозиции и задержки кадровой синхронизации.

Обсуждение

Обсуждение. Эффективность методики выбора параметров подтверждена экспериментальными исследованиями макета системы, показавшими, что оценка стандартного отклонения случайной составляющей погрешности контроля хорды в динамике составила 0,26 мм, что в три раза меньше, чем у ранее разработанной системы, и удовлетворяет требованиям, предъявляемым при оценке работоспособности рабочих лопаток паровых турбин в процессе эксплуатации и ремонта. Предложенная методика, направленная на достижение требуемой точности контроля, может быть использована разработчиками других оптико-электронных средств бесконтактного контроля линейных размеров деталей, ориентированных неперпендикулярно линии визирования.

Optoelectronic wear monitoring system of rotor blades of steam turbine low-pressure cylinders provide an assessment of the chord value of the working blade in static conditions on a closed cylinder. However, these systems do not allow the operator to assess the wear with the necessary error during shaft rotation. The control process is complicated by the fact that the output edge of the blade is overlapped by the input edge of the next blade; therefore it is necessary to set a scanning direction for each section that will ensure the formation of blade video frames, including both the input and output edges. The shaft rotation mode requires the use of pulsed illumination of the edges of the working blades to reduce the amount of image smudge; therefore it is necessary to select the focal length of the camera lens, the diameter of the entrance pupil of the lens and the power of pulsed radiation sources. The development of a methodology for selecting system parameters will help to reduce the complexity of designing systems for various turbine models and application technologies. Therefore, this is an important task. A methodology has been developed for selecting the parameters of the wear control systems of the working blades, which is based on the criterion of equality of the main components of the total error of the chord value. The analytical studies used the relationship of the parameters of the matrix receiver of optical radiation, illumination sources and the optical circuit with the required characteristics of the system. Computer modeling of the information conversion process in the system under study took into account the relationship between the parameters of the moving blades and the parameters of the optical circuit. The experimental estimation of the system error in statics and dynamics is based on multiple measurements after calibration of the system according to known parameters of the blades. When using the developed methodology, it is possible to achieve the required field of view and a given error in controlling the chord value, due to the choice of: matrix optical radiation receiver, focal length of the camera lens, diameter of the lens entrance pupil, and power of radiation sources. Using the example of the fifth stage of the vane device of the K-1200 high unit power turbine, which is most susceptible to wear, it is shown that for maximum values of the rotation angles of the video probe is 19° and the delay time of frame synchronization is up to 0.18 s, the focal length of the camera lens should be less than 2.4 mm with a pulse illumination time of 0.05 s. Computer modeling has shown that the marginal error of the system can reach 0.011 mm, which illustrates the possibility of reducing the total error. Using the developed methodology, the main elements were selected and a layout of the system was created. The requirements for exposure time and delay time of frame synchronization are formulated. The effectiveness of the parameter selection methodology was confirmed by experimental studies of the system layout, which showed that the estimate of the standard deviation of the random component of the chord control error in dynamics was 0.26 mm, which is three times less than that of the previously developed system and meets the requirements for evaluating the operability of the rotor blades of steam turbines during operation and repair. The proposed technique can be used by developers of other optoelectronic means of contactless control of linear dimensions of parts oriented non-perpendicular to the line of sight.

паровые турбинырабочие лопаткиэрозионный износхорда рабочей лопаткиконтроль износа рабочей лопаткиоптико-электронная системавыбор параметровsteam turbinerotor bladeserosive wearrotor blade chordwear control of the rotor bladeoptoelectronic systemparameter selectionReferencesНазолин А.Л. Предупреждение аварий и катастроф вращающегося оборудования критически и стратегически важных объектов техносферы (на примере мощных турбоагрегатов атомных и тепловых электростанций): научный доклад / Российская академия наук. М., 2017. 40 p.Nazolin A.L. Prevention of accidents and disasters of rotating equipment for critically and strategically important technospheric facilities (based on the example of powerful turbine units of nuclear and thermal power plants): contribution report. Moscow, RAS, 2017, 40 p. (in Russian)Geng J., Xie J. Review of 3-D endoscopic surface imaging techniques // IEEE Sensors Journal. 2014. V. 14. N 4. P. 945–960. https://doi.org/10.1109/jsen.2013.2294679Geng J., Xie J. Review of 3-D endoscopic surface imaging techniques. IEEE Sensors Journal, 2014, vol. 14, no. 4, pp. 945–960. https://doi.org/10.1109/jsen.2013.2294679Горевой А.В., Мачихин А.С., Хохлов Д.Д., Батшев В.И., Калошин В.А., Перфилов А.М. Применение трассировочной модели оптико-электронной системы для повышения точности стереоскопических эндоскопических измерений // Дефекто скопия. 2017. № 9. С. 44–53.Gorevoy A.V., Machikhin A.S., Khokhlov D.D., Batshev V.I., Kaloshin V.A., Perfilov A.M. Applying a ray tracing model of an optoelectronic system to improve the accuracy of endoscopic measurements. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2017, vol. 53, no. 9, pp. 660–668. https://doi.org/10.1134/S1061830917090054Чичигин Б.А., Гроо И.А. Разработка малогабаритной высокоскоростной системы измерительной дефектоскопии и ее испытание на макетных объектах // Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67. № 7. С. 668–675. https://doi.org/10.31857/S0033849422070075Chichigin B.A., Groo I.A. Development of a small-scale high-speed system of measuring defectoscopy and its testing on different objects. Journal of Communications Technology and Electronics, 2022, vol. 67, no. 7, pp. 827–833. https://doi.org/10.1134/s1064226922070075Щинников П.А., Ноздренко Г.В., Михайленко А.И., Дворцевой А.И., Сафронов А.В. Автоматизация технологических процессов на ТЭС и управление ими. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. 291 с.Shchinnikov P.A., Nozdrenko G.V., Mikhailenko A.I., Dvortcevoi A.I., Safronov A.V. Automation and Management of Technological Processes at Thermal Power Plants. Novosibirsk, NSTU, 2014, 291 p. (in Russian)Хаимов В.А., Кокин Е.Ш., Пузырев Е.И., Воронков Е.О., Ганжин В.А. Внедрение системы оперативного контроля и диагностики эрозионного износа рабочих лопаток мощных паровых турбин // Электрические станции. 2006. № 12. С. 32‒36.Khaimov V.A., Kokin E.Sh., Puzyrev E.I., Voronkov E.O., Ganzhin V.A. Implementation of a system for operational monitoring and diagnosis of working blades erosive wear in powerful steam turbines. Electrical Stations, 2006, no. 12, pp. 32‒36. (in Russian) 7. Kasl J., Matějová M., Mrštík J. Failure analysis of rotating blades of lowpressure steam turbine rotors and possibility of prediction corrosion-fatigue ruptures. MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 188, pp. 04020. https://doi.org/10.1051/matecconf/201818804020Kasl J., Matějová M., Mrštík J. Failure analysis of rotating blades of lowpressure steam turbine rotors and possibility of prediction corrosion-fatigue ruptures // MATEC Web of Conferences. 2018. V. 188. P. 04020. https://doi.org/10.1051/matecconf/201818804020Shut G.A., Korotaev V.V., Puzyrev E.I., Ryzhova V.A., Timofeev A.N., Akhmerov A.H., Rodikova L.S. Videoendoscopy of working blades of steam turbines and control of their geometrical parameters. Journal of Optical Technology, 2020, vol. 87, no. 11, pp. 677‒683. https://doi.org/10.1364/jot.87.000677Shut G.A., Korotaev V.V., Puzyrev E.I., Ryzhova V.A., Timofeev A.N., Akhmerov A.H., Rodikova L.S. Videoendoscopy of working blades of steam turbines and control of their geometrical parameters // Journal of Optical Technology. 2020. V. 87. N 11. P. 677‒683. https://doi.org/10.1364/jot.87.000677Low-Flow Modes of T-250/300-240 LPC Turbine. Ed. by V.A. Khaimov. St. Petersburg, BHV-Petersburg, 2007, 240 p. (in Russian)Малорасходные режимы ЦНД турбины Т-250/300-240 / под ред. В.А. Хаимова. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 240 с.Leiner D. Digital Endoscope Design. SPIE, 2015. https://doi.org/10.1117/3.2235283Leiner D. Digital Endoscope Design. SPIE, 2015. https://doi.org/10.1117/3.2235283Shut’ G.A., Puzyrev A.V., Vasileva A.V., Vasilev A.S., Nekrylov I.S., Akhmerov A.K., Timofeev A.N. Integrated endoscopy system for monitoring erosion wear of steam turbine blades. Journal of Instrument Engineering, 2020, vol. 63, no. 3, pp. 228–237. (in Russian). https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-3-228-236Шуть Г.А., Пузырев Е.И., Васильева А.В., Васильев А.С., Некрылов И.С., Ахмеров А.Х., Тимофеев А.Н. Комплексная система эндоскопирования для контроля эрозионного износа лопаток паровых турбин // Известия вузов. Приборостроение. 2020. Т. 63. № 3. С. 228–237. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-3-228-236Todros K., Hero A.O. Measure-transformed quasi-maximum likelihood estimation. IEEE Transactions on Signal Processing, 2017, vol. 65, no. 3, pp. 748–763. https://doi.org/10.1109/tsp.2016.2621732Todros K., Hero A.O. Measure-transformed quasi-maximum likelihood estimation // IEEE Transactions on Signal Processing. 2017. V. 65. N 3. P. 748–763. https://doi.org/10.1109/tsp.2016.2621732Andreev A.L. Modeling and Calculation of Automated Video Information Systems for Objects Monitoring: Guidelines for laboratory work. St. Petersburg, NIU ITMO, 2013, 82 p. (in Russian)Андреев А.Л. Моделирование и расчет автоматизированных видеоинформационных систем наблюдения за объектами: методические указания к лабораторным работам. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 82 с.Uss M., Vozel B., Lukin V., Chehdi K. Potential accuracy of translation estimation between radar and optical images. Proceedings of SPIE, 2015, vol. 9643, pp. 96430W. https://doi.org/10.1117/12.2194071Uss M., Vozel B., Lukin V., Chehdi K. Potential accuracy of translation estimation between radar and optical images // Proceedings o f S P I E . 2 0 1 5 . V. 9643. P. 96430W. https://doi.org/10.1117/12.2194071Tan Q., Kou Y., Miao J., Liu S., Chai B. A model of diameter measurement based on the machine vision. Symmetry, 2021, vol. 13, no. 2, pp. 187. https://doi.org/10.3390/sym13020187Tan Q., Kou Y., Miao J., Liu S., Chai B. A model of diameter measurement based on the machine vision // Symmetry. 2021. V. 13. N 2. P. 187. https://doi.org/10.3390/sym13020187Pham N.T., Timofeev A.N., Korotaev V.V., Ryzhova V.A., Rodrigues J.J.P.C. An analysis of additional errors of the optical-electronic system for monitoring the railway track position. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2021, vol. 21, no. 1, pp. 15–23. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-1-15-23Фам Н.Т., Тимофеев А.Н., Коротаев В.В., Рыжова В.А., Родригеш Ж.Ж.П.К. Анализ дополнительных погрешностей оптико-электронной системы контроля положения железнодорожного пути // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 1. С. 15–23. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-1-15-23Starasotnikau M.A., Feodortsau R.V. Accuracy comparison of algorithms for determination of image center coordinates in optoelectronic devices. Science аnd Technique, 2018, vol. 17, no. 1, pp. 79–86. (in Russian). https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-1-79-86.Старосотников Н.О., Фёдорцев Р.В. Сравнение по точности алгоритмов определения координат центров изображений в оптико-электронных приборах // Наука и техника. 2018. Т. 17. № 1. С. 79–86. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-1-79-86Pham N.T., Timofeev A.N., Nekrylov I.S. Study of the errors of stereoscopic optical-electronic system for railroad track position. Proceedings of SPIE, 2019, vol. 11056, pp. 110562F. https://doi.org/10.1117/12.2526081Pham N.T., Timofeev A.N., Nekrylov I.S. Study of the errors of stereoscopic optical-electronic system for railroad track position // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11056. P. 110562F. https://doi. org/10.1117/12.2526081 19. Potapov A.I., Kul’chitskii A.A., Smorodinskii Y.G. Analyzing the accuracy of a device for controlling the position of a rotating plane // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 54. N 11. P. 757– 764. https://doi.org/10.1134/S1061830918110086Potapov A.I., Kul’chitskii A.A., Smorodinskii Y.G. Analyzing the accuracy of a device for controlling the position of a rotating plane. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2018, vol. 54, no. 11, pp. 757–764. https://doi.org/10.1134/S1061830918110086Коротаев В.В., Мараев А.А., Тимофеев А.Н. Телеориентирование в луче с оптической равносигнальной зоной. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 326 с.Korotaev V.V., Maraev A.A., Timofeev A.N. Beam Ride Using an Optical Equal-Signal Zone. St. Petersburg, ITMO University, 2015, 326 p. (in Russian)Nose A., Yamazaki T., Katayama H., Uehara S., Kobayashi M., Shida S., Odahara M., Takamiya K., Matsumoto S., Miyashita L., Watanabe Y., Izawa T., Muramatsu Y., Nitta Y., Ishikawa M. Design and performance of a 1 ms high-speed vision chip with 3D-stacked 140 GOPS column-parallel PEs // Sensors. 2018. V. 18. N 5. P. 1313. https://doi.org/10.3390/s18051313Nose A., Yamazaki T., Katayama H., Uehara S., Kobayashi M., Shida S., Odahara M., Takamiya K., Matsumoto S., Miyashita L., Watanabe Y., Izawa T., Muramatsu Y., Nitta Y., Ishikawa M. Design and performance of a 1 ms high-speed vision chip with 3D-stacked 140 GOPS column-parallel PEs. Sensors, 2018, vol. 18, no. 5, pp. 1313. https://doi.org/10.3390/s18051313Stefanov K.D., Clarke A.S., Ivory J., Holland A.D. Design and performance of a pinned photodiode CMOS image sensor using reverse substrate bias // Sensors. 2018. V. 18. N 1. P. 118. https://doi.org/10.3390/s18010118Stefanov K.D., Clarke A.S., Ivory J., Holland A.D. Design and performance of a pinned photodiode CMOS image sensor using reverse substrate bias. Sensors, 2018, vol. 18, no. 1, pp. 118. https://doi.org/10.3390/s18010118Maraev A.A., Shut G.A., Timofeev A.N., Mikheev S.V., Akhmerov A.Kh., Rodikova L.S., Konyakhin I.A. Effect of illumination on errors in estimation of a rotor blade chord value during intelligent video endoscopy of a closed steam turbine cylinder // Studies in Systems, Decision and Control. 2022. V. 419. P. 169–185 https://doi.org/10.1007/978-3-030-97004-8_13Maraev A.A., Shut G.A., Timofeev A.N., Mikheev S.V., Akhmerov A.Kh., Rodikova L.S., Konyakhin I.A. Effect of illumination on errors in estimation of a rotor blade chord value during intelligent video endoscopy of a closed steam turbine cylinder. Studies in Systems, Decision and Control, 2022, vol. 419, pp. 169– 185 https://doi.org/10.1007/978-3-030-97004-8_13Ting-Fa X., Peng Z. Image motion-blur-based object’s speed measurement using an interlaced scan image // Measurement Science and Technology. 2010. V. 21. N 7. P. 075502. https://doi.org/10.1088/0957-0233/21/7/075502Ting-Fa X., Peng Z. Image motion-blur-based object’s speed measurement using an interlaced scan image. Measurement Science and Technology, 2010, vol. 21, no. 7, pp. 075502. https://doi. org/10.1088/0957-0233/21/7/075502Фам Н.T., Пантюшина Е.Н., Тимофеев А.Н., Васильев А.С., Динь Б.М. Влияние скорости движения оптико-электронной системы на погрешность контроля положения железнодорожного пути // Известия вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61. № 9. С. 814–822. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2018-61-9-814-822Pham N.T., Pantyushina E.N., Timofeev A.N., Vasilev A.S., Dinh B.M. Influence of the speed of the optical-electronic system movement on the control error of the railway track position. Journal of Instrument Engineering, 2018, vol. 61, no. 9, pp. 814–822. (in Russian). https://doi.org/10.17586/0021-3454-2018-61-9-814-822

The authors declare that there are no conflicts of interest present.