СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ АВТОКОЛЕБАНИЙ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБОМАШИНЫ
METHOD OF DIAGNOSTICS OF SELF-OSCILLATIONS OF TURBO-MACHINE IMPELLER

Изобретение относится к авиадвигателестроению и энергомашиностроению и может найти применение при прочностной доводке компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) при стендовых испытаниях и в процессе эксплуатации, а также для создания систем диагностики автоколебаний, как в авиации, так и в энергомашиностроении.
Наиболее близким к изобретению является способ диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины (патент РФ на изобретение №2296970, МПК G01M 15/14 (2006.01), опубл. 10.04.2007), при котором измеряют корпусную вибрацию и фиксируют момент возникновения автоколебаний по достижению заданного значения отношения изменения корпусной вибрации на диагностической частоте к изменению частоты вращения рабочего колеса.
Известный способ не позволяет выполнять диагностику автоколебаний рабочего колеса турбомашины на ранней стадии их развития из-за сложности выделения сигнала на диагностической частоте на фоне шумов и может привести к ложному диагнозу, когда диагностическая частота кратна частоте вращения рабочего колеса.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, - повышение эффективности и надежности диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины за счет их диагностики на ранней стадии и исключения возможной постановки ложного диагноза. Диагностика на ранней стадии развития автоколебаний обеспечивается за счет проверки условия достижения корпусной вибрацией на диагностической частоте установленного порогового значения, а исключение ложного диагноза при некратности диагностической частоты частоте вращения рабочего колеса. Подтверждение наличия автоколебаний дополнительно осуществляют по характеру изменения фазового угла между вибросигналом и синхросигналом во времени.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины, при котором измеряют корпусную вибрацию и фиксируют момент возникновения автоколебаний по достижению заданного значения отношения изменения корпусной вибрации на диагностической частоте к изменению частоты вращения рабочего колеса, в отличие от известного, следят за достижением корпусной вибрацией на диагностической частоте, не кратной частоте вращения рабочего колеса, установленного порогового значения, и по достижению которого следят за моментом достижения заданного значения отношения изменения корпусной вибрацией на диагностической частоте к изменению частоты вращения рабочего колеса.
Установленное пороговое значение составляет 2-4 мм/с.
Диагностическую частоту определяют как сумму частоты собственных колебаний лопаток и частоты вращения рабочего колеса, умноженной на число узловых диаметров собственной формы колебаний.
Для подтверждения наличия автоколебаний дополнительно измеряют фазовый угол между вибросигналом и синхросигналом и следят за его изменением, при этом момент возникновения автоколебаний дополнительно фиксируют при линейном изменении фазового угла во времени.
Способ диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины осуществляют следующим образом.
д
Предварительно определяют диагностическую частоту f, соответствующую автоколебаниям, например, по формуле:
m
где f - собственная частота колебаний лопаток, определяемая экспериментальным и/или расчетным способом (с учетом влияния температуры и центробежных сил) на различных частотах вращения рабочего колеса;
m - номер собственной формы колебаний с числом узловых диаметров колебаний рабочего колеса;
p
f - частота вращения рабочего колеса турбомашины.
д
p
Определяют, на основе проведенных исследований автоколебаний, зависимость диагностической частоты, соответствующей автоколебаниям, от частоты вращения рабочего колеса, f=F(f), необходимую для настройки перестраиваемого активного полосового фильтра, обеспечивающего непрерывный следящий анализ за корпусной вибрацией на диагностической частоте при изменении частоты вращения рабочего колеса.
Измеряют корпусную вибрацию хотя бы одним вибропреобразователем, установленным на корпусе компрессора турбомашины. Измеряют частоту вращения рабочего колеса датчиком частоты вращения. Дополнительно измеряют фазовый угол между колебаниями лопаток (вибросигналом) и сигналом, фиксирующим угловое положение ротора относительно статора (синхросигналом).
Следят за достижением корпусной вибрацией на диагностической частоте, не кратной частоте вращения рабочего колеса, установленного порогового значения. По его достижению следят за достижением заданного значения отношения изменения корпусной вибрации на диагностической частоте к изменению частоты вращения рабочего колеса. Дополнительно следят за изменением фазового угла во времени. При автоколебаниях лопаток наблюдается линейное изменение фазового угла во времени.
Момент возникновения автоколебаний фиксируют по достижению заданного значения отношения изменения корпусной вибрации на диагностической частоте к изменению частоты вращения рабочего колеса.
Дополнительно, для подтверждения автоколебаний, при линейном изменении фазового угла во времени.
Наряду с быстрым темпом увеличения уровня корпусной вибрации на диагностической частоте линейное изменение фазового угла (увеличение при наборе частоты вращения и уменьшение при сбросе) подтверждает наличие автоколебаний, в отличие от установившихся резонансных колебаний, при возникновении которых фазовый угол имеет постоянное значение или изменяется случайным образом.
Пример осуществления способа
д
p
Способ реализован при проведении стендовых испытаний в процессе опытной доводки авиационных ГТД различного класса тяги. Предварительно определили расчетным и/или экспериментальным путем частоту собственных колебаний лопаток (с учетом влияния центробежных сил и температуры) на различных частотах вращения рабочего колеса. Определили диагностическую частоту, наблюдаемую при автоколебаниях, по формуле (1). Построили график зависимости диагностической частоты от частоты вращения рабочего колеса f=F(f), в соответствии с которым произвели настройку перестраиваемого активного полосового фильтра, осуществляющего следящий анализ за диагностической частотой.
В ходе испытаний, как при штатной работе двигателя, так и при неустойчивой работе вентиляторной ступени компрессора, было установили что при значении амплитуды виброскорости на диагностической частоте 2-4 мм/с, составляющая на диагностической частоте хорошо различима на фоне шумов. Данное значение приняли за пороговое для диагностики автоколебаний на ранней стадии их развития.
Установили значение отношения изменения корпусной вибрации на диагностической частоте к частоте вращения рабочего колеса, что необходимо для выявления автоколебаний.
Измерение корпусной вибрации осуществляли пьезоэлектрическим акселерометром, установленным на корпусе компрессора в вертикальном относительно оси турбомашины направлении. Для измерения частоты вращения рабочего колеса использовали датчик частоты вращения. В процессе испытаний измеряли амплитуду и частоту вибрационного сигнала, скорость изменения амплитуды составляющей на диагностической частоте. Дополнительно, для подтверждения наличия автоколебаний, измеряли фазовый угол между вибросигналом и синхросигналом и следили за характером его изменения.
Следили за достижением корпусной вибрацией на диагностической частоте, не кратной частоте вращения рабочего колеса, установленного порогового значения. Наличие гармоник в спектре корпусной вибрации на частотах, кратных частоте вращения рабочего колеса, характерное для штатной работы турбомашины, затрудняет диагностику автоколебаний и приводит к постановке ложного диагноза. Проверка на кратность позволяет установить факт наличия автоколебаний, возникающих, в отличие от резонансных колебаний, на частотах, не кратных частоте вращения рабочего колеса.
Как только амплитуда корпусной вибрации на диагностической частоте, не кратной частоте вращения рабочего колеса, достигала установленного порогового значения, следили за моментом достижения заданного значения отношения изменения корпусной вибрацией на диагностической частоте к изменению частоты вращения рабочего колеса. По достижении заданного значения отношения изменения корпусной вибрации на диагностической частоте к изменению частоты вращения рабочего колеса фиксировали наличие автоколебаний. Дополнительно проверяли характер изменения фазового угла во времени. При наборе частоты вращения рабочего колеса наблюдали линейное увеличение фазового угла во времени, что подтверждало факт возникновения автоколебаний.
Предлагаемое изобретение позволяет диагностировать автоколебания рабочих лопаток турбомашины на ранней стадии их развития с целью своевременного обнаружения и предотвращения опасных напряжений в лопатках турбомашины, приводящих к разрушению.