СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК РАБОЧЕГО КОЛЕСА В СОСТАВЕ ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ
METHOD OF DIAGNOSING RESONANCE VIBRATIONS IN AXIAL TURBOMACHINE IMPELLER VANES

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при прочностной аэродинамической доводке осевых турбин и компрессоров, а также при создании систем диагностики осевых турбомашин в авиации и энергомашиностроении.
Усовершенствование характеристик осевых турбомашин, например авиационных двигателей, приводит к увеличению скорости и повышению энергонапряженности рабочих процессов, к усложнению конструктивных схем двигателей, к использованию легких и тонкостенных элементов конструкции. Вследствие этого усложняется характер вибрации, и увеличиваются вибрационные нагрузки на детали двигателя, то есть увеличивается интенсивность и опасность вибрации, о чем свидетельствует значительная доля вибрационных дефектов.
Уменьшение вибрации становится неотъемлемым условием обеспечения высокого качества любого двигателя и ведется на всех этапах его жизненного цикла. Контроль уровня вибраций лопаток рабочего колеса в составе двигателя превращается в технологическую операцию, выполняемую при создании двигателя, его серийном изготовлении и эксплуатации.
Известно, что резонанс вызывает резкое возрастание амплитуды установившихся вынужденных колебаний системы вплоть до разрушения при приближении частоты внешнего гармонического воздействия, к какой -либо из частот собственных колебаний системы. Для повышения надежности работы и предупреждения разрушения турбомашин весьма важно выявление и измерение резонансных вибраций лопаток рабочего колеса в условиях эксплуатации, так как во многих случаях именно эти колебания представляют наибольшую опасность. В турбомашинах резонансные колебания лопаток зависят от взаимосвязанности лопаток, входящих в состав рабочего колеса. В случае слабой связанности каждая лопатка резонирует при совпадении ее собственной частоты с частотой возбуждения, независимо от поведения других лопаток. В случае сильной связанности поведение каждой лопатки зависит от динамического состояния лопаточного венца или колеса в целом. При возникновении резонансных колебаний рабочего колеса турбомашины, возбуждаемых входной неравномерностью потока, в рабочем колесе (вращающаяся система координат) реализуется бегущая волна деформаций, а в потоке (неподвижная система координат) реализуется стоячая волна деформаций.
Известен способ диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины, основанный на одновременной регистрации сигналов датчиков пульсаций и вибронапряжений на элементах конструкции рабочего колеса и преобразовании сигналов в частотный спектр (патент РФ №2287141, МКИ G01M 15/00, 27.07.2006). Сущность способа заключается в сравнении частотного спектра сигнала с тензометра, наклеенного на лопатку, с частотным спектром датчиков пульсаций потока и по совпадению частот спектров пульсаций и вибронапряжений судят об источнике высокочастотных пульсаций, генерирующих вибронапряжения элементов конструкции рабочего колеса.
Недостатком данного способа является низкая надежность работы тензометров и токосъемных устройств под действием центробежных сил в условиях естественной для турбомашины вибрационной нагрузки.
Известен также способ определения параметров резонансных колебаний лопаток ротора турбомашины (авт. свидетельство СССР №446768, G01h 11/00, 18.12.1968), основанный на дискретно-фазовом методе. Сущность способа заключается в измерении временных интервалов между импульсами корневого и периферийного датчиков, их сопоставлением с геометрическим положением конкретной лопатки в колесе в определенные моменты времени и соответствующей интерпретации полученных значений. Однако эти измерения параметров резонансных колебаний могут производиться только в условиях медленно вращающейся окружной неравномерности потока (И.Е.Заболоцкий и др. «Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин» М., Машиностроение, 1977 г., стр.145-152), что делает данный способ неэффективным для реальной окружной неравномерности потока.
Известен также способ определения амплитуд и частот колебаний лопаток рабочего колеса турбомашины (заявка Pub. No: US 2010/0179775 A1, G01H 13/00, Jul. 15, 2010). Сущность способа заключается в определении возможных частот колебаний лопатки на основе смещения лопаток, соответствующих периоду времени, в течение которого каждая лопатка проходит мимо стационарного датчика, преобразовании обнаруженного сигнала колебаний в частотный спектр и определении частоты колебаний путем сравнения частоты с максимальной амплитудой в спектре сигнала с расчетными частотами колебаний. Однако для реализации данного способа необходима измерительная система со специальным программным обеспечением, адаптированная под конкретное испытываемое изделие, и проведение с высокой точностью расчетов частот колебаний лопаток под действием центробежных сил.
Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемым результатам является способ диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины (патент РФ №2111469, G01M 15/00, 11.04.1997), основанный на измерении пульсаций статического давления датчиком, помещенным неподвижно в корпусе турбомашины в зоне рабочего колеса, преобразовании сигнала с этого датчика в частотный спектр, регистрации частоты следования лопаток и наблюдении двух симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток составляющих спектра, характеризующих колебания лопаток с бегущими волнами деформации, что позволяет судить о направлении бегущих по колесу волн деформации, а в конечном счете о возникновении флаттера или вращающегося срыва.
Но данный способ не позволяет определить момент возникновения резонансных колебаний лопаток, возбуждаемых входной неравномерностью потока, так как при этом в потоке реализуется не бегущая, а стоячая волна, т.е. боковые частоты, равноотстоящие от частоты следования лопаток, отсутствуют.
В основу изобретения положено решение задачи диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины.
Поставленная задача решается тем, что регистрируют сигналы датчика пульсации статического давления воздушного потока, размещенного в зоне лопаток рабочего колеса, усиливают эти сигналы и преобразуют эти сигналы в частотный спектр.
Новым в способе диагностики является то, что назначают без учета резонанса аппроксимирующую нижнюю границу допустимого изменения колебаний амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения оборотов колеса. Регистрируют относительно нижней границы величину и расположение фактических амплитуд спектральной составляющей на частоте следования лопаток с изменением частоты вращения рабочего колеса. При уменьшении амплитуды ниже нижней границы диагностируют момент возбуждения резонансных колебаний лопаток.
Назначение без учета резонанса аппроксимирующей нижней границы допустимого изменения колебаний амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения оборотов колеса позволяет повысить помехоустойчивость системы.
Регистрация относительно нижней границы величины и расположения фактических амплитуд спектральной составляющей на частоте следования лопаток с изменением частоты вращения рабочего колеса позволяет регистрировать момент возникновения резонансных колебаний.
Диагностирование момента уменьшения амплитуды диагностической спектральной составляющей ниже нижней границы обеспечивает диагностирование момента возникновения резонансных колебаний лопаток.
При использовании настоящего изобретения достигается следующий технический результат - повышается эффективность и надежность диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины. Заявляемый способ диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса отличается от прототипа тем, что позволяет диагностировать резонансные колебания лопаток от входной неравномерности потока, что невозможно осуществить с помощью операций, изложенных в прототипе (патент РФ №2111469, G01M 15/00, 11.04.1997).
Указанный результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе диагностики резонансных колебаний лопаток с помощью датчика пульсаций статического давления воздушного потока, размещенного в зоне лопаток рабочего колеса, измеряют пульсации потока, затем сигналы с этого датчика регистрируют, усиливают и преобразуют их в частотный спектр, определяют нижнюю границу случайных флуктуаций сигналов на частоте следования лопаток при изменении частоты вращения рабочего колеса и при уменьшении амплитуд этих сигналов ниже нижней границы диагностируют наличие резонансных колебаний лопаток.
Влияние перечисленных отличительных признаков на достигаемый технический результат подтверждается результатами экспериментов.
В процессе экспериментальных исследований, проведенных на компрессорах авиационных двигателей, наблюдали спектральную составляющую пульсаций в потоке воздуха на частоте следования лопаток. При этом было установлено, что с увеличением частоты вращения ротора спектральная составляющая на частоте следования лопаток монотонно увеличивается, но в момент возбуждения резонансных колебаний лопаток она резко убывает. При выходе из резонанса спектральная составляющая снова монотонно увеличивается. При этом датчик пульсаций мог располагаться как над лопатками, так перед и за исследуемыми лопатками рабочего колеса.
Таким образом, решена поставленная в изобретении задача. Обеспечена диагностика резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины при ее работе.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием способа диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины со ссылкой на иллюстрации, представленные на чертеже, где изображен продольный разрез схематичного устройства турбомашины, общие виды усилителя, регистратора-анализатора в аксонометрической проекции, зависимости пульсаций давления потока, вибронапряжений на лопатке и оборотов по времени, а также связи между ними.
р
p
При работе турбомашины 1 ротор 2 вращается вместе с рабочими лопатками 3 с частотой ƒ. Сигналы с датчика пульсаций давления 4, помещенного в корпус турбомашины 1, через усилитель 5 поступают на вход регистратора-анализатора 6 спектра. При отсутствии резонансных колебаний на экране регистратора-анализатора 6 наблюдают пульсации потока на частоте следования лопаток Nƒ, где N - количество лопаток в исследованном колесе. Причем, при отсутствии резонансных колебаний амплитуда пульсаций на частоте следования лопаток монотонно увеличивается при увеличении частоты вращения ротора. В момент возникновения резонансных колебаний лопаток спектральная составляющая на частоте следования лопаток начинает убывать, достигая минимума при максимальной амплитуде резонансных колебаний, а при выходе из резонанса снова начинает монотонно увеличиваться, при увеличении частоты вращения ротора 2.
p
Таким образом, наблюдением за составляющей спектра пульсаций на частоте следования лопаток Nƒ можно определить наличие резонансных колебаний рабочих лопаток в эксплуатационных условиях.