СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ВИДА АЭРОУПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК РАБОЧЕГО КОЛЕСА ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ
DIAGNOSTIC TECHNIQUE FOR AEROELASTIC OSCILLATION MODE OF ROTOR BLADES OF AXIAL FLOW TURBOMACHINE

Изобретение относится к энергомашиностроению и может найти широкое применение при прочностной и аэродинамической доводке осевых компрессоров и турбин в авиации и энергомашиностроении.
Постоянное стремление к снижению весовых характеристик и повышению аэродинамической нагруженности лопаток осевых турбомашин способствует появлению в них опасных колебаний, в том числе автоколебаний и срывных колебаний лопаток. Эти два вида колебаний характеризуются резким ростом вибрационных напряжений, что может вызвать разрушение лопаток за короткий промежуток времени.
Известен способ диагностики колебаний лопаток рабочего колеса осевой турбомашины, основанный на дискретно-фазовом методе, позволяющий определять деформационное состояние каждой лопатки рабочего колеса турбомашины [Заболоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин. М., Машиностроение, 1977, стр.23-27].
Сущность способа заключается в измерении временных интервалов между импульсами корневого и периферийного датчиков, их сопоставлении с геометрическим положением конкретной лопатки в колесе в определенные моменты времени и соответствующей интерпретации полученных значений.
Недостатком данного способа является невозможность определения номеров диаметральных колебаний, по которым реализуются колебания лопаток.
Известен способ измерения амплитуд колебаний лопаток рабочего колеса турбомашины, заключающийся в измерении временных интервалов между моментами прохождения концов лопаток мимо импульсных датчиков, установленных неподвижно в корпусе турбомашины, причем диагностика развитых автоколебаний производится по факту наличия колебаний высокого уровня на частотах, не кратных частоте вращения рабочего колеса [авторское свидетельство СССР №236826, G01M 9/00, 1969]. Однако такой способ не позволяет диагностировать вид колебаний на стадии их формирования, когда колебательный процесс не является строго синусоидальным.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ диагностики вида аэроупругих колебаний рабочих лопаток осевой турбомашины (патент RU №2402751, G01M 15/14, 11.06.2009). Способ основан на определении коэффициентов возбуждения в нестационарном сигнале на частотах колебаний рабочих лопаток и на диагностических частотах этих колебаний в спектре пульсаций потока. Согласно этому способу строят зависимости коэффициентов возбуждения от времени, определяют моменты времени, при которых значения коэффициентов возбуждения из отрицательных становятся положительными и по ним судят о виде аэроупругих колебаний лопаток. Если указанные коэффициенты возбуждения одновременно изменяют значения от отрицательного на положительное, то это означает появление автоколебаний. Если коэффициент возбуждения в потоке изменяет свое значение с отрицательного на положительное раньше, чем на лопатке, то это означает появление срывных колебаний.
Недостатком данного способа является недостаточная оперативность и значительная трудоемкость, так как для его использования необходимо строить зависимости коэффициентов возбуждения от времени методом Прони, что можно делать только на этапе вторичной обработки сигналов после получения спектров сигналов.
В основу настоящего изобретения положено решение задач повышения надежности и сокращения времени диагностики вида аэроупругих колебаний лопаток рабочего колеса осевой турбомашины в потоке на рабочих режимах.
Поставленные задачи решаются тем, что препарируют лопатки тензодатчиками. Регистрируют сигналы с тензодатчиков на лопатках. Усиливают эти сигналы. Преобразуют усиленные сигналы в частотные спектры и определяют частоту совместных колебаний лопаток.
Новым в способе диагностики является то, что препарируют ряд лопаток на части окружности колеса. Назначают первую лопатку в ряду в качестве исходной. Определяют значения функций когерентности колебаний каждой лопатки относительно исходной лопатки и по этим значениям диагностируют вид аэроупругих колебаний. Причем при значениях функций когерентности ряда лопаток, равных единице, диагностируют автоколебания лопаток. При монотонном убывании от максимума, равного единице значений функций когерентности ряда лопаток, по мере удаления расположения каждой лопатки в направлении вращения колеса от исходной лопатки диагностируют срывные колебания лопаток.
Следует отметить, что функция когерентности может быть определена любым известным способом. Например, функция когерентности может быть определена по формуле
xy
где G(f) - взаимная спектральная плотность сигналов x(t) и y(t);
x
G(f) - спектральная плотность сигнала x(t);
y
G(f) - спектральная плотность сигнала y(t);
f - частота;
t - время.
Дж.Бендат, А.Пирсол. Измерение и анализ случайных процессов. Издательство «МИР», Москва, 1974, стр.48.
Препарирование ряда лопаток на части окружности колеса, назначение первой лопатки в ряду в качестве исходной лопатки, определение значений функций когерентности колебаний каждой лопатки относительно исходной лопатки позволяют использовать более достоверный и менее трудоемкий новый способ диагностики в потоке вида аэроупругих колебаний лопаток рабочего колеса турбомашины.
Выявление значений функций когерентности для ряда лопаток, равных единице, позволяет надежно диагностировать вид автоколебаний лопаток.
Выявление монотонного убывания от максимума, равного единице значений функции когерентности лопаток в ряду, по мере удаления расположения каждой лопатки в направлении вращения колеса от исходной лопатки позволяет надежно диагностировать срывные колебания лопаток.
Это позволяет использовать для ликвидации нештатных колебаний лопаток проверенные мероприятия, что повышает надежность, сокращает время и стоимость диагностики и отработки конструкции или ремонта лопаток рабочего колеса осевой турбомашины.
Такими мероприятиями для устранения автоколебаний лопаток могут быть
- увеличение массы лопаток;
- увеличение жесткости лопаток;
- изменение материала лопаток;
- введение направленной разночастотности лопаток.
Такими мероприятиями для устранения срывных колебаний лопаток могут быть
- устранение причины срывного обтекания, т.е. изменение геометрии профиля лопатки;
- изменение угла атаки;
- устранение скачков уплотнения.
При использовании настоящего изобретения достигается следующий технический результат - повышается надежность диагностики вида аэроупругих колебаний лопаток рабочего колеса осевой турбомашины в потоке на рабочих режимах и снижаются время и затраты на диагностику, что позволяет не нарушать ритм проведения испытаний.
Влияние перечисленных отличительных признаков на достигаемый технический результат подтверждается результатами экспериментов.
В процессе экспериментальных исследований, проведенных на компрессорах авиационных газотурбинных двигателей, по сигналам с тензодатчиков, установленных на лопатках рабочего колеса ротора компрессора, определяли частоту колебаний лопаток и функцию когерентности между колебаниями лопаток. Одну из лопаток выбирали в качестве исходной и относительно исходной лопатки определяли функцию когерентности остальных лопаток на частоте колебаний лопаток. При этом было установлено, что при автоколебаниях лопаток функция когерентности всегда равна 1. Напротив, при срывных колебаниях функция когерентности монотонно убывала по мере удаления от исходной лопатки любой другой лопатки ряда.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи - повышена надежность и сокращено время диагностики вида аэроупругих колебаний лопаток рабочего колеса осевой турбомашины в потоке на рабочих режимах.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием способа диагностики вида аэроупругих колебаний рабочих лопаток осевой турбомашины и иллюстрацией устройства, реализующего этот способ.
Для диагностики вида аэроупругих колебаний в потоке на рабочих режимах лопаток рабочего колеса осевой турбомашины 1 препарируют ряд лопаток 2 тензодатчиками 3 на части окружности колеса. Назначают первую лопатку 2 в качестве исходной лопатки.
При работе турбомашины 1 с рабочими лопатками 2 сигналы с тензодатчиков 3 подают через усилитель 4 на вход регистратора-анализатора 5. На режимах работы турбомашины с пониженным давлением на входе по сигналам с тензодатчиков 3 определяют собственные частоты колебаний лопаток. Далее на рабочих режимах турбомашины определяют значения функции когерентности между колебаниями исходной лопатки и остальных лопаток ряда, на которых имеются тензодатчики. Эта операция выполняется с помощью регистратора-анализатора 5. Если для всех лопаток значение функции когерентности равно 1 (прямая линия А на графике), то это означает появление автоколебаний. Если значение функции когерентности убывает с удалением исследуемой лопатки от исходной (линии В и С на графике), то это означает появление срывных колебаний.
Использование данного способа диагностики вида колебаний рабочих лопаток осевой турбомашины позволяет в темпе эксперимента при проведении натурных испытаний турбомашины диагностировать вид колебаний лопаток на ранней стадии формирования колебаний. Надежная диагностика может быть выполнена на базе единичных испытаний турбомашины, без риска получить опасные напряжения в лопатках рабочего колеса. Это позволяет экономить ресурс турбомашины на этапе прочностных испытаний, сократить время проведения эксперимента, снизить затраты на эксперимент и в конечном итоге повысить эксплуатационную надежность турбомашины.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием способа диагностики вида аэроупругих колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины и иллюстрацией устройства, где на чертеже изображено рабочее колесо турбомашины, общие виды усилителя, регистратора-анализатора в аксонометрической проекции и зависимости значений функции когерентности от расположения лопаток в ряду.
При работе турбомашины с рабочим колесом 1 (см. чертеж) сигналы с тензодатчиков 3, установленных на рабочих лопатках 2, через усилитель 4 поступают на вход регистратора-анализатора спектра 5. На режимах работы турбомашины с пониженным давлением на входе по сигналам с тензодатчиков определяют собственные частоты колебаний лопаток. Затем выбирают первую из лопаток ряда в качестве исходной лопатки. Далее на рабочих режимах турбомашины определяют значения функции когерентности  между колебаниями исходной лопатки и всех остальных лопаток, на которых имеются тензодатчики. Эта операция выполняется с помощью регистратора-анализатора 5. Если для всех лопаток значение функции когерентности равно 1, то это означает появление автоколебаний (график А). Если значение функции когерентности убывает с увеличением расстояния между лопатками Δn, то это означает появление срывных колебаний (графики В и С).
Использование данного способа диагностики вида колебаний рабочих лопаток осевой турбомашины позволяет в темпе эксперимента при проведении натурных испытаний турбомашины диагностировать вид колебаний лопаток на ранней стадии их формирования. Надежная диагностика колебаний лопаток может быть проведена на базе единичных испытаний турбомашины, без риска получить опасные напряжения в лопатках. Это позволяет сэкономить ресурс турбомашины на этапе прочностных испытаний, сократить время проведения эксперимента, снизить затраты на эксперимент и в конечном итоге повысить эксплуатационную надежность турбомашины.