СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ВИДА АЭРОУПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ
METHOD FOR DIAGNOSTICS OF KIND OF AERO-ELASTIC VIBRATIONS OF WORKING BLADES OF AXIAL TURBO-MACHINE

Изобретение относится к энергомашиностроению и может найти широкое применение при прочностной и аэродинамической доводке осевых компрессоров и турбин в авиации и энергомашиностроении.
Известен способ диагностики колебаний лопаток рабочего колеса осевой турбомашины, основанный на дискретно-фазовом методе, позволяющий определять деформационное состояние каждой лопатки рабочего колеса турбомашины [Заблоцкий И.Б., 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 сопоставлением 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, основанный на измерении декрементов (колебаний лопаток в процессе приближения режима работы турбомашины к границе автоколебаний [Сачин В.М., Шатохин А.Г. Исследование декрементов связанных аэроупругих колебаний рабочего колеса компрессора. Труды ЦИАМ №1064, 1983, с.187-202]. Однако данный способ характеризуется недостаточной эффективностью и надежностью, так как декременты δ колебаний лопаток в этой работе определяются в предположении стационарности процесса, хотя в действительности при подходе к границе автоколебаний процесс заведомо нестационарный.
Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемым результатам является способ [Кулагина В.А., Родова А.Я., Федосова А.Н. Исследование процессов возникновения и развития автоколебаний в компрессорных лопатках. Труды ЦИАМ №1064, 1983, с.254-266], основанный на определении диагностической частоты автоколебаний рабочих лопаток в спектре пульсации потока, когда момент возникновения автоколебаний фиксируют при наличии в спектре пульсации неподвижного датчика гармонического сигнала хотя бы на одной из диагностических частот, равных сумме частоты собственных колебаний, и частоты вращения колеса, умноженный на номер собственной формы колебаний, т.е.
где m - число волн деформации в колесе;
р
f - частота вращения ротора;
л
f - частота колебаний лопаток.
Недостатком данного способа, как и предыдущего, является его недостаточная надежность, так как соотношение (1) может иметь место не только при автоколебаниях лопаток рабочего колеса, но и при других видах колебаний, например, при срывных колебаниях [Хориков А.А. и др. Исследование широкохордных рабочих лопаток компрессоров в условиях срывного обтекания. Авиационно-космическая техника и технология. №9 (56), 2008, с.52-57]. Кроме того, при этом не определяются декременты пульсации потока на диагностической частоте автоколебаний лопаток, определяемой из формулы (1).
В основу изобретения положено решение задачи повышения эффективности и надежности диагностики колебаний рабочих лопаток турбомашин для выработки эффективных мероприятий по их устранению.
Поставленная задача решается тем, что регистрируют сигналы аэроупругих колебаний с тензодатчиков на рабочих лопатках и с датчика пульсаций потока на корпусе турбомашины, усиливают эти сигналы, преобразуют эти сигналы в частотные спектры, определяют номера диаметральных форм колебаний и диагностические частоты колебаний лопаток в спектре пульсаций потока.
Новым в способе диагностики является то, что в процессе возникновения этих колебаний определяют коэффициенты возбуждения в нестационарном сигнале на частотах колебаний рабочих лопаток и на диагностических частотах этих колебаний в спектре пульсаций потока, строят зависимости этих коэффициентов от времени, определяют моменты времени, при которых значения коэффициентов возбуждения из отрицательных становятся положительными и по ним судят о виде аэроупругих колебаний рабочих лопаток.
Определение коэффициентов возбуждения в нестационарном сигнале на частотах колебаний рабочих лопаток и на диагностических частотах этих колебаний в спектре пульсаций потока позволяет определить момент потери аэроупругой устойчивости лопаток и/или потока.
Построение зависимостей коэфициентов возбуждения в нестационарном сигнале на частотах колебаний рабочих лопаток и на диагностических частотах этих колебаний в спектре пульсаций потока от времени позволяет определить, где раньше произошла потеря устойчивости: на лопатке или в поток.
Определение моментов времени, при которых значения коэффициентов возбуждения из отрицательных становятся положительными, позволяет судить о виде аэроупругих колебаний (флаттер или срывные колебания) рабочих лопаток и назначить соответствующие меры по их устранению.
Таким мерами могут быть:
- введение направленной неоднородности лопаток;
- изменение жесткостных и массовых свойств лопаток;
- изменение параметров изгибно-крутильной связанности лопаток;
- изменение программы регулирования направляющих лопаток;
- изменение линии рабочих режимов турбомашины.
л
л
При использовании настоящего изобретения достигается следующий технический результат - повышается эффективность и надежность диагностики колебаний лопаток рабочего колеса турбомашины. Заявляемый способ диагностики колебаний отличается от прототипа тем, что определяет декременты (колебаний рабочих лопаток или коэффициенты возбуждения колебаний n=-δ·f, где f - частота колебаний лопаток, причем коэффициент возбуждения колебаний n определяют не только для лопаток, но и для пульсаций потока на диагностической частоте колебаний лопаток, и по результатам сравнения судят о виде аэроупругих колебаний лопаток.
Указанный результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе диагностики с помощью тензодатчика, установленного на рабочей лопатке колеса турбомашины, в процессе развития колебаний определяют частоту и коэффициент возбуждения колебаний лопатки n, а с помощью датчика пульсаций, который находится вблизи исследуемого колеса, определяют номер диаметральной формы колеса, диагностическую частоту колебаний лопаток в потоке и коэффициент возбуждения на диагностической частоте, строят зависимости указанных коэффициентов возбуждения от времени и по моменту времени, при котором значения коэффициентов возбуждения из отрицательных становятся положительными, судят о наличии автоколебаний лопаток или срывных колебаний.
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 рабочих лопатках ротора компрессора наблюдали частоту колебаний лопаток, а по сигналам с датчиков пульсаций потока, установленных на корпусе компрессора, выявляли диагностические частоты пульсаций, соответствующие этим колебаниям лопаток. При этом установлено, что при автоколебаниях лопаток переход коэффициента возбуждения от отрицательных значений к положительным происходит одновременно как по сигналам с тензодатчиков на лопатках, так и по сигналам на диагностической частоте с датчиков пульсаций. Напротив, при срывных колебаниях потеря устойчивости, т.е переход коэффициента возбуждения от положительных значений к отрицательным сначала наблюдается в потоке, а уже потом по лопаткам.
Таким образом, решена поставленная в изобретении задача. Повышены эффективность и надежность диагностики вида аэроупругих колебаний рабочих лопаток турбомашин для выработки эффективных мероприятий по их устранению.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием способа диагностики вида аэроупругих колебаний рабочих лопаток осевой турбомашины и иллюстрацией устройства реализующего этот способ.
р
л
д
При работе турбомашины 1, ротор которой вращают с частотой f, сигнал с тензодатчика 8, установленного на рабочей лопатке 5, подают через усилитель 9 на вход регистратора-анализатора 10. Также на вход регистратора-анализатора 10 подают сигнал с датчика пульсаций потока 7, установленного в корпусе турбомашины. На режимах работы турбомашины с пониженным давлением на входе по сигналу с тензодатчика 8 определяют собственные частоты колебаний лопаток в колесе f в зависимости от номера m формы колебания колеса. Эта операция выполняется одним из известных способов. Например, в момент возникновения синхронных колебаний лопаток 5, регистрируемых тензодатчиками 8, вблизи рабочего колеса возникает фазомодулированная бегущая акустическая волна, которая регистрируется датчиком пульсации давления потока 7 на частоте f. При этом на экране регистратора - анализатора 10 спектра, кроме спектральной составляющей, определяемой по формуле (1), наблюдают для каждой формы колебаний колеса, по которой реализуются автоколебания, две другие спектральные составляющие, расположенные симметрично относительно частоты следования рабочих лопаток 5 [Патент РФ №2076307, 6 G01M 9/00, 30.06.1994].
л
д
л
д
д
л
Далее определяя коэффициенты возбуждения в сигнале с тензодатчика 8 на лопатке 5 на частоте f и в сигнале с датчика 7 пульсаций потока на частоте f, согласно методу Прони определения коэффициентов возбуждения для нестационарных процессов, на компьютере 11 строят зависимости этих коэффициентов возбуждения от времени [Балакшин О.Б., Кухаренко Б.Г. Асинхронный спектральный анализ колебательных временных рядов. Проблемы машиностроения и надежности машин. 1996, 35, с.116-122.5]. Если коэффициенты возбуждения с частотой f и с частотой f одновременно изменяют значения от отрицательного на положительное, то это означает появление автоколебаний лопаток 5. Если коэффициент возбуждения с частотой f изменяет свое значение с отрицательного на положительное раньше, чем коэффициент возбуждения с частотой f, то это означает появление срывных колебаний, но не автоколебаний на лопатках 5.