Способ определения предельно допустимых значений вибросигналов корпуса газотурбинного двигателя с диском с трещиной
METHOD OF DETERMINING MAXIMUM ALLOWABLE VALUES OF VIBRATORY SIGNALS OF GAS TURBINE ENGINE HOUSING WITH DISK WITH CRACK

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения.
Известны случаи разрушения дисков роторов авиационных газотурбинных двигателей от малоцикловой усталости при циклической нагрузке, возникающей при выходе двигателя на максимальные рабочие обороты. Малоцикловая усталость, приводящая к возникновению и развитию трещины в диске, часто определяет ресурс двигателя в связи с многократным повторением циклов выхода на рабочие режимы и останова (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 102).
Малоцикловая усталость в дисках ГТД от циклической нагрузки, первоначально проявляющаяся в виде множественных микротрещин, затем развивающихся в визуально определяемые трещины, обычно проявляется на двигателях с большими наработками, но еще не выработавшими назначенный ресурс (см., например, Е.Н. Каблов и др. Отчет «Исследование причин разрушения в эксплуатации дисков ТВД из сплава ЭП741НП изделия 88 с наработкой около 1300 часов», ВИАМ, 2007, с. 4). При этом парк таких двигателей, находящихся в эксплуатации, может быть значителен и их эксплуатация продолжаться. Поэтому обеспечение безопасной эксплуатации до доработки ресурса этими двигателями является крайне актуальной задачей.
Разрушения дисков происходили в условиях отсутствия способа диагностики диска, когда наличие или отсутствие трещины в диске можно было определить только на разобранном двигателе. Но из-за стремления к увеличению межремонтных периодов и, как следствие, большого количества циклов нагружения дисков при выходе на максимальные рабочие обороты, не всегда удавалось предотвратить разрушение диска и его последствия.
В настоящее время разработан способ диагностики дисков ГТД на работающем двигателе (см., Способ диагностирования образования и развития трещины в дисках авиационного газотурбинного двигателя при циклической нагрузке, Патент на изобретение №2570938). Способ основан на использовании в качестве диагностического признака развития трещины в диске, которое носит ступенчатый характер, импульсного колебания, вызываемого энергией, высвобождаемой при образовании очередной «ступеньки». Это колебание, амплитуда которого по мере развития трещины увеличивается и которое можно регистрировать на корпусе двигателя датчиком вибрации, имеет кратковременный характер и накладывается на вибрации двигателя, возбуждаемые неуравновешенными силами ротора (или роторов многовальных двигателей).
В дополнение к указанному способу диагностики дисков ГТД разработан способ повышения его эффективности, основанный на разложении вибросигнала, регистрируемого датчиком вибрации на корпусе двигателя при импульсном выделении энергии в результате ступенчатого развития трещины, на спектральные составляющие и их анализе (см., Способ повышения эффективности диагностики дисков авиационных газотурбинных двигателей, Патент на изобретение №2623856).
Недостатком данных способов является то, что они, предоставляя возможность выявить диск с трещиной, не показывают, как определить глубину развития трещины в диске и степень опасности его разрушения. В то же время известно, что процесс развития трещины в диске длительный по времени и является результатом действия многих циклов нагружения. Поэтому до некоторого критического размера трещины в диске и, как следствие, до определенного уровня импульса, повреждение является безопасным и при контролируемом развитии дефекта с использованием средств диагностики возможно продолжение испытаний и эксплуатации двигателя с таким диском (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 458).
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа определения значений вибросигналов, замеренных на корпусе двигателя при развитии трещины в диске и возможности продолжения работы двигателя с диском с трещиной путем установления соотношения между импульсом энергии, выделяемой при ступенчатом развитии трещины в диске, и величиной вибросигнала на корпусе двигателя при имитации развития трещины в диске разрывом связи между корпусом двигателя и подвешенным грузом.
Поставленная задача решается за счет того, что исследуется излом разрушенного диска и определяются ширина усталостной «ступеньки» и длина трещин на разных стадиях развития дефекта. Импульс выделяемой при образовании очередной усталостной «ступеньки» энергии определяется по формуле:
где
F - сила, действующая в плоскости диска и развивающая трещину
где
t - ширина очередной «ступеньки» развивающейся трещины;
l - длина вновь образовавшейся «ступеньки»;
σb - предел прочности материала диска;
V - скорость развития трещины (см., например, В.З. Партон, В.Г. Борисковский. Динамика хрупкого разрушения, М. Машиностроение, 1988, с. 153).
Величины t, σb, V являются постоянными. Переменной величиной является только длина трещины 1. Определив при исследовании излома длину трещины на разных стадиях ее развития, можно по формуле (2) определить величины сил, вызывающих развитие трещины на этих стадиях.
Установление связи между рассчитанными величинами сил на разных стадиях развития дефекта и величинами вибродиагностических сигналов производится следующим путем. К корпусу двигателя подвешиваются поочередно грузы, вес которых соответствует величинам сил, вызывающих развитие трещины на разных стадиях разрушения диска (зазоры между грузами и «полом» в целях безопасности должны быть устранены). Затем связь между корпусом двигателя и грузом перерезается, что вызовет импульсное колебание корпуса, регистрируемое датчиком вибрации, установленным на корпусе двигателя. Так определяются интегральные диагностические вибросигналы BΣ, соответствующие различным стадиям развития трещины.
Эти интегральные вибросигналы подвергаются спектральному анализу и устанавливаются связи между величинами дискретных составляющих вибрации, являющихся вибродиагностическими сигналами, и величинами сил, прикладываемых к корпусу двигателя
Где Bi - вибросигнал с частотой fi, соответствующей резонансам, присущим системе двигателя в диапазоне рабочих оборотов.
Так можно определить предельные величины вибродиагностических сигналов, соответствующих началу окончательного не контролируемого разрушения диска, и минимальных значений вибросигналов, превышающих уровень вибрационного «шума».
Следует учитывать, что из-за различий в индивидуальных массово-инерционных и упруго-жесткостных свойствах различных двигателей, а также из-за особенностей сборки отдельных двигателей величины вибродиагностических сигналов двигателей могут отличаться. Поэтому полученные экспериментально значения вибродиагностических сигналов на стадии, предшествующей окончательному разрушению диска, следует скорректировать, введя коэффициент запаса:
где
ВкΣ - величина интегрального вибросигнала с учетом коэффициента запаса;
BΣ - величина замеренного интегрального вибросигнала,
к - принятый коэффициент запаса.
При использовании в качестве диагностических признаков развития трещины в диске результатов спектрального анализа импульса вибрации формула (3) будет иметь вид:
где
Bki - величина i-того вибросигнала (i=1…n), выявленного спектральным анализом с учетом коэффициента запаса;
n - количество вибросигналов с различной частотой, выявленных при спектральном анализе;
Bi - величина i-того замеренного вибросигнала.
Рассчитанные по формулам (3) и (4) уточненные значения вибросигналов следует считать предельно допустимыми, соответствующими началу окончательного не контролируемого разрушения диска, когда испытания или эксплуатация двигателя с дефектным диском должны быть прекращены.