Способ диагностики касания лопаток рабочего колеса о корпус в составе осевой турбомашины
METHOD FOR DIAGNOSING THE CONTACT OF THE IMPELLER BLADES AGAINST THE HOUSING WITHIN AN AXIAL TURBOMACHINE

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано при прочностной аэродинамической доводке осевых турбин и компрессоров, а также при создании систем диагностики осевых турбомашин в авиации и энергомашиностроении.
Постоянное стремление к повышению аэродинамической эффективности перспективных компрессоров авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) приводит к неизбежному уменьшению радиального зазора между рабочими лопатками и корпусом, что, в свою очередь, повышает вероятность возникновения проблем, связанных с касанием между роторными и статорными деталями на эксплуатационных режимах работы двигателя. Для исключения опасных последствий, связанных с возникновением касания между лопатками рабочих колес компрессоров и корпусом на внутреннюю часть корпуса обычно наносят специальное прирабатываемое покрытие. Однако даже при касании об это покрытие в лопатках возможно возникновение высокого уровня вибрационных напряжений и/или снижение сопротивления усталости материала с последующим усталостным разрушением. Поэтому оперативное диагностирование процесса касания лопатки о прирабатываемое покрытие является актуальной задачей.
Опасность этого явления особенно актуальна для приемосдаточных испытаний, которые являются основными видами испытаний двигателей серийного производства. Одной из основных целей таких испытаний является оценка соответствия параметров и технических характеристик двигателя. Двигатель считается выдержавшим эти испытания, если параметры и технические характеристики соответствуют требованиям ТУ на изготовление двигателя. В частности, одним из основных технических требований в ОТУ-2012, подлежащих проверке при этих испытаниях для установки соответствия серийного двигателя типовой конструкции, является степень повышения давления в вентиляторе и компрессоре. Для соответствия этим требованиям ТУ радиальный зазор между рабочими лопатками и корпусом изготовители обычно стараются сделать минимальным.
Очевидно, что при таких видах испытаний вибрационные напряжения в лопатках не контролируются, а общие корпусные вибрации измеряются только в низкочастотной области первых роторных гармоник, т.е. контроль усталостной прочности лопаток от их касания о прирабатываемое покрытие при этом не производится. При таких испытаниях поломка лопаток может и не происходить, но лопатка может наработать достаточно большое неконтролируемое количество циклов, которое может потом сказаться на бездефектной работе этой лопатки на так называемых проходных режимах, на которых количество циклов ограничено.
Известен способ диагностики флаттера лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины, заключающийся в нанесении на внутреннюю поверхность корпуса турбомашины в зоне вращения рабочего колеса истираемого покрытия, толщину которого устанавливают исходя из отсутствия радиального зазора между торцами лопаток рабочего колеса и поверхностью покрытия на максимальной частоте вращения, выводят турбомашину на заданную частоту вращения, устанавливают заданные значения параметров температуры и давления газового потока и дросселируют турбомашину при заданных значениях параметров температуры и давления газового потока на заданной частоте вращения до заданной точки на напорной характеристике турбомашины, а диагностирование наличия или отсутствия флаттера на заданном рабочем режиме осуществляют после остановки турбомашины по результату анализа характера износа истираемого покрытия, а по характеру износа истираемого покрытия определяют номер диаметральной формы колебаний, по которой реализовался флаттер (RU 2525061, 2014 г.). Известное техническое решение учитывает, что увеличение длины лопатки при флаттере вследствие высоких амплитуд колебаний приводит не только к уменьшению радиального зазора, но и к касанию лопаток о внутреннюю поверхность корпуса турбомашины.
Существенным недостатком известного технического решения является низкая достоверность, поскольку диагностирование касания возможно только после останова турбомашины и проведения осмотра.
Известен способ определения характера касания лопатки вращающегося колеса о корпус турбомашины, заключающийся в том, что (RU 2670771, 2018 г.) снабжают лопатку колеса по крайней мере одним тензометрическим датчиком, обеспечивают регистрацию и слежение за уровнем сигнала последнего, используют быстрое преобразование Фурье при обработке сигнала в окрестности точки с максимальным уровнем сигнала для получения значений частот и амплитуд колебаний вращающегося колеса, при этом частоту колебаний колеса с наибольшей амплитудой выбирают в качестве наблюдаемой, далее, представляют сигнал тензометрического датчика на наблюдаемой частоте в координатах «амплитуда-время», следят за периодичностью сигнала и в случае нарушения его периодичности фиксируют временной диапазон, соответствующий выявленному нарушению с определением временной координаты нарушения периодичности сигнала, а затем в упомянутом временном диапазоне осуществляют вейвлет-преобразование сигнала и переход от его представления в координатах «амплитуда-время» в представление сигнала тензометрического датчика в координатах «частота-время», анализируют полученную картину сигнала и по виду полученной картины в окрестности временной координаты нарушения периодичности сигнала судят о характере касания лопатки о корпус турбомашины. (РФ №2525061, 2014 г.).
Существенным недостатком известного технического решения является ограниченная возможность применения, обусловленная отсутствием тензометров на лопатках колеса при проведении различных видов испытаний и в эксплуатации турбомашин, конструкция которых на доработана под установку токосъемника, что не позволяет достоверно определить момент возникновения касания лопаток о корпус турбомашины.
Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемым результатам является способ диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины, заключающийся в том, что предварительно назначают аппроксимирующую нижнюю границу допустимого изменения амплитуды спектральной составляющей пульсации статического давления потока на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения оборотов колеса без учета резонанса, размещают в зоне лопаток рабочего колеса датчик пульсации статического давления воздушного потока, в процессе работы осевой турбомашины регистрируют сигналы датчика, усиливают их, преобразуют в частотный спектр и регистрируют относительно нижней границы величину и расположение фактических амплитуд спектральной составляющей на частоте следования лопаток с изменением частоты вращения рабочего колеса и фиксируют уменьшение амплитуд ниже нижней границы допустимого изменения колебаний (RU 2451279, 2012 г.).
Существенным недостатком известного технического решения являются ограниченные возможности эффективного и надежного определения момента касания лопатки корпуса.
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а, именно, в создании способа диагностики касания лопаток рабочего колеса о корпус в составе осевой турбомашины, обеспечивающего расширение технических возможностей способа.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа диагностики касания лопаток рабочего колеса о корпус в составе осевой турбомашины, обеспечивающего расширение технических возможностей способа за счет повышения эффективности, надежности и помехоустойчивости при диагностировании момента касания лопатки рабочего колеса о корпус.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа диагностики касания лопаток рабочего колеса о корпус в составе осевой турбомашины, заключающегося в том, что предварительно назначают аппроксимирующую нижнюю границу допустимого изменения амплитуды спектральной составляющей пульсации статического давления потока на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения оборотов колеса без учета резонанса, размещают в зоне лопаток рабочего колеса датчик пульсации статического давления воздушного потока, в процессе работы осевой турбомашины регистрируют сигналы датчика, усиливают их, преобразуют в частотный спектр и регистрируют относительно нижней границы величину и расположение фактических амплитуд спектральной составляющей на частоте следования лопаток с изменением частоты вращения рабочего колеса и фиксируют уменьшение амплитуд ниже нижней границы допустимого изменения колебаний, согласно предлагаемому техническому решению дополнительно назначают аппроксимирующую верхнюю границу допустимого изменения амплитуды спектральной составляющей вибрации корпуса на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения частоты вращения колеса без учета касания, размещают на корпусе турбомашины в зоне лопаток рабочего колеса датчик вибраций, по которому в процессе работы осевой турбомашины регистрируют величину фактической амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток с изменением частоты вращения рабочего колеса, а о моменте касания лопаток вращающегося колеса о корпус турбомашины судят по одновременному увеличению амплитуды, регистрируемой датчиком вибраций, выше верхней границы и уменьшению амплитуды, регистрируемой датчиком пульсации статического давления, ниже нижней границы пульсации статического давления воздушного потока.
Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая предлагаемое техническое решение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием способа диагностики касания лопаток рабочего колеса о корпус в составе осевой турбомашины и ссылкой на иллюстрацию, где изображена схема реализации способа, включающая продольный разрез схематичного устройства турбомашины, общие виды усилителя, регистратора - анализатора в аксонометрической проекции, зависимости частоты вращения, вибраций корпуса и пульсаций давления потока по времени, связи между ними.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - турбомашина;
2 - рабочее колесо ротора;
3 - лопатки;
4 - датчик пульсации статического давления воздушного потока;
5 - датчик вибраций корпуса;
6 - усилитель;
7 - регистратор-анализатор.
Способ реализуется следующим образом.
р
p
p
Размещают в зоне лопаток 3 рабочего колеса ротора 2 турбомашины 1 датчик 4 пульсации статического давления воздушного потока и датчик 5 вибраций корпуса. При этом последние могут располагаться как над лопатками 3, так и перед или за исследуемыми лопатками 3 рабочего колеса ротора 2 турбомашины 1. На основании результатов испытаний или с учетом результатов исследований в аналогичных технических решениях предварительно назначают аппроксимирующую нижнюю границу допустимого изменения амплитуды спектральной составляющей пульсации статического давления потока для рабочего диапазона изменения оборотов колеса без учета резонанса. Дополнительно назначают аппроксимирующую верхнюю границу допустимого изменения амплитуды спектральной составляющей вибрации корпуса на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения частоты вращения колеса без учета касания. При работе турбомашины 1 рабочее колесо ротора 2 вращается вместе с рабочими лопатками 3 с частотой ƒ. В процессе работы по сигналам датчика 4 пульсаций статического давления воздушного потока регистрируют величину и расположение фактических амплитуд спектральной составляющей на частоте следования лопаток 3 с изменением частоты вращения рабочего колеса ротора 2, а по сигналам датчика 5 вибраций корпуса регистрируют величину фактической амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток 3 с изменением частоты вращения рабочего колеса ротора 2. Сигналы датчика 4 пульсаций статического давления воздушного потока и датчика 5 вибраций корпуса усиливают через усилитель 6 и передают на вход регистратора-анализатора 7 спектра. При отсутствии касания лопаток 3 на экране регистратора-анализатора 7 наблюдаются пульсации потока и вибрации корпуса турбомашины 1 на частоте следования лопаток Nƒ, где N - количество лопаток 3 в исследуемом рабочем колесе ротора 2 турбомашины 1. При этом амплитуды пульсаций давления и вибраций корпуса на частоте следования лопаток 3 монотонно увеличиваются при увеличении частоты вращения рабочего колеса ротора 2, которая монотонно увеличивается со временем t. Назначение аппроксимирующих верхней и нижней границ допустимого изменения колебаний амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения частоты вращения колеса без учета касания позволяет повысить помехоустойчивость системы, так как при диагностике используется одновременно два параметра: амплитуда пульсаций давления потока и амплитуда вибрации корпуса. В момент касания лопаток 3 о корпус турбомашины 1 амплитуда спектральной составляющей на частоте следования лопаток по датчику 5 вибраций корпуса начинает возрастать, достигая максимума при максимальной амплитуде колебаний лопаток 3, а амплитуда спектральной составляющей на частоте следования лопаток 3 по датчику 4 пульсации статического давления воздушного потока начинает убывать, достигая минимума при максимальной амплитуде резонансных колебаний. Фиксирование регистратором-анализатором 7 увеличения амплитуды по датчику 5 вибраций корпуса выше верхней границы при одновременном уменьшении амплитуды по датчику 4 пульсации статического давления воздушного потока ниже нижней границы на частоте следования лопаток Nƒ обеспечивает диагностику момента касания лопаток 3 вращающегося рабочего колеса ротора 2 о корпус турбомашины 1. При увеличении частоты вращения и выходе из режима с касанием лопаток 3 амплитуда спектральной составляющей на частоте следования лопаток 3 по датчику 5 вибраций корпуса начинает уменьшаться с одновременным увеличением амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток 3 по датчику 4 пульсации статического давления воздушного потока.
?
Таким образом, дополнительное назначение аппроксимирующей верхней границы допустимого изменения амплитуды спектральной составляющей вибрации корпуса на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения частоты вращения колеса без учета касания, размещение на корпусе турбомашины в зоне лопаток рабочего колеса ротора датчика вибраций по которому в процессе работы осевой турбомашины регистрируют величину фактической амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток с изменением частоты вращения рабочего колеса, и определение момента касания лопаток вращающегося колеса о корпус турбомашины по одновременному увеличению амплитуды, регистрируемой датчиком вибраций выше верхней границы и уменьшению амплитуды, регистрируемой датчиком пульсации статического давления, ниже нижней границы пульсации статического давления воздушного потока обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в реализации его назначения, т.е. в создании способа диагностики касания лопаток рабочего колеса о корпус в составе осевой турбомашины, обеспечивающего расширение технических возможностей способа за счет повышения эффективности, надежности и помехоустойчивости при диагностировании момента касания лопатки рабочего колеса о корпус.