Патент на изобретение №2296970

(54) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ АВТОКОЛЕБАНИЙ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБОМАШИНЫ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к авиадвигателестроению и энергомашиностроению и может найти применение при прочностной доводке компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) при стендовых испытаниях и в процессе эксплуатации, а также для создания систем диагностики автоколебаний как в авиации, так и в энергомашиностроении. Технической задачей изобретения является повышение эффективности и надежности способа, что позволяет его использовать в режиме реального времени с целью своевременного обнаружения и предотвращения опасных напряжений в лопатках. Также технической задачей способа является обеспечение возможности диагностирования в спектре вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток, что является подтверждением появления автоколебаний. Поставленная техническая задача достигается двумя способами. Вариант 1. В способе диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины в качестве динамического параметра используют корпусную вибрацию и следят за изменением диагностической частоты. Момент возникновения автоколебаний фиксируют по достижению заданного значения отношения изменения корпусной вибрации с диагностической частотой к изменению частоты вращения рабочего колеса. Для подтверждения полученной информации о моменте возникновения автоколебаний судят по появлению в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток. Измерение корпусной вибрации осуществляют измерительными преобразователями (датчиками), установленными в штатных местах крепления. Вариант 2. В способе диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины в качестве динамического параметра используют корпусную вибрацию и следят за изменением диагностической частоты. Момент возникновения автоколебаний фиксируют по достижению корпусной вибрацией с диагностической частотой предельного значения, соответствующего предельному значению напряжения в лопатке. Для подтверждения полученной информации о моменте возникновения автоколебаний судят по появлению в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток. Измерение корпусной вибрации осуществляют измерительными преобразователями (датчиками), установленными в штатных местах крепления. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к авиадвигателестроению и энергомашиностроению и может найти применение при прочностной доводке компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) при стендовых испытаниях и в процессе эксплуатации, а также для создания систем диагностики автоколебаний как в авиации, так и в энергомашиностроении.

Известен способ диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины (Кулагина В.А. и др. Исследование процессов возникновения и развития автоколебаний в компрессорных лопатках. Труды ЦИАМ №1064. – М.: 1983, С.254-266), при котором измеряют пульсации потока газа вблизи рабочего колеса, преобразуют сигнал пульсаций в частотный спектр, фиксируют момент возникновения автоколебаний по наличию в спектре пульсаций сигнала хотя бы на одной из диагностических частот, равных сумме частоты собственных колебаний лопатки и частоты вращения рабочего колеса, умноженной на номер собственной формы колебаний, т.е.

где f_n1 – диагностическая частота колебаний лопаток, наблюдаемых в спектре пульсаций потока газа вблизи рабочего колеса при автоколебаниях;

f_m – собственная частота колебаний лопаток;

m – номер собственной формы колебаний;

f_p – частота вращения рабочего колеса на роторе.

Однако при данном способе диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины достаточно сложно определить в спектре пульсаций диагностическую частоту из-за наличия интенсивного акустического шума и гармоник окружной неравномерности потока, свойственных рабочему процессу в реальной турбомашине.

Наиболее близким к изобретению является способ диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины (патент RU 2076307, МПК G01M 9/00, приоритет 30.06.94, опубл. 27.03.97), при котором измеряют и регистрируют в виде частотного спектра величину одного из динамических параметров турбомашины, определяют диагностическую частоту колебаний лопаток в этом спектре и фиксируют момент возникновения автоколебаний.

В качестве измеряемого параметра используют пульсации потока в зоне лопаток рабочего колеса турбомашины, при этом регистрируют частоту следования лопаток и сигнал пульсаций на диагностической частоте, равной сумме частоты автоколебаний системы и частоты вращения ротора, помноженной на номер собственной формы колебаний (1). Момент возникновения автоколебаний в данном способе фиксируют по появлению двух близких по величине сигналов на частотах, равноотстоящих от сигнала на частоте следования лопаток на величину, равную диагностической частоте.

При осуществлении этого способа используют датчики, установленные в специальных местах: перед, над или за рабочими лопатками.

Этому способу присущи те же недостатки, что и предыдущему, т.к. в качестве измеряемого динамического параметра также используют пульсации потока в зоне лопаток рабочего колеса. В пульсационном сигнале для диагностирования автоколебаний регистрируют сигнал на частоте следования лопаток, равной произведению частоты рабочего колеса на число установленных на нем лопаток, что требует достаточно широкого частотного диапазона. Поскольку величина полезного сигнала с диагностической частотой в пульсационном сигнале соизмерима с уровнем акустического шума, это затрудняет диагностирование автоколебаний в режиме реального времени из-за сложности выделения диагностической частоты из зашумленного широкополосного сигнала.

В данном спектре сигнал с собственной частотой колебаний лопаток, являющийся подтверждением появления автоколебаний, отсутствует.

Все это делает данный способ малонадежным и низкоэффективным.

Кроме того, данный способ основан на применении датчиков, которые не требуются в эксплуатации турбомашины, что связано с дополнительными затратами на реализацию способа.

Технической задачей изобретения является использование в качестве динамического параметра для диагностики автоколебаний рабочего колеса корпусную вибрацию, позволяющую определять в более узком частотном диапазоне диагностическую частоту с амплитудой, превышающей уровень шума, что повышает эффективность и надежность способа и позволяет его использовать в режиме реального времени с целью своевременного обнаружения и предотвращения опасных напряжений в лопатках.

Также технической задачей способа является обеспечение возможности диагностирования в спектре вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток, что является подтверждением появления автоколебаний.

Дополнительной технической задачей является использование для диагностики датчиков, применяющихся в эксплуатации турбомашины, что снижает затраты на реализацию способа.

Поставленная техническая задача достигается двумя способами.

Вариант 1. В способе диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины измеряют и регистрируют в виде частотного спектра величину одного из динамических параметров турбомашины, определяют диагностическую частоту колебаний лопаток в этом частотном спектре и фиксируют момент возникновения автоколебаний.

Новым в предлагаемом способе является то, что в качестве динамического параметра используют корпусную вибрацию и следят за изменением диагностической частоты. Момент возникновения автоколебаний фиксируют по достижению заданного значения отношения изменения корпусной вибрации с диагностической частотой к изменению частоты вращения рабочего колеса.

Для подтверждения полученной информации о моменте возникновения автоколебаний судят по появлению в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток.

Измерение корпусной вибрации осуществляют измерительными преобразователями (датчиками), установленными в штатных местах крепления (в соответствии с Нормами прочности).

Вариант 2. В способе диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины измеряют и регистрируют в виде частотного спектра величину одного из динамических параметров турбомашины, определяют диагностическую частоту колебаний лопаток в этом частотном спектре и фиксируют момент возникновения автоколебаний.

Новым в предлагаемом способе является то, что в качестве динамического параметра используют корпусную вибрацию и следят за изменением диагностической частоты. Момент возникновения автоколебаний фиксируют по достижению корпусной вибрацией с диагностической частотой предельного значения, соответствующего предельному значению напряжения в лопатке.

Для подтверждения полученной информации о моменте возникновения автоколебаний судят по появлению в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток.

Измерение корпусной вибрации осуществляют измерительными преобразователями (датчиками), установленными в штатных местах крепления (в соответствии с Нормами прочности).

Способ диагностики рабочего колеса турбомашины осуществляется следующим образом.

Вариант 1. В качестве динамического параметра турбомашины используют корпусную вибрацию, которую измеряют измерительными преобразователями, установленными в штатных местах крепления, и виброаппаратурой, предназначенной для измерения корпусной вибрации, и регистрируют в виде частотного спектра.

Определяют в спектре корпусной вибрации диагностическую частоту колебаний лопаток f_V1, наблюдаемую при автоколебаниях, по формуле

где f_m – собственная частота колебаний лопаток, определяемая экспериментально или расчетным способом;

m – номер собственной формы колебаний с числом узловых диаметров колебаний рабочего колеса;

f_p – частота вращения рабочего колеса ротора.

Дополнительно диагностируют появление в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток f_m.

Следят за изменением диагностической частоты f_V1.

Момент возникновения автоколебаний фиксируют по достижению заданного значения отношения изменения корпусной вибрации с диагностической частотой к изменению частоты вращения рабочего колеса.

Подтверждением возникновения автоколебаний является наличие в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток f_m.

Вариант 2. В качестве динамического параметра турбомашины используют корпусную вибрацию, которую измеряют измерительными преобразователями, установленными в штатных местах крепления, и виброаппаратурой, предназначенной для измерения корпусной вибрации, и регистрируют в виде частотного спектра.

Определяют в спектре корпусной вибрации диагностическую частоту колебаний лопаток f_V1, наблюдаемую при автоколебаниях, по формуле

где f_m – собственная частота колебаний лопаток, определяемая экспериментально или расчетным способом;

m – номер собственной формы колебаний с числом узловых диаметров колебаний рабочего колеса;

f_p – частота вращения рабочего колеса на роторе.

Дополнительно диагностируют появление в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток f_m.

Следят за изменением диагностической частоты f_V1.

Момент возникновения автоколебаний фиксируют по достижению корпусной вибрацией с диагностической частотой предельного значения, соответствующего предельному значению напряжения в лопатке.

Подтверждением возникновения автоколебаний является наличие в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток f_m.

Пример 1.

Способ реализован при проведении стендовых испытаний в процессе опытной доводки авиационного ГТД при различных условиях его работы (например, степени раскрытия сопла, наличия дросселирующей решетки на входе и т.п.). В ходе испытаний выявлены доминирующие составляющие в спектре вибраций как при нормальной работе двигателя, так и при неустойчивой работе вентиляторной ступени компрессора при различных значениях площади проходного сечения выходного устройства, и определены диапазон изменения, темп изменения диагностической частоты, особенности ее проявления, а также соотношения между уровнями вибраций на корпусе и напряжений на лопатках вентилятора. В результате определен состав аппаратуры и установлено значение отношения изменения корпусной вибрации с диагностической частотой к частоте вращения рабочего колеса, что необходимо для выявления и своевременного предотвращения опасных колебаний лопаток. Измерение корпусной вибрации осуществлялось измерительными преобразователями, установленными в штатных местах крепления. В качестве контролируемого параметра вибрации использовалась амплитуда виброскорости, измеряемая и регистрируемая виброаппаратурой. В связи с тем, что для диагностирования автоколебаний по корпусной вибрации не требуется регистрировать сигнал на частоте следования лопаток, диагностирование проводилось в частотном диапазоне, верхняя граница которого была в 5 раз меньше наибольшей частоты следования лопаток, при которой возникали автоколебания.

С помощью алгоритмов спектрального анализа преобразовывали вибрационной сигнал в частотный спектр, определяли диагностическую частоту f_v1 по формуле (2) и следили за ее изменением в спектре корпусной вибрации. При этом дополнительно диагностировали в нем составляющую с собственной частотой колебаний лопаток f_m. Диагностическая частота f_v1 в ходе испытаний составляла от 179 до 213 Гц при номере собственной формы колебаний с числом узловых диаметров m=2. Спектр вибраций при нормальной работе ГТД определялся амплитудами виброскорости с частотами вращения первых роторных гармоник, а при достижении частот вращения ротора, на которых возникали автоколебания, кроме указанных выше составляющих, имел составляющую с собственной частотой колебаний лопатки вентилятора и диагностическую частоту, которая появлялась в спектре вибраций внезапно и имела достаточно высокий темп изменения по амплитуде.

Момент возникновения автоколебаний фиксировали по достижению заданного значения отношения изменения корпусной вибрации с диагностической частотой к изменению частоты вращения рабочего колеса. О моменте возникновения автоколебаний также судили по появлению в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток f_m.

Пример 2.

Способ реализован при проведении стендовых испытаний в процессе опытной доводки авиационного ГТД при различных условиях его работы (например, степени раскрытия сопла, наличия дросселирующей решетки на входе и т.п.). В ходе испытаний выявлены доминирующие составляющие в спектре вибраций как при нормальной работе двигателя, так и при неустойчивой работе вентиляторной ступени компрессора при различных значениях площади проходного сечения выходного устройства, и определены диапазон изменения, темп изменения диагностической частоты, особенности ее проявления, а также соотношения между уровнями вибраций на корпусе и напряжений на лопатках вентилятора. В результате определен состав аппаратуры и определены предельные значения напряжений в лопатках, что необходимо для выявления и своевременного предотвращения опасных колебаний лопаток. Измерение корпусной вибрации осуществлялось измерительными преобразователями, установленными в штатных местах крепления. В качестве контролируемого параметра вибрации использовалась амплитуда виброскорости, измеряемая и регистрируемая виброаппаратурой. В связи с тем, что для диагностирования автоколебаний по корпусной вибрации не требуется регистрировать сигнал на частоте следования лопаток, диагностирование проводилось в частотном диапазоне, верхняя граница которого была в 5 раз меньше наибольшей частоты следования лопаток, при которой возникали автоколебания.

С помощью алгоритмов спектрального анализа преобразовывали вибрационной сигнал в частотный спектр, определяли диагностическую частоту f_v1 по формуле (2) и следили за ее изменением в спектре корпусной вибрации. При этом дополнительно диагностировали в нем составляющей с собственной частотой колебаний лопаток f_m. Диагностическая частота f_v1 в ходе испытаний составляла от 179 до 213 Гц при номере собственной формы колебаний с числом узловых диаметров m=2. Спектр вибраций при нормальной работе ГТД определялся амплитудами виброскорости с частотами вращения первых роторных гармоник, а при достижении частот вращения ротора, на которых возникали автоколебания, кроме указанных выше составляющих, имел составляющую с собственной частотой колебаний лопатки вентилятора и диагностическую частоту, которая появлялась в спектре вибраций внезапно и имела достаточно высокий темп изменения по амплитуде.

Момент возникновения автоколебаний фиксировали по достижению корпусной вибрацией с диагностической частотой предельного значения, соответствующего ранее определенному предельному значению напряжения в лопатке. О моменте возникновения автоколебаний также судили по появлению в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток f_m.

Изобретение позволило создать способ диагностики автоколебаний лопаток турбомашин в режиме реального времени, обладающий повышенной надежностью и эффективностью, не допускающий возникновения опасных напряжений на лопатках турбомашины и используемый как в процессе его опытной доводки, так и на этапе эксплуатации.

Формула изобретения

1. Способ диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины, при котором измеряют и регистрируют в виде частотного спектра величину одного из динамических параметров турбомашины, определяют диагностическую частоту колебаний лопаток в этом частотном спектре и фиксируют момент возникновения автоколебаний, отличающийся тем, что в качестве динамического параметра используют корпусную вибрацию, следят за изменением диагностической частоты, при этом момент возникновения автоколебаний фиксируют по достижению заданного значения отношения изменения корпусной вибрации с диагностической частотой к изменению частоты вращения рабочего колеса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что о моменте возникновения автоколебаний судят по появлению в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что измерение корпусной вибрации осуществляют измерительными преобразователями, установленными в штатных местах крепления.

4. Способ диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины, при котором измеряют и регистрируют в виде частотного спектра величину одного из динамических параметров турбомашины, определяют диагностическую частоту колебаний лопаток в этом частотном спектре и фиксируют момент возникновения автоколебаний, отличающийся тем, что в качестве динамического параметра используют корпусную вибрацию, следят за изменением диагностической частоты, при этом момент возникновения автоколебаний фиксируют по достижению корпусной вибрацией с диагностической частотой предельного значения, соответствующего предельному значению напряжения в лопатке.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что о моменте возникновения автоколебаний судят по появлению в спектре корпусной вибрации составляющей с собственной частотой колебаний лопаток.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что измерение корпусной вибрации осуществляют измерительными преобразователями, установленными в штатных местах крепления.