СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ АВТОКОЛЕБАНИЙ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 1997 года по МПК G01M9/00 F01D25/04 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может найти широкое применение при прочностной и аэродинамической доводке осевых турбин и компрессоров, а также при создании систем диагностики турбомашин как в авиации, так и в энергомашиностроении.

Известен способ диагностики колебаний рабочего колеса осевой турбомашины, основанный на измерении относительного сдвига фаз колебаний двух точек колеса, расположенных в окружном направлении, причем диагностика автоколебаний осуществляется по совпадению направления движения волны деформации с направлением вращения ротора [1]
Однако данный способ весьма трудоемкий, так как требует наклейки тензометров на лопатки, усиления сигналов с тензометров, фильтрацию этих сигналов в заданном диапазоне частот. Существенным требованием к реализации данного способа диагностики автоколебаний, затрудняющим его использование, является требование идентичности фазо-частотных характеристик измерительных каналов.

Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемому результату является способ диагностики автоколебаний рабочего колеса с помощью датчика пульсаций путем измерения пульсаций потока перед рабочим колесом, регистрации измеренного сигнала пульсации и последующего преобразования сигнала пульсаций в частотный спектр [2]
Момент возникновения автоколебаний фиксируют при наличии в спектре пульсаций гармонического сигнала хотя бы на одной из частот, равных сумме частоты собственных колебаний и частоты вращения колеса, умноженной на номер формы собственных колебаний, т.е.

f_n f_m + mf_p (1)
где f_m собственная частота колебаний,
f_p частота вращения ротора,
m номер собственной формы колебаний.

Однако данный способ характеризуется недостаточной эффективностью и надежностью, так как количество собственных форм, по которым могут возникать автоколебания может быть велико, и обнаружить в спектре пульсаций диагностическую частоту f_n при наличии сильного акустического шума и гармоник окружной неравномерности потока, свойственных рабочему процессу в реальной турбомашине, обычно трудно, вследствие чего этот способ не может быть использован на работающих турбомашинах в системах диагностики.

Целью изобретения является создание способа диагностики автоколебаний лопаток турбомашин, обладающего повышенной надежностью и эффективностью при низкой трудоемкости.

Другой задачей изобретения является создание такого способа диагностики автоколебаний лопаток турбомашин, который мог использоваться не только при создании и доводке опытного образца,но и применяться в системах диагностики существующих турбомашин в энергомашиностроении и в авиадвигателестроении в качестве способа, реализуемого в бортовой диагностической системе авиалайнера.

Это достигается за счет того, что в способе диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины путем измерения пульсаций потока перед рабочим колесом, регистрации измеренного сигнала пульсаций и последующего преобразования сигнала пульсаций в частотный спектр, пульсации регистрируют на частоте следования лопаток, а о моменте возникновения автоколебаний судят по появлению двух близких по величине и симметрично расположенных справа и слева относительно частоты следования лопаток частот; измеряют пульсации над и/или за рабочим колесом турбомашины.

При использовании изобретения достигается следующий технический результат: повышается эффективность и надежность диагностики автоколебаний лопаток колеса турбомашины за счет большей помехоустойчивости.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема реализации способа на экспериментальной турбомашине; на фиг. 2 спектр пульсаций потока в отсутствии автоколебаний; на фиг. 3 - спектр пульсаций потока при наличии автоколебаний.

Экспериментальная турбомашина, например, компрессор, содержит корпус 1 с неподвижными лопатками 2, ротор 3 с рабочими колесами 4 с рабочими лопатками 5, за компрессором установлен дроссель 6. Компрессор приводится во вращение приводом (на чертеже не показан). Перед, над или за рабочими лопатками 5 в корпусе установлены датчики 7,8 и 9.Датчиков по окружности корпуса может быть несколько, но достаточно и одного. Сигналы с датчиков 7,8 и 9 поступают в усилитель 10 и далее в анализатор спектра 11, где данные могут как фиксироваться (например,на магнитную ленту 11а), так и наблюдаться визуально. Цифрами 12-20 обозначены составляющие частотного спектра пульсаций на экране анализатора спектра.

При работе турбомашины с частотой вращения fp сигналы с датчиков пульсаций 7,8 и 9, помещенных в корпус 1 перед, за и над рабочим колесом 4, усиливаются усилителем 10 и передаются на экран анализатора спектра 11.

При отсутствии автоколебаний на экране анализатора спектра 11 наблюдают только роторные гармоники 12-16 окружной неравномерности потока и частоту 17 следования лопаток 5, равную nfp (фиг.2). В момент возникновения автоколебаний вблизи рабочего колеса возникает фазо-модулированная бегущая акустическая волна, при этом на экране анализатора спектра 11 кроме спектральной составляющей 20, определяемой по формуле (1), наблюдают для каждой формы колебаний колеса, по которой реализуются автоколебания, две другие спектральные составляющие 18 и 19, симметрично расположенные относительно частоты 17 следования лопаток 5 (фиг.3). То есть момент возникновения автоколебаний фиксируют по появлению в спектре пульсаций спектральных составляющих с частотами
f nf_p + f_n (2)
где nf_p частота 17 следования лопаток 5, а частота f_n определяется по формуле (1) для формы колебаний, по которой реализуются автоколебания. Уровни этих двух спектральных составляющих с точностью до погрешности измерений должны быть равны между собой. Если в спектре будут присутствовать какие-то две другие спектральные составляющие, также симметрично расположенные относительно частоты 17, но сильно отличающиеся по уровню, то они не являются диагностическими для автоколебаний. Расстояние по частоте, на котором располагается каждая из этих двух спектральных составляющих от частоты 17 следования лопаток, равно расстоянию, на котором располагается частота 20 от нулевого значения частоты в спектре пульсаций на фиг.3.

Использование данного способа обнаружения автоколебаний рабочего колеса осевой турбомашины позволяет оперативно обнаруживать синхронные автоколебания как в темпе эксперимента, так и на этапе вторичной обработки сигналов с датчиков пульсаций, записанных на магнитную ленту. При таком способе отпадает необходимость тензометрирования рабочих лопаток как средства обнаружения автоколебаний. Это сокращает стоимость и сроки проведения эксперимента, а также позволяет экономить ресурс испытуемого изделия на этапе прочностной доводки.

Метод позволяет также обнаруживать автоколебания на работающих турбомашинах как стационарно, так и на турбомашинах, установленных на различного рода судах (авиационных, морских, речных).

Использование: область энергомашиностроения. Сущность изобретения: о моменте возникновения автоколебаний судят по появлению двух частот, близких по величине и симметрично расположенных справа и слева относительно частоты следования лопаток. 3 ил.

Способ диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины путем измерения пульсаций потока неподвижным датчиком, помещенным в корпусе в зоне лопаток рабочего колеса, регистрации измеренного сигнала пульсаций, преобразования сигнала пульсаций в частотный спектр, регистрации частоты следования лопаток и сигнала пульсаций на диагностической частоте, равной сумме частоты автоколебаний системы и частоты вращения ротора, помноженной на номер собственной формы колебаний, отличающийся тем, что о моменте возникновения автоколебаний судят по появлению двух близких по величине сигналов на частотах, равноотстоящих от сигнала на частоте следования лопаток на величину, равную диагностической частоте.