СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 1998 года по МПК G01M15/00 F01D25/04 

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

Известен способ диагностики колебаний рабочего колеса осевой турбомашины, заключающейся в том, что измеряют пульсации потока газа вблизи рабочего колеса, преобразуют сигнал пульсаций в частотный спектр, а момент возникновения автоколебаний фиксируют по наличию в спектре пульсаций сигнала хотя бы на одной из диагностических частот, равных сумме частоты собственных колебаний лопатки в колесе и частоты вращения колеса, умноженной на номер собственной формы колебаний, т.е.

f_n1 = f_m + mf_р, (1)
где
f_nl -диагностическая частота колебаний лопаток, наблюдаемых в спектре пульсаций потока газа вблизи рабочего колеса при автоколебаниях;
f_m - собственная частота колебаний лопаток в колесе;
f_р - частота вращения колеса в роторе;
m - номер собственной формы колебаний, соответствующий количеству волн деформаций по окружности колеса [1].

Недостатком данного способа диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины является ограниченность его функциональных возможностей, так как количество форм, по которым могут возникать колебания, достаточно велико и обнаружить в спектре пульсаций диагностические частоты, характерные для аэроупругих колебаний, при наличии сильного акустического шума и гармоник окружной неравномерности потока, свойственных рабочему процессу в реальной турбомашине, обычно трудно. Кроме того, при различных видах аэроупругих колебаний лопаток, характеризующихся наличием колебаний лопаток с бегущими по колесу волнами деформации, таких как автоколебания или вращающийся срыв, диагностика их вида указанным способом практически невозможна, поскольку значения диагностических частот для этого случая могут быть близки между собой или даже совпадать.

Наиболее близким к изобретению является способ диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины, заключающейся в регистрации сигнала датчика пульсаций потока газа, размещенного неподвижно в корпусе турбомашины в зоне рабочего колеса, преобразовании указанного сигнала в частотный спектр, регистрации частоты следования лопаток и наблюдении двух симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток составляющих спектра, характеризующих колебания лопаток с бегущими по колесу волнами деформации [2].

Недостаток известного способа - узкие функциональные возможности. Действительно, известный способ позволяет определять лишь момент возникновения автоколебаний, относящихся к аэроупругим колебаниям, характеризующимся наличием бегущих по колесу волн деформации, при этом указанный момент фиксируется по появлению в спектре пульсаций потока газа двух составляющих на диагностических частотах автоколебаний, симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток.

Вместе с тем установлено, что присутствие в спектре пульсаций потока газа двух составляющих, симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток, может соответствовать не только наличию автоколебаний, но и наличию другого вида аэроупругих колебаний, а именно колебаний от вращающегося срыва [3]. Последние также характеризуются наличием бегущей по колесу волны деформации, но в отличие от автоколебаний эта волна движется по колесу в противоположном направлении. Диагностическая частота пульсаций в этом случае определяется по формуле
f_n2 = f_р - f_л, (2)
где
f_n2 - диагностическая частота в спектре пульсаций потока при колебаниях от вращающегося срыва;
f_р - частота вращения ротора;
f_л - частота колебаний лопатки при вращающемся срыве [4].

При этом автоколебания и колебания от вращающегося срыва являются взаимоисключающими явлениями, а частоты, на которых наблюдаются упомянутые выше диагностические составляющие в спектре на стационарном режиме работы турбомашины, различны, поэтому известный способ диагностики дает надежные результаты только при определенных условиях, когда наблюдаемые составляющие спектра пульсаций потока газа устойчиво располагаются на диагностических частотах автоколебаний.

На нестационарных режимах работы турбомашины происходит непрерывное изменение положения на оси частот составляющих спектра пульсаций потока газа. При этом цикл, включающий регистрацию сигнала датчика пульсаций потока, преобразование этого сигнала в частотный спектр, вывод спектра на устройство индикации и считывание информации с него оператором, занимает вполне ощутимый временной отрезок, поэтому для некоторых конструкций рабочих колес, для которых характерны близкие значения диагностических частот автоколебаний и колебаний от вращающегося срыва, известный способ (в особенности на быстроменяющихся по частоте вращения режимах работы) позволяет по появлению в спектре составляющих, симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток, установить только то, что возникли аэроупругие колебания с бегущими по колесу волнами деформации. Однако установить направление движения такой волны и тем самым определить, какой вид аэроупругих колебаний начинает развиваться, известный способ не позволяет.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения возможности диагностирования не только возникновения бегущей по колесу волны деформации, но и определения направления движения этой волны по колесу.

Это достигается за счет того, что в способе диагностики колебаний лопаток рабочего колеса турбомашины, заключающемся в регистрации сигнала датчика пульсации потока, преобразовании сигнала в частотный спектр, регистрации частоты следования лопаток и наблюдении двух, симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток, составляющих спектра, характеризующих колебаний лопаток с бегущими по колесу волнами деформации, дополнительно сравнивают между собой в процессе развития колебаний величины указанных составляющих спектра и по результатам сравнения судят о направлении движения бегущей по колесу волны деформации.

Задачей изобретения является также расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения возможности определения изменения амплитуды колебаний лопаток колеса.

Это достигается за счет того, что фиксируют разность величин сравниваемых составляющих спектра и по ней судят об изменении амплитуды колебаний лопаток колеса.

Предлагаем способ диагностики колебаний лопаток рабочего колеса турбомашины отличается от прототипа тем, что дополнительно сравнивают между собой в процессе развития колебаний величины составляющих спектра, характеризующих колебания лопаток с бегущими по колесу волнами деформации, и по результатам сравнения судят о направлении движения указанных волн.

Влияние перечисленных отличительных признаков на достигаемый технический результат подтверждается результатами экспериментов.

В процессе экспериментальных исследований, проведенных на компрессорах авиационных двигателей, наблюдали составляющие в спектре пульсаций потока, симметрично равноотстоящие от частоты следования лопаток, при этом установлено, что при колебаниях от вращающегося срыва спектральная составляющая с меньшей частотой по величине больше, чем спектральная составляющая с большей частотой, а при автоколебаниях - наоборот.

Другим отличием предлагаемого способа от прототипа является то, что фиксируют разность величин сравниваемых составляющих спектра и по ней судят об изменении амплитуды колебаний лопаток колеса.

Влияние перечисленных отличительных признаков на второй из достигаемых изобретением технических результатов подтверждается прямыми сравнениями с результатами тензометрирования лопаток, при которых определялся уровень напряжений и амплитуды колебаний.

На фиг. 1 показано устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 2 - спектр пульсаций потока газа в отсутствие аэроупругих колебаний; на фиг. 3 - спектр пульсаций потока газа в момент возникновения аэроупругих колебаний, причем на графике для наглядности совмещены два спектра: один соответствует моменту возникновения автоколебаний, второй соответствует моменту возникновения колебаний от вращающегося срыва; на фиг. 4 - спектр пульсаций потока газа при развитых аэроупругих колебаниях с направлением движения бегущей по колесу волны деформаций, соответствующим автоколебаниям; на фиг. 5 - спектр пульсаций потока газа при развитых аэроупругих колебаниях с направлением движения бегущей по колесу волны деформаций, соответствующим наличию колебаний от вращающегося срыва.

Реализацию предлагаемого способа диагностики рассмотрим на примере экспериментальной турбомашины, например компрессора, содержащего корпус 1 с неподвижными лопатками 2, ротор 3 с рабочими колесами 4, оснащенными рабочими лопатками 5. За компрессором установлен регулируемый дроссель 6. Компрессор приводится во вращение приводом (не показан). Вблизи исследуемого рабочего колеса 4, перед, над или за его рабочими лопатками 5 в корпусе 1 установлены датчики пульсаций давления 7, 8 и 9, причем каждому из показанных на фиг. 1 вариантов положения датчика относительно лопаток 5 может соответствовать один или несколько датчиков, расположенных по окружности корпуса 1 (последний вариант на чертеже не показан). Выход датчиков 7, 8 и 9 через многоканальный усилитель 10 подключены ко входу анализатора спектра 11, выход которого подключен ко входу магнитного регистратора 12. Анализатор 11 и регистратор 12 могут быть как многоканальными, так и иметь переключатель на входе для выбора одного канала, соответствующего определенному датчику.

Способ осуществляют следующим образом.

При работе турбомашины, ротор которой вращается с частотой f_р, сигнал с выбранного датчика 7, 8 и 9 пульсаций давления через усилитель 10 поступает на вход анализатора спектра 11 и на вход магнитного регистратора 12.

В отсутствие аэроупругих колебаний на экране анализатора спектра 11 (фиг. 2) наблюдаются только роторные гармоники 13, 14, 15, 16, 17 и частота следования лопаток 18, равная nf_р. В дальнейшем изменяют проходное сечение регулируемого дросселя 6 (меняют коэффициент дросселирования потока) и наблюдают изменение положения и величины спектральных составляющих на экране анализатора спектра 11. В реальном двигателе роль дросселя 6 обычно играют поворотные лопатки спрямляющих аппаратов или регулируемые створки реактивного сопла. В момент возникновения аэроупругих колебаний возникают бегущие по колесу волны деформации, порождающие фазомодулированные бегущие акустические волны. При этом в спектре (фиг. 3) для каждой формы колебаний колеса, по которой реализуются автоколебания и колебания от вращающегося срыва, наблюдают две спектральные составляющие 19 и 20 (в случае автоколебаний лопаток) или 19' и 20' (в случае возникновения колебаний от вращающегося срыва) и соответствующие составляющие 21 или 21' на частотах, определяемых выражениями (1) и (2). Указанные пики наблюдаются на частотах
f_{19,20 (19',20')} = f₁₈± f_n1(n2),
где
f_19,20 - частоты наблюдения симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток пиков 19 и 20 (автоколебания);
f_19',20' - частоты наблюдения симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток пиков 19' и 20' (вращающийся срыв);
f_n1 - диагностическая частота автоколебаний;
f_n2 - диагностическая частота вращающегося срыва.

Как только указанные пики уверенно превысят уровень вибрационных шумов, можно уверенно говорить о моменте возникновения аэроупругих колебаний лопаток рабочего колеса.

Причем, в силу близости друг к другу местоположения составляющих спектра 19 и 19', а также - 20 и 20', можно с равной вероятностью предполагать наличие того или иного вида аэроупругих колебаний.

Амплитуда аэроупругих колебаний в момент их возникновения соответствует уровню вибрационных шумов, что в свою очередь соответствует примерному равенству составляющих спектра 19 и 20 или 19' и 20' [2]. Изменение соотношений между этими спектральными составляющими соответствует росту амплитуд аэроупругих колебаний, которое, как правило, прежде не допускалось, потому что оно происходило очень быстро, сопровождалось поломкой лопаток и не могло быть зарегистрировано. Однако с появлением новых конструкций рабочих колес с повышенными демпфирующими свойствами нарастание амплитуд колебаний стало происходить существенно медленнее и сами величины амплитуд стали меньше, вследствие чего появилась возможность регистрировать и анализировать процесс развития аэроупругих колебаний, а также допускать их существование в эксплуатации. Исследования, проведенные в последнее время на таких рабочих колесах, показали, что в этом случае на экране анализатора 11 будут наблюдаться следующие изменения.

Если направление бегущих по колесу волн деформации соответствует автоколебаниям (фиг. 4) (в спектре присутствуют составляющие 19 и 20), то в начале будет наблюдаться одновременный рост составляющих спектра 19 и 20, но затем по мере увеличения амплитуды колебаний лопаток спектральная составляющая 20 начнет обгонять спектральную составляющую 19 и их сравнение между собой даст возможность наблюдателю уверенно судить о том, что направление движения бегущих по колесу волн деформации совпадает с направлением вращения колеса, что соответствует случаю развившихся автоколебаний.

В том случае, когда направление бегущих по колесу волн деформации будет противоположно направлению вращения колеса, в спектре пульсаций потока будут присутствовать спектральные составляющие 19' и 20', трудноразличимые от составляющих 19 и 20 из-за их примерно одинакового расположения на оси частот. Однако эти составляющие поведут себя по мере развития аэроупругих колебаний качественно по иному. По мере увеличения амплитуды колебаний составляющая 19' начнет заметно обгонять составляющую 20' и сравнение их величин между собой даст возможность судить о наличии колебаний от вращающегося срыва.

Таким образом, простым сравнением между собой составляющих спектра пульсаций потока симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток и характеризующих колебания с бегущими по колесу волнами деформации, удается сделать однозначный вывод о направлении движения указанных волн и, следовательно, определить вид развивающихся в данный момент аэроупругих колебаний. Наличие информации о последнем позволяет принять меры, соответствующие обнаруженному виду аэроупругих колебаний.

Измерение разности величин сравниваемых составляющих спектра позволяет судить по ней об изменении амплитуды колебаний лопаток колеса в данный момент времени по сравнению с амплитудой в момент возникновения аэроупругих колебаний.

Изобретение предназначено для использования в энергомашиностроении. Способ диагностики заключается в том, что в процессе развития аэроупругих колебаний сравнивают между собой величины двух симметрично расположенных от частоты следования лопаток составляющих спектра пульсаций потока. По результатам сравнения судят о направлении бегущей по колесу волны деформации, дополнительно фиксируют разность величин указанных составляющих спектра и по ней делают вывод об изменении амплитуды колебаний лопаток колеса. Способ позволяет определить вид развивающихся в данный момент аэроупругих колебаний, что позволяет принять меры, соответствующие обнаруженному виду аэроупругих колебаний. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины, заключающийся в регистрации сигнала датчика пульсаций потока, преобразовании сигнала в частотный спектр, регистрации частоты следования лопаток и наблюдении двух симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток составляющих спектра, характеризующих колебания лопаток с бегущими по колесу волнами деформации, отличающийся тем, что сравнивают между собой в процессе развития колебаний величины указанных составляющих спектра и по результатам сравнения судят о направлении движения бегущих по колесу волн деформации. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фиксируют разность величин сравниваемых составляющих спектра и по ней судят об изменении амплитуды колебаний лопаток колеса.