Устройство диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины

 

Устройство предназначено для бесконтактной диагностики резонансных колебаний лопаток при прочностной аэродинамической доводке осевых турбин и компрессоров, а также при создании систем диагностики осевых турбомашин в авиации и энергомашиностроении. Указанный технический результат достигается тем, что устройство включает анализатор колебаний лопаток (АКЛ) и индикатор колебаний лопаток (ИКЛ). АКЛ содержит формирователь импульсов (ФИ), счетчик импульсов (СИ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор (К), первый согласующий усилитель (ПСУ), активный полосовой фильтр (АПФ), амплитудный детектор (АД), второй согласующий усилитель (ВСУ), преобразователь частоты (ПЧ) и третий согласующий усилитель (ТСУ) Выход датчика пульсации потока соединен с последовательно соединенными ПСУ, АПФ, АД, К и ВСУ. Выход ВСУ является выходом анализатора колебаний лопаток АКЛ и соединен с ИКЛ, выход датчика частоты вращения ротора соединен с ФИ и ПЧ. Выход ФИ соединен с последовательно соединенным СИ, ПЗУ и ЦАП. Выход ЦАП соединен с К. Выход ПЧ соединен через ТСУ с АПФ.

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

Усовершенствование характеристик осевых турбомашин, например, авиационных двигателей, приводит к увеличению скорости и повышению энергонапряженности рабочих процессов, к усложнению конструктивных схем двигателей, к использованию легких и тонкостенных элементов конструкции. Вследствие этого усложняется характер вибрации, и увеличиваются вибрационные нагрузки на детали двигателя, то есть увеличивается интенсивность и опасность вибрации, о чем свидетельствует значительная доля вибрационных дефектов.

Уменьшение вибрации становится неотъемлемым условием обеспечения высокого качества любого двигателя и ведется на всех этапах его жизненного цикла. Контроль уровня вибраций лопаток рабочего колеса в составе двигателя превращается в технологическую операцию, выполняемую при создании двигателя, его серийном изготовлении и эксплуатации.

Известно, что резонанс вызывает резкое возрастание амплитуды установившихся вынужденных колебаний системы вплоть до разрушения при приближении частоты внешнего гармонического воздействия, к какой-либо из частот собственных колебаний системы. Для повышения надежности работы и предупреждения разрушения турбомашин весьма важно выявление и измерение резонансных вибраций лопаток рабочего колеса в условиях эксплуатации, так как во многих случаях именно эти колебания представляют наибольшую опасность. В турбомашинах резонансные колебания лопаток зависят от взаимосвязанности лопаток, входящих в состав рабочего колеса. В случае слабой связанности каждая лопатка резонирует при совпадении ее собственной частоты с частотой возбуждения, независимо от поведения других лопаток. В случае сильной связанности поведение каждой лопатки зависит от динамического состояния лопаточного венца или колеса в целом. При возникновении резонансных колебаний рабочего колеса турбомашины, возбуждаемых входной неравномерностью потока, в рабочем колесе (вращающаяся система координат) реализуется бегущая волна деформаций, а в потоке (неподвижная система координат) реализуется стоячая волна деформаций.

Известно устройство для бесконтактного определения резонансных колебаний рабочих лопаток турбомашин (Авт. свидетельство СССР 326473, МКИ G01M 7/00, 24.11.1970). Устройство содержит импульсные датчики, измерители временных интервалов, сигнальную лампу, цифровой частотомер и блок сравнения. Один из импульсных датчиков установлен около ротора, а два других - у периферийных и корневых участков лопаток. Блок сравнения установлен между сигнальной лампой и измерителем временных интервалов. Блок сравнения управляет вентилем резонанса, через который один из измерителей временных интервалов посредством блока задержки подключен к цифровому частотомеру. Устройство позволяет определять момент возникновения и частоту резонансных колебаний конкретной лопатки. Однако устройство сложно реализуемо в эксплуатационных условиях, из-за необходимости расположения датчиков около ротора и у периферийных и корневых участков лопаток.

Известно устройство контроля резонансных вибраций рабочих лопаток ступени турбомашины в процессе эксплуатации (Авт. свидетельство СССР 666454, МКИ G01H 13/00, 14.02.1977). Устройство содержит ротор с лопаточными венцами, на котором установлен датчик частоты вращения ротора, связанный с генератором и усилителем соединенными с демодулятором, подключенным к анализатору гармоник, связанному с самописцем уровня вибраций. Устройство позволяет устанавливать межремонтные сроки роторов турбомашин по их фактическому состоянию, что уменьшает объем межремонтных работ. Однако данный способ решает задачу определения уровня амплитуды вибрации лопаток при резонансе, но этот метод сложно применять для диагностирования момента возникновения резонанса из-за сильной зашумленности вибрационного сигнала в эксплуатационных условиях.

Известно устройство сигнализатора колебаний лопаток рабочих колес турбомашин (Авт. свидетельство СССР 236825, 1969 г.). Устройство содержит импульсные датчики, генерирующие импульсы в моменты прохождения мимо них лопаток рабочего колеса, формирователи сигналов датчиков в короткие импульсы прямоугольной формы, схему совпадения и сигнальную лампочку. Устройство позволяет контролировать вибронапряженность лопаток по амплитудам перемещений их концов. Однако эти измерения параметров резонансных колебаний могут производиться только в условиях медленно вращающейся окружной неравномерности, что делает данный способ неэффективным для реальной окружной неравномерности потока.

Наиболее близким из известных устройств по технической сущности является устройство, реализующее способ диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины (патент РФ 2111469, G01M 15/00, 11.04.1997), основанный на измерении пульсаций статического давления датчиком, помещенным неподвижно в корпусе турбомашины в зоне рабочего колеса, преобразовании сигнала с этого датчика в частотный спектр, регистрации частоты следования лопаток и наблюдении двух симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток составляющих спектра, характеризующих колебания лопаток с бегущими волнами деформации, что позволяет судить о направлении бегущих по колесу волн деформации, а в конечном счете, о возникновении флаттера или вращающегося срыва. Устройство позволяет определить момент возникновения резонансных колебаний лопаток от вращающегося срыва, но не позволяет диагностировать колебания, возбуждаемые входной неравномерностью потока, так как при этом в потоке реализуется не бегущая, а стоячая волна.

В основу полезной модели положено решение задачи бесконтактной диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины.

Поставленная задача решается тем, что устройство диагностики резонансных колебаний содержит датчик частоты вращения ротора и бесконтактный датчик пульсации потока, соединенные с анализатором колебаний лопаток (АКЛ) рабочего колеса, где датчик частоты вращения установлен на роторе, датчик пульсации потока - в корпусе над лопатками рабочего колеса.

Новым в полезной модели является то, что устройство включает индикатор колебаний лопаток (ИКЛ), а АКЛ содержит формирователь импульсов (ФУ), счетчик импульсов (СИ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор (К), первый согласующий усилитель (ПСУ), активный полосовой фильтр (АПФ), амплитудный детектор (АД), второй согласующий усилитель (ВСУ), преобразователь частоты (ПЧ) и третий согласующий усилитель (ТСУ), где выход датчика пульсации потока соединен с последовательно соединенными ПСУ, АПФ, АД, К и ВСУ, выход ВСУ является выходом АКЛ и соединен с ИКЛ, выход датчика частоты вращения соединен ФИ и ПЧ, выход ФИ соединен с последовательно соединенным СИ, ПЗУ и ЦАП, выход ЦАП соединен с К, выход ПЧ соединен через ТСУ с АПФ.

При такой конструкции устройства диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса осевой турбомашины:

- включение в устройство индикатора колебаний лопаток ИКЛ позволяет повысить эффективность обнаружения резонанса и автоматизировать процесс диагностики;

- наличие в анализаторе колебаний лопаток АКЛ формирователя импульсов ФИ, счетчика импульсов СИ, постоянного запоминающегося устройства ПЗУ, цифроаналогового преобразователя ЦАП, компаратора К, первого согласующего усилителя ПСУ, активного полосового фильтра АПФ, амплитудного детектора АД, второго согласующего усилителя ВСУ, преобразователя частоты ПЧ и третьего согласующего усилителя ТСУ обеспечивает надежное обнаружение момента развития резонанса и выдачу сигнала на выход устройства в режиме реального времени;

- соединение выхода датчика пульсации потока с последовательно соединенными ПСУ, АПФ, АД, К и ВСУ, где выход ВСУ является выходом АКЛ и соединен с ИКЛ обеспечивает выделение амплитуды гармонической составляющей на частоте следования лопаток из сигнала с датчика пульсаций потока, сравнение уровня амплитуды с пороговым сигналом и выдачу сигнала на ИКЛ при наличии резонансных колебаний лопаток;

- соединение выхода датчика частоты вращения с ФИ, где выход ФИ соединен с последовательно соединенными СИ, ПЗУ, ЦАП и К обеспечивает формирование опорного сигнала соответствующего нижней аппроксимирующей границе;

- соединение выхода датчика частоты вращения с ПЧ, где выход ПЧ соединен через ТСУ с АПФ обеспечивает формирование сигнала с частотой следования лопатки для управления фильтром АПФ.

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

В процессе экспериментальных исследований, проведенных на компрессорах авиационных двигателей, наблюдали спектральную составляющую пульсаций в потоке воздуха на частоте следования лопаток. При этом было установлено, что с увеличением частоты вращения ротора спектральная составляющая на частоте следования лопаток монотонно увеличивается, но в момент возбуждения резонансных колебаний лопаток она резко убывает. При выходе из резонанса спектральная составляющая снова монотонно увеличивается. При этом датчик пульсаций может располагаться как над исследуемыми лопатками, так перед лопатками и за лопатками рабочего колеса.

Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача. Обеспечена бесконтактная диагностика резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины при ее работе, в режиме реального времени.

Полезная настоящая модель поясняется последующим подробным описанием устройства диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины со ссылкой на иллюстрации представленные на фиг.1-2, где:

на фиг.1 схематично изображены продольный разрез осевой турбомашины, датчик пульсаций давления, датчик частоты вращения ротора, элементы анализатора колебаний лопаток АКЛ, индикатор колебаний лопаток ИКЛ и связи между ними;

На фиг.2 - зависимости пульсации давления потока воздуха в тракте осевой турбомашины, изменения вибронапряжений на лопатке рабочего колеса и оборотов рабочего колеса по времени, а также связи между ними.

При отсутствии резонансных колебаний амплитуда пульсаций на частоте следования лопаток монотонно увеличивается при увеличении частоты вращения ротора по времени t.

В момент возникновения резонансных колебаний лопаток спектральная составляющая на частоте следования лопаток начинает убывать (см. фиг.2), достигая минимума при максимальной амплитуде резонансных колебаний, а на выходе из резонанса снова начинает монотонно увеличиваться, при увеличении частоты вращения.

Устройство диагностики резонансных колебаний лопаток 1 рабочего колеса 2 в составе осевой турбомашины 3 (см. фиг.1) содержит датчик 4 частоты вращения ротора 5 и бесконтактный датчик 6 пульсаций потока, соединенные с анализатором колебаний лопаток АКЛ 7 рабочего колеса 2. Датчик 4 частоты вращения установлен на роторе 5, датчик 6 пульсации потока - в корпусе 8 над лопатками 1 рабочего колеса 2. Устройство включает индикатор колебаний лопаток ИКЛ 9. АКЛ 7 содержит формирователь импульсов ФИ 10, счетчик импульсов (СИ) 11, постоянное запоминающее устройство ПЗУ 12, цифроаналоговый преобразователь ЦАП 13, компаратор К 14, первый согласующий усилитель ПСУ 15, активный полосовой фильтр АПФ 16, амплитудный детектор АД 17, второй согласующий усилитель ВСУ 18, преобразователь частоты ПЧ 19 и третий согласующий усилитель ТСУ 20. Выход датчика 6 пульсации потока соединен с последовательно соединенными ПСУ 15, АПФ 16, АД 17, К 14 и ВСУ 18. Выход ВСУ 18 является выходом анализатора колебаний лопаток АКЛ 7 и соединен с ИКЛ 9. Выход датчика 4 частоты вращения ротора 5 соединен с ФИ 10 и ПЧ 19. Выход ФИ 10 соединен с последовательно соединенным СИ 11, ПЗУ 12 и ЦАП 13. Выход ЦАП 13 соединен с К 14, выход ПЧ 19 соединен через ТСУ 20 с АПФ 16.

При работе турбомашины 3, ротор 5 вращается вместе с рабочими лопатками 1 с частотой fp, сигнал с датчика пульсаций давления 6, помещенного в корпус 8 турбомашины 3, через первый согласующий усилитель ПСУ 15 поступает на информационный вход активного полосового фильтра АПФ 16 перестраиваемого по частоте сигналом, вырабатываемым схемой, которая включает в себя преобразователь частоты ПЧ 19, третий согласующий усилитель ТСУ 20. С выхода активного полосового фильтра АПФ 16 сигнал поступает на амплитудный детектор АД 17, который выделяет огибающую сигналов, а затем на первый вход компаратора К 14. К 14 осуществляет сравнение сигнала, поступающего с выхода амплитудного детектора 8, с сигналом, поступающим на его второй вход с выхода ЦАП 13, и формирует выходной сигнал, если уровень сигнала на выходе амплитудного детектора, ниже уровня сигнала на выходе на выходе ЦАП, который соответствует аппроксимирующей нижней границе.

Периодический сигнал с датчика частоты вращения 4 поступает на вход схемы, состоящей из преобразователя частоты ПЧ 19 и третьего согласующего усилителя ТСУ 20 и на вход схемы, состоящей из формирователя импульсов ФИ 10, счетчика импульсов СИ 11, ПЗУ 12 и ЦАП 13. Преобразователь частоты ПЧ 19 осуществляет кратное умножение частоты сигнала вращения рабочего колеса, поступающего на его вход, на значение множителя N, где N - число лопаток в исследуемом рабочем колесе. Третий согласующий усилитель ТСУ 20 формирует из выходных сигналов преобразователя частоты ПЧ 19 сигнал с диагностической частотой Nfp, необходимый для управления перестраиваемым активным полосовым фильтром АПФ 16.

Формирователь импульсов ФИ 10 формирует из периодического сигнала частоты вращения рабочего колеса цифровой сигнал, поступающий на вход счетчика импульсов СИ 11, который формирует из этого сигнала адресный код ПЗУ 12. В энергонезависимой памяти ПЗУ 12 хранится информация зависимости амплитуды гармонической составляющей на частоте Nfp от частоты вращения рабочего колеса, установленная расчетным и подтвержденная экспериментальным путем, генерируемая импульсами, поступающими с выхода счетчика импульсов СИ 11. Сигнал с выхода ПЗУ 12 преобразуется ЦАП 13 из цифрового кода в аналоговый сигнал, поступающий на второй вход К 14 для сравнения с сигналом с детектора и является нижней границей изменения уровня амплитуды спектральной составляющей на частоте Nfp, т.е. является пороговым сигналом для срабатывания устройства.

При возникновении резонансных колебаний лопаток, компаратор К 14 формирует на своем выходе сигнал, поступающий на индикатор колебаний лопаток ИКЛ 9 через второй согласующий усилитель ВСУ 18. Выход устройства может быть подключен, например, к дозатору топлива, выдающему при возникновении резонансных колебаний команду на исполнительный механизм для снижения (изменения) режима работы турбомашины.

Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача. Обеспечена диагностика резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины при ее работе. Осуществляя контроль с помощью устройства в режиме реального времени за составляющей спектра пульсаций на частоте следования лопаток Nfp. можно определить наличие резонансных колебаний рабочих лопаток в эксплуатационных условиях.

Устройство диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины, содержащее датчик частоты вращения ротора и бесконтактный датчик пульсаций потока, соединенные с анализатором колебаний лопаток (АКЛ) рабочего колеса, где датчик частоты вращения установлен на роторе, датчик пульсации потока - в корпусе над лопатками рабочего колеса, отличающееся тем, что устройство включает индикатор колебаний лопаток (ИКЛ), а АКЛ содержит формирователь импульсов (ФИ), счетчик импульсов (СИ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор (К), первый согласующий усилитель (ПСУ), активный полосовой фильтр (АПФ), амплитудный детектор (АД), второй согласующий усилитель (ВСУ), преобразователь частоты (ПЧ) и третий согласующий усилитель (ТСУ), где выход датчика пульсации потока соединен с последовательно соединенными ПСУ, АПФ, АД, К и ВСУ, выход ВСУ является выходом анализатора колебаний лопаток АКЛ и соединен с ИКЛ, выход датчика частоты вращения ротора соединен с ФИ и ПЧ, выход ФИ соединен с последовательно соединенным СИ, ПЗУ и ЦАП, выход ЦАП соединен с К, выход ПЧ соединен через ТСУ с АПФ.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к учебно-исследовательскому оборудованию по теоретической механике и представляет собой устройство для демонстрации и исследования вынужденных колебаний механической системы.

Полезная модель относится к учебно-исследовательскому оборудованию по теоретической механике и представляет собой устройство для демонстрации и исследования вынужденных колебаний механической системы с инерционным возмущением.

Технический результат усиление сигнала прецессирующей ядерной намагниченности в измеряемом объекте, и, соответственно, увеличение чувствительности измерений достигается за счет эффекта динамической поляризации ядер (ДПЯ), т
Наверх