Устройство для бесконтактной диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины

Полезная модель предназначена для использования в авиации и энергомашиностроении в составе информационно-измерительных систем для оперативной диагностики автоколебаний рабочих лопаток осевых турбомашин. Устройство для бесконтактной диагностики автоколебаний позволяет измерять составляющие вибраций корпуса над диагностируемым рабочим колесом во взаимно-перпендикулярных направлениях X, Y, Z. Каждый из трех выходов векторного датчика, подключен ко входу соответствующего усилителя сигнала. Выход каждого усилителя подключен ко входу соответствующей схемы совпадения тремя параллельными цепями (одной промежуточной и двумя крайними), каждая из цепей включает перестраиваемый активный полосовой фильтр, амплитудный дискриминатор, интегратор и электронный ключ, к фильтрам крайних и промежуточной цепей всех направлений датчика вибрации дополнительно подключен через усилитель датчик частоты вращения ротора, выходы всех схем совпадений подключены ко входам схемы ИЛИ выход которой через усилитель подключен к индикатору. Соответственно, при наличии сигнала «флаттер», подтверждающего наличие автоколебаний хотя бы по одной оси векторного датчика, сигнал «флаттер» поступает на индикатор устройства.

Устройство существенно упрощает этап доводки турбомашины в части диагностики автоколебаний рабочих колес, обеспечивая возможность проводить диагностику с высокой надежностью и без создания технологических отверстий для установки датчиков.

Полезная модель относится к энергомашиностроению и может быть использована при прочностной и аэродинамической доводке осевых компрессоров авиационных газотурбинных двигателей и энергетических газотурбинных установок.

Известны устройства бесконтактной диагностики колебаний лопаток рабочего колеса осевой турбомашины, основанные на дискретно-фазовом методе, позволяющие определять деформационное состояние каждой лопатки рабочего колеса турбомашины (Авт. свид. СССР 160886, МПК G01H 1/04, опубл. 1964, Авт. свид. СССР 236827, МПК G01H 11/00, опубл. 1969, Патент США 3058339, МПК G01H 1/00, опубл. 1962). Сущность устройств заключается в измерении временных интервалов между импульсами периферийных (лопаточных) датчиков и корневого (оборотного) датчика, фиксации геометрического положения каждой лопатки вращающегося рабочего колеса в установленные моменты времени, определение смещений геометрических положений, а, следовательно, и определение амплитуд отклонений торцов рабочих лопаток. Недостатком данных устройств является невозможность определения номеров диаметральных форм колебаний рабочего колеса и лопаток и недостаточная надежность.

Известен способ диагностики автоколебаний вентилятора осевого компрессора турбореактивного двухконтурного двигателя в режиме реального времени (Патент РФ 2296970, МПК G01M 15/14, опубл. 2007) при котором в качестве основного параметра для диагностики используют корпусную вибрацию. Вибродатчики устанавливают в плоскостях опор роторов, а результат фиксируют в виде амплитудно-частотного спектра. Недостатком данного способа является его ограниченная информативность и недостаточная надежность.

Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемым результатам является устройство (Патент РФ 2094618 МПК F01D 25/04 опубл. 1997), в состав которого входит, по крайней мере, один датчик пульсаций давления, размещенный в корпусе, в зоне периферии лопаток рабочего колеса, подключенный через согласующий усилитель к входам схемы совпадений одной промежуточной и двумя крайними параллельными цепями, каждая из которых имеет последовательно включенные перестраиваемый активный полосовой фильтр, амплитудный дискриминатор, интегратор и электронный ключ, к фильтрам крайних и промежуточной цепей дополнительно подключен через усилитель датчик частоты вращения рабочего колеса, а выход схемы совпадения через усилитель подключен к индикатору.

Недостатки этого устройства заключаются в том, что в корпусе турбомашины необходимо делать отверстия для образования акустического канала. Кроме того, при засорении подводящего акустического канала искажается сигнал на выходе датчика, а при нормальной работе не определяется ориентация волны деформации рабочего колеса, вследствие чего результат диагностики является недостаточно надежным.

В основу полезной модели положено решение следующих задач:

- повышение надежности диагностики автоколебаний лопаток;

- сохранение целостности корпуса при установке датчика.

Для достижения указанного технического результата устройство содержит датчик частоты вращения рабочего колеса, по меньшей мере, один датчик колебаний и блок обработки сигнала датчика колебаний. Блок обработки сигнала датчика колебаний содержит одну промежуточную и две крайние параллельные цепи, каждая их которых имеет последовательно включенный перестраиваемый активный полосовой фильтр, амплитудный дискриминатор, интегратор и электронный ключ. Указанные цепи подключены ко входу схемы совпадения. Кроме того, выход датчика частоты вращения рабочего колеса подключен через усилитель к фильтрам промежуточной и крайних цепей блока обработки сигнала. Выход блока обработки сигнала через усилитель подключен к индикатору

Новым в полезной модели является то, что устройство содержит блок ИЛИ, датчик колебаний выполнен в виде векторного датчика вибраций с выходами X, Y, Z, устройство снабжено блоками обработки сигнала для каждого из выходов X, Y и Z, а схема ИЛИ включена в цепь между выходами блоков обработки сигнала по каждой оси X, Y, Z и индикатором.

Таким образом решены поставленные в полезной модели задачи: повышение надежности диагностики автоколебаний лопаток за счет установки векторного датчика вибраций, который обладает большей надежностью, чем датчик пульсаций давления и сохранение целостности корпуса при установке датчика, за счет использования чувствительности векторного датчика, что позволяет считывать информацию о вибрациях, установив датчик на наружной поверхности корпуса турбомашины, над диагностируемым рабочим колесом.

Настоящая полезная модель поясняется следующим подробным описанием устройства диагностики автоколебаний и его работы со ссылкой на чертежи, представленные на фиг.1-4, где

на фиг.1 представлена схема экспериментальной турбомашины с устройством для бесконтактной диагностики автоколебаний (УБДА) рабочего колеса турбомашины;

на фиг.2 приведена схема устройства для бесконтактной диагностики автоколебаний;

на фиг.3 изображен спектр вибраций корпуса при отсутствии автоколебаний по любому направлению;

на фиг.4 изображен спектр вибраций корпуса при наличии автоколебаний по любому направлению.

Диагностируемая турбомашина, например, компрессор (см. фиг.1) содержит корпус 1, неподвижные лопатки 2, ротор 3 с рабочими колесами 4 и рабочими лопатками 5. За компрессором установлен дроссель 6. Имеется привод для вращения компрессора (не указан). Векторный датчик 7 вибрации установлен в любой точке по окружности на поверхности корпуса над лопатками 5 рабочего колеса. Допускается смещение датчика 7 к передней или задней кромкам рабочих лопаток 5. Датчиков вибрации по окружности корпуса 1 над одним колесом может быть, в принципе, и больше, однако достаточно и одного датчика 7 над каждым рабочим колесом 4.

Выходы X, Y и Z датчика 7 (см. фиг.2) подключены ко входам схем совпадения 8x, 8y, 8z через согласующие усилители 9x, 9y, 9z, причем в каждом из трех направлений X, Y, Z - тремя параллельными цепями: по одной промежуточной 10x, 10y, 10z и по две крайние 11x, 11y, 11z и 12x, 12y, 12z. Каждая из девяти указанных цепей имеет последовательно включенные перестраиваемые активные полосовые фильтры 13x, 14x, 15x, 13y, 14y, 15y и 13z, 14z, 15z, амплитудные дискриминаторы 16x, 17x, 18x, 16y, 17y, 18y и 16z, 17z, 18z, интеграторы 19x, 20x, 21x, 19y, 20y, 21y и 19z, 20z, 21z и электронные ключи 22x, 23x, 24x, 22y, 23y, 24y и 22z, 23z, 24z.

Схемы совпадения 8x, 8y, 8z подключены к схеме ИЛИ 25, которая через усилитель 26 подключена к индикатору 27. Кроме того, устройство имеет датчик 28 частоты вращения рабочего колеса 4, который через усилитель 29 подключен к фильтрам 13x, 14x, 15x, 13y, 14y, 15y и 13z, 14z, 15z.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии автоколебаний датчик 7 фиксирует только роторные гармоники 30, 31, 32, 33, 34 (см. фиг.3) и частоту 35 следования лопаток. В момент возникновения автоколебаний вблизи рабочего колеса 4 возникают аэроупругие колебания в виде бегущей акустической волны - по потоку и бегущей механической волны - по корпусу 1. При этом, для каждой формы колебаний колеса 4, по которой реализуются автоколебания, наблюдаются, кроме спектральных составляющих 36 (см. фиг.4), по две другие спектральные составляющие 37 и 38, симметрично расположенные относительно частот 35 следования лопаток по направлениям X, Y, Z. То есть момент возникновения автоколебаний фиксируют по появлению в спектрах вибраций по направлениям X, Y или Z узкополосных составляющих 37, 38 с частотами

где n×f_p - частоты 35 следования лопаток, а частота f_n определяется по формуле

где f_m - собственная частота колебаний, f_p - частота вращения ротора, m - номер собственной формы колебаний, потенциально неустойчивой к автоколебаниям.

Уровни этих двух спектральных составляющих с точностью до погрешности измерений должны быть равны между собой. Если в спектрах будут присутствовать какие-то две другие узкополосные составляющие, также симметрично расположенные относительно частоты следования лопаток n×f_p, но сильно отличающиеся по уровню, то они не являются диагностическими для автоколебаний.

Расстояние по частоте, на котором располагается каждая из этих двух узкополосных составляющих 37, 38 от частоты 35 следования лопаток равно сумме частоты проявившейся потенциально неустойчивой формы колебаний и частоты вращения ротора, умноженной на номер этой потенциально неустойчивой формы колебаний.

С датчика 7 сигналы переменного тока звуковой частоты X, Y, Z поступают на согласующие усилители 9x, 9y, 9z. С усилителей 9x, 9y, 9z сигналы 10x, 11x, 12x, 10y, 11y, 12y, 10z, 11z, 12z поступают на активные перестраиваемые полосовые фильтры 13x, 14x, 15x, 13y, 14y, 15y, 13z, 14z, 15z. Медленно меняющееся напряжение U_p пропорциональное частоте вращения ротора, поступает от датчика 28 через усилитель 29 на фильтры 13x, 14x, 15x, 13y, 14y, 15y, 13z, 14z, 15z и перестраивает их по частоте вслед за частотой ротора. При этом фильтры 14x, 14y, 14z настроены на частоту 37, а фильтры 15x, 15y, 15z настроены на частоту 38 (фиг.4).

С фильтров 13x, 14x, 15x, 13y, 14y, 15y, 13z, 14z, 15z сигналы поступают на амплитудные дискриминаторы 16x, 17x, 18x, 16y, 17y, 18y и 16z, 17z, 18z, которые селектируют по амплитуде сигналы, превышающие пороги. С дискриминаторов 16x, 17x, 18x, 16y, 17y, 18y и 16z, 17z, 18z сигналы поступают на интеграторы 19x, 20x, 21x, 19y, 20y, 21y и 19z, 20z, 21z. С интеграторов 19x, 20x, 21x, 19y, 20y, 21y и 19z, 20z, 21z сигналы поступают на электронные ключи 22x, 23x, 24x, 22y, 23y, 24y и 22z, 23z, 24z, формирующие дискретные сигналы. С ключей 22x, 23x, 24x, 22y, 23y, 24y и 22z, 23z, 24z сигналы поступают на схемы совпадений 8x, 8y, 8z, выполненные на логических элементах И.

Схемы совпадений 8x, 8y, 8z вырабатывают сигналы при наличии на входах каждой из них одновременно трех сигналов с частотами 35 (n×f_p). 37 (f₁) и 38 (f₂ ) (фиг.4), превышающих пороги дискриминаторов.

Со схем совпадений 8x, 8y, 8z сигналы, свидетельствующие о наличии автоколебаний («флаттер») поступают на логическую схему 25 (ИЛИ).

При наличии хотя бы одного сигнала «флаттер», со схемы ИЛИ 25 сигнал «флаттер» поступает на усилитель согласования 26, а затем на индикатор 27.

Приведенное в описании устройство существенно упрощает этап доводки турбомашины в части диагностики автоколебаний рабочих колес, обеспечивая возможность проводить диагностику автоколебаний с высокой надежностью и без создания технологических отверстий для установки датчиков.

Устройство для диагностики автоколебаний рабочего колеса турбомашины, содержащее датчик частоты вращения рабочего колеса, по меньшей мере, один датчик колебаний и блок обработки сигнала датчика колебаний, причем блок обработки сигнала датчика колебаний содержит одну промежуточную и две крайние параллельные цепи, каждая их которых имеет последовательно включенные перестраиваемый активный полосовой фильтр, амплитудный дискриминатор, интегратор и электронный ключ, а указанные цепи подключены ко входу схемы совпадения, выход датчика частоты вращения рабочего колеса подключен через усилитель к фильтрам промежуточной и крайних цепей блока обработки сигнала, а выход блока обработки сигнала через усилитель подключен к индикатору, отличающееся тем, что устройство содержит блок ИЛИ, датчик колебаний выполнен в виде векторного датчика вибраций с выходами X, Y, Z, устройство снабжено блоками обработки сигнала для каждого из выходов X, Y и Z, а схема ИЛИ включена в цепь между выходами блоков обработки сигнала по каждой оси X, Y, Z и индикатором.