CC BY
21
УДК 620.178.53:621.438
И. В. Дрокин
ОАО «Мотор Сич», г. Запорожье
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРЫВНЫХ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ВИБРОИСПЫТАНИЙ
Рассмотрена возможность использования метода вибрационной диагностики на основе применения системы цифровой обработки данных датчика вибраций для анализа срыв-ных колебаний рабочих лопаток компрессора ГТД.
Компрессор, срывные колебания, рабочие лопатки, виброиспытания, прогнозирование
Введение и постановка задачи
Эксплуатация современных газотурбинных двигателей (ГТД) сопровождается, как правило, действием динамических нагрузок, обусловливающих возбуждение колебаний и высокий уровень вибрационной напряженности таких ответственных конструктивных элементов, как рабочие лопатки, что может привести к их разрушению.
Одними из основных источников вынужденных колебаний рабочих лопаток компрессоров ГТД являются, как известно [1], окружная неоднородность набегающего на рабочее колесо потока газа и вращающийся его срыв на отдельных лопатках венца. Вынужденные колебания рабочих лопаток, обусловливаемые вращающимся срывом потока, получили название срывных. Если для вынужденных колебаний лопаток, вызванных окружной неоднородностью потока, характерна линейная зависимость между частотами возбуждения п и вращения ротора С!
п = тВС/60, (1)
где тБ — номер гармоники возбуждения, представляющий целое число, то при срывных колебаниях она уже является дробным числом.
При некоторых условиях возникает одна или несколько зон срывного обтекания лопаток, которые перемещаются в направлении вращения рабочего колеса с некоторым отставанием. Вращающийся срыв вызывает колебания корпусов ГТД, частота которых при развитом срыве составляет (0,3...0,7)С, а число его зон при этом может достигать 7. Кроме того, она не имеет жесткой связи с частотой вращения ротора.
Исследованию вращающегося срыва и колебаний рабочих лопаток компрессоров ГТД с помощью спектрального анализа результатов их тензометрирования посвящено много работ, в частности [2, 3]. Однако процесс тензометриро-вания является довольно трудоемким и требует
© И. В. Дрокин, 2010
применения таких сложных устройств, как токосъемники. В настоящее время в практике виброиспытаний газотурбинных двигателей получил распространение метод вибрационной диагностики на основе применения системы цифровой обработки данных [4]. Поэтому цель данной работы состоит в определении возможностей этого метода для анализа срывных колебаний рабочих лопаток компрессора ГТД.
Объект и методика исследований
В качестве объектов исследования были выбраны рабочие лопатки, изготовленные из титанового сплава ВТ8 всех ступеней компрессора современного авиационного ГТД в классе мощности до 2500 л.с., поперечный разрез которого приведен на рис. 1.
Для решения задачи в соответствии с методом вибрационной диагностики на основе применения системы цифровой обработки данных на корпусе исследуемого двигателя в плоскости
Рабочая лопатка первой ступени
Рис. 1. Поперечный разрез компрессора, схема размещения датчика вибрации и его подключения к системе цифровой обработки данных
расположения рабочих лопаток 1-й ступени был установлен пьезоэлектрический датчик вибраций со встроенной электроникой ЕМеусо (США), как показано на рис. 1, который подключался к усилителю- формирователю и далее, к программно-аппаратному комплексу М1С-400 [5]. Такая схема установки базируется на предположении, что при возникновении в рабочих лопатках значительных динамических напряжений, вызванных их срывными колебаниями, они могут локально, в непосредственной близости к плоскости расположения рабочего колеса исследуемой ступени компрессора, передаваться на корпус двигателя, тем самым, возбуждая его колебания. Поэтому результаты их анализа с помощью программного обеспечения ^тПОС [6] могут использоваться как информационный признак возбуждения срыв-ных колебаний рабочих лопаток.
Поскольку, как отмечалось выше, частота колебаний корпуса не имеет жесткой связи с частотой вращения ротора, с целью проверки, что эти колебания вызываются именно вращающимся срывом, испытания двигателя проводились как со штатным углом установки направляющих лопаток, который составляет (-30 °), так и при увеличении его абсолютной величины на 3°, т.е. (-33 °).
Одновременно, для подтверждения обоснованности использования выбранного метода вибрационной диагностики для решения поставленной задачи, осуществлялся также анализ колебаний рабочих лопаток компрессора методом тен-зометрирования.
Результаты испытаний и их анализ
Первоначально, для определения ступени компрессора, подвергающейся действию вращающегося срыва, был проведен анализ данных испытаний двигателя во всем рабочем диапазоне частот вращения ротора, полученных методом тен-зометрирования рабочих лопаток всех ступеней, которые представлены на рис. 2 в виде частотной зависимости максимальных динамических напряжений.
Бышо установлено, что колебания лопаток всех ступеней, кроме первой, носят резонансный характер, а их максимальные напряжения не превышают допустимых. Для лопаток первой ступени, разброс собственных частот которых составлял 594...632 Гц, в диапазоне частот вращения ротора □ = 11300.15000 об/мин или V = 188.250 Гц, максимальные напряжения, которые проявлялись при запуске двигателя на режиме ниже малого газа, существенно превосходят допустимые. Были зарегистрированы од-ночастотные колебания лопаток по первой из-гибной форме с кратностью шв = 3,2.3,6 (см. рис. 3), что соответствует определению срыв-ных колебаний. Учитывая, что при вращающемся срыве могут возникать несколько зон срыв-ного обтекания лопаток, то из этого следует, что колебания лопаток на собственной частоте вызывают гармоники вращающего срыва.
Исходя из полученных данных тензометри-рования, все дальнейшие исследования прово-
Рис. 2. Частотная зависимость максимальных динамических напряжений рабочих лопаток компрессора
дились по изучению срывных колебаний лопаток 1-й ступени с использованием метода вибрационной диагностики колебаний корпуса ГТД на основе применения системы цифровой обработки данных испытаний.
В соответствии с изложенной выше методикой обработки сигналов датчика вибрации с помощью комплекса М1С-400 быши определена: их трехмерные спектры, приведенные на рис. 4. Они представляют собой отображение амплитудно-частотных зависимостей сигналов во времени, получаемое путем разложения в ряд Фурье исходного сигнала в соответствии с методикой, изложенной в [4]. Здесь по осям X и У отложены частота и амплитуда колебаний соответственно, а по оси Z - время. Такое представление данных позволяет проследить, как изменяется та или иная гармоническая составляющая спектра колебаний во времени, например, при переходных режимах: запуск, проход, останов.
Как видно из представленных данных, полученные спектры сигналов датчика содержат нероторные гармоники возбуждения с кратностью к частоте вращения ротора 4,11.4,23 и 4,03.4,3 при штатном (а) и увеличенном угле установки направляющих лопаток соответственно. Такие гармоники возбуждения проявляются только в процессе запуска двигателя, а на стационарных режимах его работы и в процессе останова они отсутствуют.
При этом следует отметить, что амплитуда гармоники возбуждения увеличивается с возрастанием частоты вращения ротора. Когда частота возбуждения достигает примерно 800 Гц, что соответствует частоте вращения ротора »190 Гц, амплитуда гармоники резко уменьшается до полного исчезновения. Сравнение данных обработки результатов тензометрирования лопаток (см. рис. 2 и 3) и сигналов датчика вибраций (см. рис. 4) показытает, что они хорошо коррелируют по режиму работы двигателя и по частотному диапазону проявления срывных колебаний.
Также результаты анализа влияния угла установки направляющих лопаток показали, что при выбранном его изменении вращающийся срыв сместился по частоте в сторону увеличения. При этом изменилась и кратность гармоники, что, в свою очередь, подтверждает отсутствие жесткой связи частот вращения ротора и срывных колебаний лопаток.
Однако следует отметить, что имеются и некоторые отличия в величинах частоты и номера гармоник возбуждения, определяемых рассматриваемыми методами. Это обусловлено, во-первых, тем, что испытания проводились неодновременно. Во-вторых, при тензометрировании роторных деталей возникающие вперед и назад бегущие волны вносят «поправку» в номер гармоники возбуждения, что отмечалось и ранее при выполнении подобного рода работ [1].
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Рис. 3. Частотная диаграмма рабочих лопаток 1-й ступени компрессора
Имя X, Гц Хммн | Хма* V ,д 1 Ммэх I, сек | гмин Гмах
-Щ 1-3-2ЛЭЮ24Э_гдбт_Г_дыг_Ллп 54 667500 1001.953125 0.СО ОС 00 2.102261 8704000 31.438000
а
б
Рис. 4. Трехмерный спектр сигнала датчика вибрации при работе двигателя в процессе запуска со штатным (а) и увеличенным (б) углом установки направляющих лопаток
Таким образом, на основании представлен-ныж выше экспериментальных данных можно сделать однозначный вывод о возможности использования метода вибрационной диагностики на основе применения системы цифровой обработки данных датчика вибраций, установленного на корпусе двигателя в области расположения исследуемой ступени рабочего колеса компрессора, для анализа срывных колебаний рабочих лопаток компрессора ГТД.
Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н. проф. А. П. Зиньковскому за оказанную помощь и ценные замечания высказанные при выполнении данной работы.
Перечень ссылок
1. Иванов В. П. Колебания рабочих колес тур-бомашин / В. П. Иванов. — М. : Машиностроение, 1983. — 224 с.
2. Канунников И. П. Применение метода спектрального анализа при исследованиях вращающегося срыва в компрессорах / И. П. Ка-нунников, М. К. Сидоренко // Аэроупру-
госты турбомашин. — К. : Наук. думка, 1980. — С. 116-124.
3. Кулагина В. А. Исследование вращающегося срыта и колебаний с помощыю спектралы-ных методов / В. А. Кулагина, Г. В. Мелы-никова // Аэроупругосты турбомашин. — К. : Наук. думка, 1980. - С. 101-116.
4. Дрокин И. В. Применение системы цифровой обработки данных для виброиспытаний газотурбинныж двигателей / И. В. Дрокин // Вибрации в технике и технологиях. — 2001. — № 4 (20). — С. 51—53.
5. Комплексы измерителыно-вычислителыные MIC. Руководство по эксплуатации. БЛИЖ.401250.001. РЭ — М. : НПП Мера, 2006. — 150 с.
6. WinnOC. Пакет обработки сигналов. Руководство полызователя. — М. : НПП Мера, 2006. — 168 с.
7. Сидоренко М. К. Виброметрия газотурбинных двигателей / М. К. Сидоренко. — М. : Машиностроение, 1973. — 224 с.
Поступила в редакцию 20.07.2009
I. V. Drokin
THE POSSIBILITY OF FORECASTING STALL OSCILLATIONS OF THE ROTOR BLADES OF GTE COMPRESSOR BY MEANS OF DIGITAL PROCESSING OF VIBROTESTING DATA
Розглянуто можливсть використання методу в1брацшно1 диагностики на ocmei зас-тосування системи цифровог обробки даних датчика вiбрацii для аналiзу сривних коливань робочих лопаток компрессора ГТД.
Компресор, сривш коливання, робоч1 лопатки, вбровипробування, прогнозування
The possibility of using the method of vibration diagnostics on base of the application of diThere is reviewed possibility of using the method of vibration diagnostics based on application of digital processing of vibration sensor data for the analysis of stall vibrations of the rotor blades of gas turbine engine 's compressor.
Compressor, stall vibrations, rotor blades, vibration tests, forecasting
