CC BY
46
УДК 629.7.03:658.562
Мирсаитов Ф.Н., Застела М.Ю., Болознев В.В.
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева-КАИ. Казань, Россия
РАДИОЛОКАЦИОННАЯ ВИБРОДИАГНОСТИКА ГАЗОТУРБИННОГО АВИАДВИГАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ПОЛЕТА
Стендовые испытания газотурбинных двигателей (ГТД) показали, что причинами вибраций лопаток турбины и компрессора являются процессы во многих узлах ротора ГТД. Поэтому виброконтроль лопаток позволяет выявить до половины всех неисправностей ротора на доаварийной стадии [1-4]. Наиболее информативным диагностическим параметром является виброспектр.
Однако попытки создания аппаратуры для бортовой (полётной) диагностики пока безуспешны из-за трудностей сопряжения датчиков с реальными конструкциями ГТД.
В этом плане весьма перспективны последние достижения в ближней (особенно в ближнепольной) радиолокации [5].
Цель данной работы - выявление свойств и установление диагностической ценности
радиолокационного вибродатчика, сходного по принципу работы и почти идентичного по конструкции с приборами [6,7] .
Датчик с чувствительным элементом в виде СВЧ антенны в реализации предложенного способа размещен в существующем смотровом (не задействованном в полёте) окне. Генератор зондирующего излучения закреплён на внешней стороне стенки. Формирование диагностического отклика
осуществляется в своего рода полузамкнутой для электромагнитного поля (ЭМП) камере образуемой, например, элементами конструкции первой ступени турбины высокого давления. В продольном по потоку сечении эта «камера» ограничена внешним и внутренним корпусом статора; в поперечном сечении -несколькими движущимися и вибрирующими лопатками соседних: первой, второй ступеней, а также парой лопаток соплового аппарата статора - все это образует полупрозрачное для радиоизлучения диагностическое окно.
Размеры статьи позволяют описать только первые этапы - формирование отклика, возбуждение ЭМП и преобразование перемещения лопаток в комплексное сопротивление чувствительного элемента датчика, и далее, в коэффициент отражения. Последующие этапы аналогичны (хотя и не идентичны) происходящим в прототипах и состоят в автодинном преобразовании коэффициента отражения в изменение зондирующей частоты.
Диагностическим параметром является спектр описанного процесса, а диагностическим признаком -аномалии в спектре.
В качестве метода исследования выбрано численное электромагнитное моделирование с использованием программного продукта FEKO.
Один из методов FEKO - метод моментов предусматривает:
- замену металлических элементов эквивалентными электрическими токами;
- «возбуждение» среды в объёме «камеры» этими токами;
- наложение граничных условий;
- разбиение проводящих поверхностей на элементарные площадки, размер которых не превышает L = А/8, где А - длина волны ЭМП.
- составлением систем линейных алгебраических уравнений для этих токов;
- решение уравнений.
Таким путём обеспечивается отыскивание токов на поверхности антенны ( с учётом влияния стенок и окон), затем - комплексного сопротивления антенны и, наконец, комплексного коэффициента отражения. Дальнейшее формирование отклика хорошо известно в ближней радиолокации, состоит в изменении частоты генерации, и вычисляется методами теории колебания.
Выделены и исследованы следующие варианты формирования отклика: элементарный, групповой и
аномальный. Аргументом является угол поворота ротора. Этот параметр удобен, поскольку легко преобразуется в пространственную или временную координату. Варьируемыми параметрами выбраны зондирующая частота, тип и размеры антенны (ограниченные диаметром смотровых окон) и возбуждающего волновода.
В первом случае смоделировано угловое перемещение лопатки в пределах ±12°, и вне пределов диагностического окна. Эта ситуация практически нереализуема, но позволяет сопоставить результаты с работой [5]. Главное здесь - различие фазы коэффициента отражения исправной и «закрученной» при вибрации лопаток (рис.2.) Результаты получены при зондирующих частотах 28...48 ГГц, с оптимумом на 37,5 ГГц (А = 8мм).
Г=28ГГц
Рис.2 - Фаза коэффициента отражения элементарного
отклика
Во втором случае групповой отклик имитирует в квазистатическом приближении реальный процесс, когда диагностическое окно «зашторено» группой лопаток (рис.3), и имеет место малый поворот ротора (0,25°) .
f=30 ГГц
Рис.3 - Фаза коэффициента отражения группового отклика
Третий случай - формирование аномального отклика, позволяет сделать предварительное заключение о контролеспособности предложенного способа диагностики. Здесь диагностический эффект отображён различием трасс (рис.4). Как при поломке, так и при вибросмещении лопатки эффект наблюдаем.
F=37,5 ГГц
Рис.4 - Фаза коэффициента отражения аномального отклика
Однако в реальной диагностической ситуации форма радиосигнала - неудобный параметр. Ответ на вопрос может дать спектральный анализ в сопоставлении с серьёзным массивом статистических данных не только о неисправностях, но и о помеховых факторах, как результатах воздействия на датчик побочных явлений в ГДТ.
Установим структуры двух эталонных спектров - радиочастотного и рабочего. Последний отображает циклический процесс формирования откликов на прохождение лопаток вблизи антенны с пересечением (и возмущением) ЭМП. Здесь частота рабочего процесса
F = F°6
1 ТА —
П
60
• = F
• П
где F об, Гв - число оборотов (об/мин) и частота вращения (Гц) ротора, n - число лопаток ротора турбины. Порядок величины у современных ГТД - несколько килогерц. В обощении форма парциального отклика и последовательности показаны на рисунке 1.
Ь ■ 1L7
(Z0SOD ■ ZQ - ZflUIS) ■——- + +
77
(ZQ SOD -ZQ — ZQ UTS) ■ ^ + (lQ SOD ■ lQ — lQ UTS) ■ — = (їІ'Ь'СІ ‘z‘1q)°A
І I
• H^HHOiAidBLi noadeu гяїґЛііиішіліа и иэШожнаалооо ионнноіоои : аолнэношлюх хннаонэо xAaff иинэьвне iAieffeandu яоеїґє Лілюїієоц * кинэж^гча эгянлхашлюх ііснаїґ KHHaaodnda 0ііни HibaiiairAsed a 'Haioodu 00irog HH'naiAiHoxoduua хааоїгана XHXoehHHxeiioHffad g
4/uA = h В гяжЗоф миаонаиАиффеох одиіг
^soowvj
О
eadAg ихмалнэи'пиффеох ползав аолнэношлюх xraHaifadibxeuo ахнемо наннэалоэнинох exHHxeiioHffad g
(ZQ 'о) Э 1 '((ib)SOD . ті + (id)SOD - lo sod) . у . s'oj _ , .
'(T0 sod — і sod) ■ y ■ S'O J — ^ '
снялоониЛхоаоо HaaodHiAiHoxoduua ганнэлна xhltxio adeueg
* Zq bitjA оііоаоєвф xaxaffadu a iBffoxoModu aooadodu ago * "£ j]
' ^ иоєаф xodoorag о иаинадаїгох и 2,(1 иоєаф ионнахїґаи
о аоЛниоох сняалэа иеїішїґохоин taoooe'nodu хЛаїґ иоілііліЛо iAiaddniAiHoxoduua холоанЛ ииїїшїґохоин
• HHdswsBdssg - j, J . = (0 1 SOD = (3<X>)SOD = $ SOD нїґиооЛниоом
woxsedio игааонігояАігоц *Xq____^ xaxaffadu а ахиігхєо оаонояхАшліи хоєоанА ииїїшїґохооа ixaAdxixMoxoduuv
•иэиаонана иолЛнылюиЛ ноіліеЛєяігоиооя аолнэношлюх xiaHairadibxauo ганининэа иинахоїяло ніґп1
aaoedodu oaehogad лолоан diixeuo - z *оид
Ч£ 4Z Ч ЧО
(Чя) ч Y
(o'Td-) э і
АїґАііИхиїдіа іліиШсноіліи
(d)4
ахиігхііо OLioHiiOtioahonffad dixeug - z *оид
4£+°fHdZ+°f иd+°f У 4-°f4Z-af4£-°f
(4d) d
(Ш’
’Z ‘Z xaxHAond ан HHeiraaibotfedu adixeuo ago * ЦИЄ nodAtixAdio ялоэ о* 'iAieHHeijKOLfouoad 00 и 'ганнэлна ілюниє (edeix иэгпянэи a он) эжхал а 'холаиоіг иожЗоф HOiioffiifetfeduo гаїґЛііиішіліа хи и ш аолнэношлюх хнідіинана оігоиь * ілюхиігхііо іліихоениіоонааиїґ iAnaHhnadeu нолэннан и aodooox 'аинадаїгох aoHooooaHOMffad oaAdMxAffoix oaododu оооє еанАїго иашан g
XLL иіліалоіоан о аолнэноииох xiaHtiedxonff ялоониАхоаоо tieaHaaioffedu аоояігЛиїліи илооннилнэ^и
ndu и exHHxetioHffad а иаоїгана эннлоэааиэШдо лээии илооняхэлаао^эхоои иондоїґои dixeug
аохиххіо xHHairantidau яіооняігзіваоїґзігооп - ц'оид
" ez
/9
V
Yi)eli2,p,q,^)
sin((q-l)-e2)'
- • sin(2 • A.) + — • sin(2 • 62) +
7 v 1 78 v 2
9
27-:
sin((g + 1)-e2) :+i
:-i
В просчитанных примерах варьировались формы импульсных откликов за счет измерения углов 01,2е (П/4, 3П/2) и параметров ре (0,125/0,3), ge (3;5), Me (0,25/0,5). Соответственно коэффициенты
Фурье имеют значения g1>0,9; g2 е (0,05...0,2), g3 е 0,04.025)
Спектр эталонного радиочастотного (далее, РЧ) отклика (рис. 2) показан спектральными линиями.
Он, как уже сказано, аналогичен спектрам в радиотехнике [4] . Но там компоненты '2 3 — 0. У
нас же они несут диагностическую информацию, хотя собственно РЧ спектр для диагностики неудобен. Поэтому спектр событий (в радиотехнике его называют поднесущим; он формируется специальным генератором) формирует ротор, он является результатом детектирования, в нашем случае -частотного, радиочастотного отклика. Эталонный вариант представлен на рисунке 4.
Перейдём от эталонного к реальному диагностическому спектру. Любая нерегулярность в функционировании ротора (не только лопаток), порождённая дефектами конструкции или режиме,
вызывает либо изменение соотношения амплитуд (коэффициентов ), либо появлением дополнительных дискретных компонентов, либо размыванием существующих. На рисунке 3 это показано огибающими.
Дополнительные компоненты могут быть вызваны рядом причин, в частности, биениями вала и
поломкой отдельных лопаток. В обоих случаях появившийся компонент имеет частоту . Различить причины несложно: поломка лопатки проявляется на одном рабочем колесе, а биение - на всех.
Спектр событий образован совокупностью регулярных и случайных процессов четырёх видов, порождённых пятью причинами (табл. 1).
Таблица 1. Диагностические отклики и их причины
Причина Отклик
Частота вращения вала. Биение вала. Изменение интервала .
Деформация лопаток. Вибрация лопаток. Компонент на нескольких РК.
Поломка лопаток. Изменение величины . Размывание спектральных линий.
Компонент , но меньшей амплитуды и наблюдаемый на
одном РК.
Виброотклик 4 удобнее диагностировать после вторичного детектирования, результат которого представлен на рисунке 4.
эталонный, 2 - реальный
Полученные результаты подтверждают предположение, что функциональные возможности радиоволновых методов вибродиагностики позволяют обнаружить в условиях полёта от трети до половины неисправностей в узлах ротора ГТД в доаварийной стадии. Для этого не требуется никаких конструктивных изменений двигателя.
Для вынесения уверенного прогноза необходимо ещё два этапа исследований: оценка помеховой ситуации с разработкой мер подавления помеховых откликов и набор статистических данных о виброспектрах в эксплуатируемых, и новых ГТД.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей - М.:Транспорт, 1980-247с.
2. Шуваев В.Г., Пыльнова А.В. Вибрационная диагностика и контроль приработки подшипников качения на основе разделения вибрационных сигналов. - Труды междунар.симп. «Надежность и качество», 2013, т.2. с.280-282
3. Якобсон П.П. Особенности вибрационной диагностики газотурбинных установок [Электронный
ресурс] // Литература: доклады, 2003. - URL: http://www.vibrotek.ru/russian/biblioteka/21 (дата
обращения 01.06.2013).
4. Барков А.В., Баркова Н.А. Интеллектуальные системы мониторинга и диагностики машин по вибрации [Электронный ресурс] // Литература: статьи и книги по диагностике, 1999. - URL: http://www.vibrotek.ru/russian/biblioteka/book16 (дата обращения 01.06.2013).
5. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Эквивалентная схема и основные соотношения для анализа автодинных СВЧ генераторов, стабилизированных внешним резонатором. - Труды междунар.симп. «Надежность и качество», 2011, т.2, с.1989-192
6. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов: учебное пособие; [под ред. В. Н.
Кулешова, Н.Н. Удалова, В.М. Богачева]. - М.: Изд. дом МЭИ, 2008. - 416 с.
