Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и применению мобильного цифрового спекл -интерферометра (ЦСИ) с непрерывным лазером для определения резонансных форм и частот колебаний деталей и узлов газотурбинных двигателей (ГТД) без использования интерферометрического стола. Актуальность работы
Повышение удельных параметров современных ГТД, рост их мощностных характеристик, при одновременном снижении расхода топлива и веса, обеспечение высокой надёжности и большого ресурса приводит к существенному усложнению конструкции, ужесточению условий работы деталей и узлов. Стоимость и трудоёмкость создания новых типов двигателей оказываются достаточно высокими. В этих условиях наряду с традиционными испытаниями двигателей большое значение для эффективной отработки конструкционной прочности ГТД приобретает их поузловая доводка на специальных стендах с применением современных методов вибродиагностики. Значительный вклад в развитие методов поузловой доводки ГТД принадлежит научной школе академика РАН Н.Д. Кузнецова - в исследованиях Д.С. Еленевского, В.И. Цейтлина, М.Е. Колотникова, Е.А. Гриценко, Д.Г. Федорченко, В.А. Солянникова. Одной из основных задач методов поузловой доводки является получение достаточно полной информации о полях смещений, деформаций и напряжений конструктивных элементов как в статике, так и вибрационном состоянии. Статистика показывает, что более 50% всех прочностных дефектов, возникающих в процессе доводки и эксплуатации современных ГТД, имеют усталостную природу и связаны с вибрационным нагружением. При совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой колебаний детали наступает явление резонанса, приводящее к резкому увеличению амплитуды колебаний, переменных напряжений в детали и часто к её последующему разрушению. Наличие такого большого процента дефектов усталостного характера обусловлено тем, что в настоящее время ещё недостаточно развиты как теоретические, так и экспериментальные методы исследования и прогнозирования режимов колебаний натурных конструкций.
В ряде случаев эти вопросы успешно решаются традиционными методами тензометрии и виброметрии, дающих дискретные значения деформаций и вибросмещений. Однако для решения сложных задач, например, при исследовании форм колебаний и характеристик относительной динамической напряжённости как в лабораторных условиях, так и на работающем двигателе, требуется получать полную картину поля смещений, причём в области высоких частот. К наиболее эффективным экспериментальным средствам выявления форм колебаний деталей и узлов турбомашин относятся методы голо-графической и особенно корреляционной спекл - интерферометрии. К основным деталям и узлам авиационных ГТД, подлежащим обязательному исследованию этими методами, можно отнести: лопатки ротора и статора, бандажные полки лопаток, диски компрессора и турбины, их рабочие колёса, элементы пневмогидроавтоматики топливных и масляных магистралей.
Однако необходимость обеспечения для интерферометров с непрерывным источником излучения надёжной виброзащищённости оптической схемы установки ограничивает возможность их применения только условиями специализированной лаборатории. В этом случае для размещения оптических элементов схемы требуется использование громоздкого и металлоёмкого интерферометрического стола. Исследование вибрационных характеристик деталей и узлов ГТД во внестендовых условиях при поузловой до-
водке двигателя возможно только с помощью мобильных ЦСИ. В настоящее время мобильные ЦСИ создаются на базе импульсных лазеров. Однако высокая стоимость виброметрических установок с импульсным источником излучения ограничивает возможности использования такого оборудования на практике.
Другой важной проблемой корреляционной спекл - интерферометрии является недостаточный уровень контраста получаемых спекл - интерферограмм диффузных объектов из-за высокого вклада спекл - шумов. При этом пока не созданы эффективные алгоритмы для фильтрации шумов на спекл - интерферограммах диффузно отражающих объектов, что затрудняет автоматизированную обработку интерферограмм. Первостепенное значение в этом случае имеет разработка средств уменьшения спекл - шумов на этапе проведения эксперимента. Таким образом, разработка мобильных виброметрических ЦСИ с лазером непрерывного действия и применение их является актуальной научно - технической задачей при поузловой доводке деталей и узлов ГТД. Цель работы. Разработка и создание мобильного цифрового спекл - интерферометра с непрерывным лазером, обеспечивающего как определение вибрационных характеристик деталей и узлов ГТД, так и повышение контрастности получаемых спекл - интерферограмм без применения интерферометрического стола.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
анализ принципов построения оптико - электронных схем ЦСИ с непрерывным лазером, чувствительных к нормальным колебаниям объектов и характеризующихся малым количеством оптических элементов, простотой юстировки, а также обладающих запасом устойчивости к случайным нагрузкам;
анализ закономерностей формирования спекл - полей в схемах ЦСИ с гладкой и спекл - модулированной опорной волной для определения условий регистрации спекл -интерферограмм с повышенным уровнем информативности;
разработка устойчивого к внешним случайным нагрузкам мобильного ЦСИ на основе оптической схемы со спекл - модулированной опорной волной и совмещёнными пучками, а также программного метода статистической обработки спекл - изображений колеблющихся объектов, регистрируемых в схеме установки без виброизоляции;
- сравнительный анализ экспериментальных результатов мобильного ЦСИ с дан
ными помехоустойчивого ЦСИ с разделенными пучками и гладкой опорной волной, а
также методов численного моделирования и фигур Хладни;
разработка экспериментального метода подавления спекл - шумов и получения спекл - интерферограмм с высоким разрешением при помощи мобильного ЦСИ и средств его реализации;
применение мобильного ЦСИ с непрерывным лазером для виброметрии высоко-нагруженных элементов конструкций ГТД во внестендовых условиях.
Исследования по разработке и созданию мобильного ЦСИ проводились в ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова, начиная с восьмидесятых годов прошлого столетия. Этап апробации результатов применения мобильного ЦСИ был выполнен в лаборатории лазерных контрольно - измерительных систем кафедры автоматических систем энергетических установок (АСЭУ) Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика СП. Королёва. Научная новизна работы
1. Впервые предложен способ формирования спекл - модулированного опорного пучка с помощью пропускающей светорассеивающей пластины диффузора, расположенной пе-
ред исследуемым объектом, обеспечивающий создание оптических схем спекл - интерферометров с совмещёнными пучками и непрерывным лазером, характеризующихся запасом помехоустойчивости, малым количеством оптических элементов, простотой юстировки.
Разработана оптико - электронная схема со спекл - модулированной опорной волной и совмещёнными пучками, а также программным методом статистической обработки серий спекл - изображений колеблющегося объекта, на основе которых впервые создан мобильный виброметрический ЦСИ с непрерывным лазером, характеризующийся повышенным уровнем помехоустойчивости.
Определены условия формирования спекл - интерферограмм на основе метода усреднения во времени в оптико - электронной схеме мобильного виброметрического ЦСИ с непрерывным лазером.
Разработан метод повышения разрешающей способности спекл - интерферограмм мобильного ЦСИ на основе усреднения последовательного ряда декоррелированных спекл - изображений.
Разработана аналитическая методика определения оптимальных соотношений интен-сивностей опорного и предметного пучков для получения контрастных спекл - интерферограмм в схемах ЦСИ со спекл - модулированным и гладким опорными пучками.
Практическая ценность диссертационной работы
Создан устойчивый к внешним случайным воздействиям мобильный ЦСИ с непрерывным лазером как новый вид диагностической установки для исследования вибрационных характеристик деталей и узлов ГТД без использования интерферометрического стола.
Разработана аналитическая методика и проведена оценка величин допустимых смещений основных элементов оптической схемы мобильного ЦСИ с непрерывным лазером для сохранения условий записи спекл - интерферограмм при отсутствии виброизоляции установки.
Разработан способ набора статистического ряда декоррелированных спекл - интерферограмм с помощью подвижных пропускающего диффузора или оптического растра для реализации метода повышения разрешающей способности мобильного ЦСИ на основе усреднения спекл - изображений.
Разработаны технические требования к построению оптико - электронной схемы мобильного ЦСИ и методики его применения для вибродиагностики деталей и узлов ГТД без использования интерферометрического стола.
5.Результаты применения мобильного ЦСИ для определения вибрационных характеристик деталей и узлов ГТД (лопатки турбины и компрессора, акустический канал, обло-паченные колёса турбомашин, фрагмент сборочного узла колеса турбины с валом).
Разработанный мобильный ЦСИ применялся для проведения вибрационного контроля деталей и узлов при доводке ГТД в «ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова». В настоящее время мобильный виброметрический ЦСИ используется в «ОАО КУЗНЕЦОВ», Институте акустики машин при СГАУ, а также в учебном процессе кафедры «Автоматические системы энергетических установок» СГАУ.
На защиту выносятся:
1. Способ формирования спекл - модулированного опорного пучка с помощью пропускающего диффузора, расположенного перед исследуемым объектом.
Оптико - электронная схема мобильного виброметрического ЦСИ с непрерывным лазером, содержащая совмещенные спекл - модулированные опорный и предметный пучки.
Физические основы механизма формирования спекл - интерферограмм в разработанной оптико - электронной схеме мобильного ЦСИ при повышенном уровне внешних случайных воздействий.
Методика повышения контрастности спекл - интерферограмм на основе выбора оптимального соотношения интенсивностей опорного и предметного пучков для разработанного мобильного ЦСИ.
Метод повышения соотношения сигнал/шум на спекл - интерферограммах разработанного мобильного ЦСИ путем многокадрового спекл - усреднения и способы его реализации с помощью подвижных диффузора или линзового растра.
Экспериментально полученные зависимости уровня отношения сигнал/шум от величины угла между осями пучков освещения и наблюдении, а также коэффициента пропускания диффузора.
Результаты сравнительных исследований вибрационных характеристик деталей и узлов, полученные с помощью разработанного мобильного ЦСИ и стационарных ЦСИ с гладкой опорной волной, а также данными численного моделирования и метода фигур Хладни.
Результаты экспериментальных исследований вибрационных характеристик деталей и узлов ГТД, полученные с помощью разработанного мобильного ЦСИ без применения интерферометрического стола.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и НТС в ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова», на кафедрах «Автоматические системы энергетических установок» СГАУ, «Оптика и спектроскопия» Самарского государственного университета, а также на Международной научно - технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2009), 11-й Конференции стран Содружества «Современный физический практикум» (Минск, 2010), IX Международной научно - технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» (Ростов-на-Дону, 2010), XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии» (Миасс, 2011).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК, получены 1 авторское свидетельство и 2 патента.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения. Содержит 224 страницы машинописного текста, включает 4 таблицы и 96 рисунков. В списке цитируемой литературы 148 наименований.
