Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние систем диагностики ГТД по параметрам вибрации 14
1.1. Применение бортовых систем контроля вибрации современных ВС 14
1.2. Недостатки пьезоэлектрического датчика вибрации как источника первичной информации 18
1.3. Свойства и параметры лазерного вибропреобразователя 23
1.4. Аппаратные средства обработки и анализа сигналов вибрации, измеренных с помощью лазерного вибропреобразователя 28
Глава 2. Теоретические основы лазерной вибродиагностики авиационных ГТД 33
2.1. Принципы обработки широкополосных сигналов вибрации, получаемых с помощью бесконтактного лазерного вибропреобразователя 33
2.2. Методика обработки сигналов вибрации ГТД в широкой полосе частот 34
2.3 Рассмотрение возможных моделей сигналов вибрации ГТД 47
2.4 Анализ конструктивных схем одноконтурных авиационных ГТД с точки зрения лазерной вибродиагностики, обоснование выбора точек измерения вибрации и методика бесконтактного измерения вибрации на вертолётах 52
2.5 Анализ конструктивных схем двухконтурных двигателей и методика проведения измерений вибрации на ТРДД в составе ВС 61
Глава 3. Диагностирование авиационных ГТД по параметрам низкочастотной вибрации 71
3.1 .Источники низкочастотной вибрации ГТД 71
3.2. Применение системы лазерной вибродиагностики для определения технического состояния роторной части ГТД 76
3.3 Применение лазерного вибропреобразователя для диагностики технического состояния турбохолодильников 83
3.4 Метод определения динамических свойств систем автоматического регулирования и переходных процессов ГТД с использованием лазерного виброметра 89
3.5. Метод вьывления резонансов при работе авиационных силовых установок с использованием трёхмерного спектрального анализа 98
Глава 4. Диагностирование авиационных агрегатов по параметрам высокочастотной вибрации 115
4.1 .Диагностирование ГТД по прямому спектру вибрации 115
4.2 Применение метода диагностирования авиационных ГТД по спектру огибающей высокочастотной вибрации 129
4.3. Метод выявления дефектов подшипников на фоне интенсивной вибрации редукторных узловТТД 141
Заключение 150
Список использованных источников 152
- Недостатки пьезоэлектрического датчика вибрации как источника первичной информации
- Методика обработки сигналов вибрации ГТД в широкой полосе частот
- Применение системы лазерной вибродиагностики для определения технического состояния роторной части ГТД
- Применение метода диагностирования авиационных ГТД по спектру огибающей высокочастотной вибрации
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы
В настоящее: время газотурбинные: двигатели? (ЕТД)їразличных схем получили широкое распространение на транспорте го в» народном*хозяйстве. Массовость их внедрения* обусловлена такими показателями; как экономичность,, производительность, простота эксплуатации; возможность длительной работы при высоких показателях цикла.
Наибольшее распространение ИЩ получилш на авиационной^ технике. Они позволяют достигать значительных скоростей полёта и обладают лучшими удельными показателями на высоких; скоростях, чем поршневые двигатели.
Развитие ГТД, начиная с 30-х годов 20 века; идёт по путшувеличенияпа-раметров термодинамического цикла: температуры газов перед-турбиной* и степени повышения давления воздуха в компрессоре. Это в свою очередь определяет неуклонный рост нагрузок на внутренние части ГТД: Одновременно с увеличением^ параметров цикла конструкторы; пытаются: увеличить, назначенный ресурс двигателя; разрабатывая; новые; прогрессивные: методы его технической1 эксплуатации..
Дальнейшее увеличение: ресурса т повышение надёжности, двигателей связано с переходом от обслуживания их по фиксированному ресурсу, к обслуживанию по фактическому состоянию. Система технического обслуживания ГТД по фиксированному ресурсу не учитывает различные факторы, влияющие на каждый отдельно взятый дви гатель в с эксплуатации. Это приводит к неоправданному съёму дорогостоящих двигателей: (или их компонентов): с эксплуатации и упущенной выгоде авиапредприятий в результате недоиспользования ресурса двигателя. G повышением удельных показателей ГТД к связано внедрение в их конструкцию новых высоконадёжных дорогостоящих материалов: При этом условии потери от недоиспользования; двигателей; при существующей; системе технического обслуживания (ТО) возрастают...Ш связи с этим встаёт вопрос о макси-
5 мально эффективном использовании двигателей, путём обеспечения выработки им фактического ресурса.
Современные ТТД; являются модульными; что является* значительным^ шагом по-пути к TOsпо техническому состоянию: Переход к Т'по состоянию предполагает замену в эксплуатации съёмных узлов- (модулей).;, ресурс которых меньше назначенного. Для обеспечения? безотказности в работе замена должна быть своевременной, до наступления отказа. Поэтому необходимо знать текущее состояние двигателя и иметь прогноз на некоторый интервал времени. Это достигается методами технической диагностики.
Одним из методов технической диагностики; авиационных ЕТД^ используемых в настоящее время, являетсяs вибродиагностика, т.е: диагностирование по параметрам вибрации, измеренным на объекте контроля (ОК) вшроцессе его функционирования. Из предыдущего опыта вибродиагностики различного оборудования известно, что вибрациячявляется»одним из наиболее динамичных параметров; т.е. изменение параметров вибрации происходит практически, синхронно с изменением внутренних динамических сил, действующих в ОК.
Высокая? динамичность,изменения параметров^вибрации повышает вероятность своевременного обнаружения дефектов при работе авиационных ТТД,, что является;наиболее важным, такгкак напрямую связано с безопасностью полётов ВС.
В свою очередь повышение безопасности полётов в наибольшей степени определяетсяработоспособностью силовой установки ВС, а именно, маршевых ГТД. Поэтому получение достоверной информации о техническом состоянии двигателей ВС при переходе к обслуживанию их по техническому состоянию имеет высокое значение.
Бортовая система контроля вибрации двигателей, применяемая на современных ВС, при всей своей пользе не удовлетворяет требованию по получению диагностической информации о состоянии отдельных узлов ГТД с высокой степенью достоверности. Это связано с тем, что она работает в ограниченном частотном диапазоне и использует в качестве первичной информации ограниченное число датчиков вибрации (один или два).
Бортовые системы способны, отслеживать только значительные измене-нияш техническом состоянии? двигателей и, иногда, промежутоквремени от начала роста уровня вибрации до превышения» им порогового уровня укладыва-єтсяїв один полёт, что требует выключения двигателя в полёте. Это рез ко? снижает безопасность,полёта'воздушных судов (ВС):
Для повышения^ достоверности результатов контроля вибрации и.глубины диагностирования автором данной диссертационной работы в^ дополнение к существующим методам технической* диагностики авиационных двигателей предлагается система вибродиагностики ГТД, основанная на широкополосном анализе сигналов* вибрацищ измеренных с помощью лазерных бесконтактных вибропреобразователей вшроцессе наземного технического обслуживания ВС.
В отличие от существующих бортовых, систем контроля^ вибрации ис пользование данной- системы позволит производить измерение вибрации в.лю бой точке наружного корпуса ЕТДІ и навесных агрегатові Возможность, прове дения измерений непосредственно на корпусе диагностируемыхузлов:ГТД зна чительно повышает чувствительность,контроля: '
При анализе сигналов вибрации; широко* применяются» методы* цифровой обработки сигналов. (ЦОС). Основными алгоритмами обработки сигналов, используемыми в диссертационной работе являются определение среднеквадра-тического значеншк(СКЗ) величин^ спектральный^ анализу спектральный анализ высокочастотной огибающей сигнала вибрации.
Диагноз; ставится на основании измерения глубины амплитудной модуляции высокочастотного сигнала. Данный диагностический параметр был исследован в предыдущих работах отечественных учёных. Наибольший вклад в разработку методологии использования- алгоритмов диагностики технического состояния машин и механизмов различного назначения на основе данных вибрации внесли Сидоренко МЖ., КарасёвВ.А. (ЫИАМ им: П.И:Баранова); Балиц-кий Ф.Я., Соколова А.Г. (ИМАШ РАН); Барков А.В;, Баркова Н.А. (АО
7 «ВACT»), Ушаков А.П. (СПбГУГА), Пивоваров В.А. (МГТУ ГА) и другие учёные. Идея применения бесконтактного лазерного вибропреобразователя для диагностики технического состояния авиационных ГТД принадлежит научному руководителю автора — доктору технических наук Ушакову Андрею Павловичу.
Особенностью данной диссертационной работы является применение алгоритмов ЦОС для анализа сигналов вибрации, измеренных бесконтактным лазерным преобразователем в процессе функционирования авиационных ГТД для повышения вероятности нахождения1 и прогнозирования развития* зарождающихся дефектов и увеличения тем-самым безопасности полётов ВС.
Увеличение вероятности обнаружения зарождающихся дефектов является необходимым, так как это позволяет сократить число отказов, относимых ранее к внезапным. Это связано с тем, что некоторые неисправности авиационных двигателей могут достаточно долго оставаться на* стадии зарождения, но потом лавинообразно переходят на финальную стадию развития, что приводит к отказу двигателя. Обнаружение дефектов на ранней стадии развитиятакже позволяет заблаговременное планирование операций по-их устранению, что является важным в современных условиях коммерческой эксплуатации ВС. Поэтому обнаружение дефектов «ГТД именно на стадии зарождения имеет решающее значение при переходе к техническому обслуживанию ГТД по их состоянию при сохранении высокого уровня безопасности полётов ВС.
Задачи исследования
Целью диссертационной работы явилась разработка методов бесконтактной лазерной диагностики авиационных ГТД на основе анализа сигналов вибрации в широкой полосе частот.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи: - разработана методика бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в полевых условиях в составе ВС (воздушного судна), а также в процессе испытаний на заводских стендах; на основе экспериментальных исследований, как в полевых, так и в стендовых условиях определены, пороговые значения глубин модуляции, соответствующие слабым, средним и сильным дефектам. выявлены наиболее информативные области на корпусах ГТД, вибрация которых содержит информацию о развитии дефектов, в том числе и на ранней стадии; определены мешающие факторы (помехи), искажающие информативные сигналы вибрации и разработаны меры по отстройке от этих факторов; исследована информативность измерений в диапазонах низких, средних и высоких частот; показано, что наиболее ценная информация о зарождающихся дефектах содержится в высокочастотном диапазоне от 1 до 50 кГц;
Объектом исследования являются виброакустические характеристики ГТД и агрегатов ВС в виде широкополосных сигналов вибрации, измеренные с помощью бесконтактного лазерного вибропреобразователя.
Методы исследования
Основу выполненных в диссертационной работе исследований составляет теория сигналов и цепей, спектральный' анализ сигналов и их высокочастотных огибающих, теория случайных процессов и колебаний, цифровая і обработка и^ анализ сложных сигналов.
Основные научные результаты,,выносимые на защиту:
1. Метод бесконтактного выявления дефектов функционирования систем автоматики запуска и регулирования оборотов агрегатов ГТД, а также конст руктивных резонансов основных узлов системы ГТД — воздушное судно с по мощью анализа вибрационных сигналов, измеренных на нестационарных ре жимах (разгон — выбег, приёмистость) с помощью алгоритма трёхмерного спек трального анализа сигналов вибрации.
2. Метод оценки степени развития дефектов авиационных двигателей по результатам анализа высокочастотных сигналов вибрации основанный на том, что применяется программный расчёт глубины амплитудной и индекса угловой модуляции в процессе цифровой обработки сигналов, измеренных с использованием лазерного виброметра.
Методика бесконтактного измерения і вибрации основных узлов ЕТД, в составе ВС (самолётов и вертолётов) прш наземном запуске и при; испытаниях . ЕТДіна заводских стендах.
Методика определения і аэродинамических и. механических источников энергии возмущающих сил, действующих; внутри ЕТД, основанная на анализе конструктивных схем двигателей и* расчёте детерминированных составляющих с целью определения и локализации источников вибрации.
Результаты анализа; трендовых характеристик вибрации; в: высокочастотном диапазоне.
Научная новизна
Г. Метод выявления дефектов функционирования агрегатов і ЕТД и конструктивных резонансов основных узлов> системы «ЕТД — воздушное судно», основанный на анализе вибрационных сигналов; измеренных на нестационарных режимах (разгон - выбег, приёмистость);. с использованием алгоритма трёхмерного спектрального анализа; отличается от применяемого в настоящее время^ метода контроля{ вибрации ЕТДітем; что; засчёт новых алгоритмов шозволяет с высокой* степенью точности определять, параметры, переходных процессов ЕТД и агрегатов;.выявлять резонансные режимы работыЕТД;
Метод оценки степени развития* дефектов авиационных двигателей, осг -,. нованный на анализе высокочастотных сигналов вибрации-с обеспечением программных расчётов глубины амплитудной *и индекса угловой модуляции в процессе цифровой і обработки сигналов;лазерного вибропреобразователя; отличат ется от прототипов тем, что не требуется определение базисного («чистового») значения параметра, относительно которого производится? оценка изменения технического состояния диагностируемого узла.
Инженерная методика помехозащищенного бесконтактного измерения вибрации основных узлов ЕТД в процессе наземного запуска в составе BG (самолётов и вертолётов), а также в процессе испытаний на заводских стендах; отличается от существующей методики контактного измерения с помощью пьезоэлектрических датчиков вибрации тем,, что обеспечивается повышение чувствительности контроля за счёт снижения уровня! помех, устранения^ эффекта присоединённой массы? wустановочного резонанса,; и- обеспечивается бесконтактное измерение вибрации в непосредственной близости от контролируемого узла.
Методика определения аэродинамических и механических источников энергии возмущающих сил, действующих внутри ГТД^ позволяет определять И; локализовать развивающиеся дефекты и отличается: от современной методики определенияшсточников вибрации ГТД тем; что учитываются*не только низкочастотные компоненты, но и все основные частоты спектра* сигнала вибрации в точке измерения.
Использование трендовых характеристик вибрации;в высокочастотном диапазоне позволяет повысить надёжностью выявления> дефектов; на различных стадиях развития и осуществить техническое обслуживание ГТД по состоянию. Вотличие от современной* системы:мониторинга, основанной на* анализе:трендов общего ^уровня; низкочастотнойшибрации и уровня ?вибрациш роторных гармоник, предложенные модели трендов; обеспечивают дополнительные возможности отслеживания^ развития зарождающихся; дефектов задолго до того, как они проявят себя в низкочастотном диапазоне вибрации.
Широкий диапазон частот исследуемых сигналов вибрации БТД (1 - 50 кГц), измеренных лазерным вибропреобразователем, что в несколько раз. превышает диапазон сигналов, измеряемых пьезоэлектрическим датчиком вибрации.
Достоверность проведённых исследований обусловлена многократностью измерений на различных типах ГТД; совпадением поставленного диагноза с результатами дефектации узлов в процессе: их разборки, тщательностью обработки данных, преимуществами бесконтактного измерения? вибрации с помощью лазерного вибропреобразователя.
Практическая ценность
Применение диагностических данных, полученных с помощью лазерных вибропреобразователей, в комплексе с существующими методами технической диагностики ГТД позволит повысить безопасность полётов и упростить переход к обслуживанию ГТД по техническому состоянию.
Разработанная методика бесконтактных синхронных измерений диагностических сигналов в характерных точках ГТД с использованием лазерного виброметра позволяет за несколько минут работы ГТД (при наличии 3-4 лазеров) измерить бесконтактным способом прямо на поле аэродрома необходимый объём диагностической информации для оценки технического состояния ГТД.
Измерение параметров переходных процессов ГТД и агрегатов, полученных с помощью трёхмерного спектрального анализа сигналов вибрации, позволяет произвести оценку качества функционирования автоматики, регулирующей данные процессы, а также, выявить область критических частот вращения роторов.
Определены наиболее информативные с точки, зрения лазерной вибродиагностики, режимы работы ГТД1
Экспериментально установлено, что* лазерный виброметр позволяет проводить измерения виброскорости поверхности корпусов ГТД^ в» диапазоне частот от Г Гц до 50 кГц с высокой степенью точности, что ранее было недостижимо.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XXXIX Научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных (Санкт Петербург, Университет ГА, 20 — 26 апреля 2007).
Международная молодёжная научная конференция» «XVI Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 28 - 29 мая 2008). XLI Научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных (Санкт-Петербург, Университет ГА, 20 — 29 апреля 2009).
Всероссийская;молодёжная научная конференция с международным участием «X Королёвские чтения» (Самара.,, С1?АУ им; СП: Королёва, 6 - 8 октября 2009).
Научно — техническийотчёт «Оценка технического состояния KGA- ЗЗМі с использованием- лазерного виброметра с идентификацией! источников вибрации на основе оценки глубины модуляции»; Университет ЕА\
СИб;,2008;
6. Научно — технический отчёт «Исследование возможности* оценки техни ческого состояния узлов газотурбинных двигателей воздушных-судов при наземных запусках с использованием лазерного виброметра». Универси тет ГАа СПб.,2008^
Реализация полученньтрезультатов:исследований*
Предложенная методика* диагностики технического состояния* ЕТД1 m агрегатов ВС, прошла* апробацию на ТРДД?Д-3 ОКУ-154, АИ-25; ПЄ-90А; ТВаД ТВ2-117, ТВЗ-117; агрегатах ВЄ и ЄУ. Подтверждение результатов теоретических исследований произведено- с помощью анализа: обширных; эксперимен-тальных данных, полученных влроцессе заводских стендовых испытаний узлов. ЕТД!(на испытательныхстендахОА'>ч<Климов»); а также4полевых работ на самолётах Ту-164Mi и ТУ-214 (ФПУИ? «FTK «Россия»), вертолётах, МЙ-8Ш и Ми-8МТВ (ЗА «Спарк», АК «Баркол»):
Результаты исследований^ и разработанная методика были использованы в процессе договорной! работы по диагностике коробки самолётных агрегатов (KGA) BG спецприменения на испытательном; стенде ОАО; «Климов» и вне-дреныв учебный процесс СПбГУГА.
Публикации
По материалам диссертационных исследований автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 печатные;работы, включены в Перечень научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы результаты диссертационных исследований в соответствии с требованиями ВАК.
13 Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы.
В первой главе приводится анализ современных систем контроля вибрации авиационных ГТД. Даётся описание принципа действия пьезоэлектрических и лазерных датчиков вибрации. На сравнительных примерах поясняются основные преимущества бесконтактных лазерных вибропреобразователей.
Во второй главе рассматриваются теоретические основы лазерной вибродиагностики авиационных ГТД. Приводятся основные алгоритмы и принципы обработки широкополосных сигналов, получаемых с помощью бесконтактных лазерных виброметров. В главе также показан анализ конструктивных схем современных авиационных ГТД с обоснованием разработанной методики проведения измерений.
В третьей главе приводятся методы диагностики авиационных ГТД, основанные на анализе сигналов вибрации в области низких частот. В главе приводится описание возможных дефектов, которые могут быть выявлены с помощью подобных методов вибрационной диагностики. На> примере анализа результатов экспериментальных замеров^ показана эффективность описываемых методов.
Четвёртая глава посвящена методам вибрационной диагностики, основанным на анализе сигналов вибрации в области высоких частот. На практических примерах даётся обоснование необходимости применения критерия глубины амплитудной модуляции для диагностики зарождающихся дефектов авиационных ГТД и их агрегатов.
Работа содержит 155 страниц машинописного текста, 85 рисунков, библиографию из 53 наименований.
Недостатки пьезоэлектрического датчика вибрации как источника первичной информации
Как уже упоминалось выше, источником первичной информации в современных бортовых системах контроля вибрации является пьезоэлектрический вибродатчик.
Его применение продиктовано рядом преимуществ, среди которых основными являются: - относительно высокая надёжность (в сравнении с электромагнитными датчиками прошлых лет); - простота конструкции, а, следовательно, и низкая стоимость; - низкие габариты и вес.
На рис. 1.3 показан один из примеров конструкции пьезоэлектрического вибродатчика. Пьезоэлектрический датчик вибрации состоит из следующих основных элементов: пьезоэлектрического кристалла 2, сейсмической массы 1, корпуса 3 и электрических контактов 4.
Работа датчика основана на явлении прямого пьезоэлектрического эффекта, т.е. свойств некоторых материалов (пьезоэлектриков) генерировать заряд под действием приложенной к ним механической силы. Сейсмическая масса прикреплена к верхней грани пьезоэлемента 2, а нижняя грань пьезоэлемента прикреплена к корпусу 4. При установке преобразователя на исследуемом объекте преобразователь воспринимает вибрацию объекта. Вследствие стремления сейсмической массы (является инерционным элементом датчика) сохранить состояние покоя, пьезоэлемент деформируется от воздействия на него инерционной силы F = та, где т - масса инерционного элемента; а - ускорение объекта.
Деформация пьезоэлемента и возникающий при этом электрический заряд пропорциональны ускорению. Поэтому эти преобразователи называются пьезоакселерометрами. В качестве пьезоэлемента используются поли- и монокристаллические пьезоэлектрические вещества (кварц, титанат бария, ЦТС-19).
В общем виде пьезоэлектрический вибропреобразователь представляет собой колебательную систему с одной степенью свободы [38], которая описывается уравнением: где соо - собственная частота; v - коэффициент затухания. Коэффициенты затухания v и собственная частота соо определяются массой т, коэффициентом упругости к и коэффициентом демпфирования 3:
Из уравнения (її) можно найти амплитудно-частотную характеристику: и фазочастотную характеристику:
Как видно, наиболее благоприятны с точки зрения равномерности частотные характеристики механической системы вибропреобразователя при степени успокоения = 0.6. Но, согласно Карасёву В.А. [19], применяемые для вибродиагностики ГТД пьезоэлектрические акселерометры имеют степень успокоения /3 0,2. Это накладывает сильное ограничение на частотный диапазон применения датчика. При частотах со соо характеристика датчика по частоте приближается к линейной, т.е. в данном диапазоне вибрация объекта правильно отображается вибропреобразователем. При увеличении частоты колебаний системы и приближении её к частоте собственных колебаний коэффициент преобразования резко увеличивается, что приводит к нарушению линейности в частотном диапазоне, а также может привести к перегрузке приёмо-усилительного тракта аппаратуры анализа вибрации.
Наличие собственной резонансной частоты датчика резко ограничивает частотный диапазон его применения. Это приводит ю невозможности измерения частот вибрации, находящихся в окрестности собственной частоты колебаний датчика, что является одним из серьёзных недостатков датчиков такого типа.
Одним из путей увеличения частотного диапазона линейного отображения спектральных составляющих вибрации является увеличение собственной частоты колебаний датчика.
Необходимость крепления датчика к конструкции объекта контроля также накладывает отпечаток на линейный диапазон. При установке датчика на корпусе ГТД он также оказывает воздействие на параметры колебаний в точке крепления датчика. Это воздействие выражается в том, что датчик вибрации в данном случае не может рассматриваться отдельно.
Методика обработки сигналов вибрации ГТД в широкой полосе частот
Вибрация двигателя является ценным параметром, т.к. сигнал вибрации формируется путём суперпозиции различных возмущающих вибровоздействий, генерируемых движущимися элементами конструкции ГТД. Сигнал вибрации косвенно характеризует внутренние динамические силы, возникающие при работе ГТД. С увеличением наработки двигателя, его конструктивные элементы подвергаются усталостным процессам износа, и происходит накопление локальных микродефектов. Рост внутренних микродефектов приводит к изменению упруго-массовых, характеристик конструктивных элементов ГТД, что в свою очередь вызывает изменение параметров вибросигнала.
На современном этапе развития системы диагностирования авиационных ГТД происходит модернизация и расширение технических возможностей аппаратных средств контроля вибрации. Одним из основных путей повышения эффективности вибродиагностирования авиационных ГТД является применение в эксплуатирующих предприятиях портативной виброанализирующей аппаратуры, позволяющей производить комплексный, широкополосный в частотной области, анализ вибросигналов, измеренных при наземном запуске двигателей.
При диагностировании наземных стационарных объектов народного хозяйства к настоящему времени специалистами в области вибродиагностики сформирован словарь признаков характерных дефектов роторного оборудования [3], [12], [13], [53] и определены наиболее эффективные методы анализа вибросигналов.
Главным преимуществом- широкополосного анализа вибросигналов в сравнении с существующей системой бортового контроля вибрации, опирающейся на низкочастотный контроль в полосе частот вращения ротора (роторов), является комплексное использование всех характеристик, позволяющее выявить развивающийся дефект на ранней стадии и прогнозировать его развитие с высокой степенью точности.
Основным отличием в методике измерения вибрации на стационарном оборудовании и на авиационном ГТД в процессе наземного запуска является условие скоротечности последнего ввиду повышения расходов на ГСМ и понижения экономической эффективности контроля. Данное условие делает перспективным следующую схему проведения измерений: первичное измерение и запись в память прибора; последующий анализ записанного сигнала вибрации на ПК.
Для анализа сигналов вибрации на персональном компьютере необходим пакет программ, позволяющий применять все основные методы анализа цифровых сигналов. Предварительная оцифровка вибросигналов должна производиться измерительным прибором.
Основными методами анализа вибросигналов являются: 1. Анализ формы сигнала вибрации; 2. Спектральный анализ в широкой полосе частот (от нескольких герц до десятков килогерц); 3. Анализ среднеквадратического значения виброскорости в выбранной полосе частот. 4. Спектральный анализ огибающей высокочастотного сигнала вибрации;
Для проведения компьютерного анализа» оцифрованных сигналов вибрации авиационных ГТД автором диссертационной работы был использован па кет программ «WinnOC» [33], разработанный НЛП «Мера», и программа «Диагноз», созданная под руководством д.т.н. Ушакова А.П..
Данные программы позволяют реализовать практически все алгоритмы, необходимые для анализа сигналов вибрации, включая и вышеприведённые компоненты.
Начальным этапом цифровой обработки сигналов является запись аналогового сигнала с одновременным переводом его в цифровой вид, которая осуществляется платой АЦП прибора - анализатора. Частота оцифровки сигнала выбирается в соответствии с теоремой Котельникова, согласно которой частота дискретизации должна минимум в два раза превышать частоту наиболее высокочастотной составляющей анализируемого сигнала.
Алгоритм работы по анализу вибрации с использованием компьютерных программ начинается вместе с загрузкой оцифрованного вибросигнала в программу и вывода его формы на экран (см. рис. 2.1). На данном рисунке представлен сигнал вибрации ГТД ТВЗ-117, полученный при работе двигателя по следующему циклу: запуск - малый газ - останов. Из формы сигнала видно, что двигатель при запуске и останове проходит несколько резонансных режимов.
Отображение формы сигнала позволяет косвенно определить время работы исследуемого агрегата на конкретном режиме (например, стационарный режим, запуск, останов, приёмистость и т.д.) стационарный режим работы (по размаху колебаний), что в свою очередь необходимо для качественного определения последующих характеристик. Кроме того, как будет показано в одном из последующих разделов, по форме сигнала можно определить некоторые несвойственные режимы работы механизма, например, удары кинематических пар; биения, возникающие при близости частот вращения соседних агрегатов; резонансы конструкции и т.д. Поэтому форма сигнала является важным параметром в процессе диагностирования технического состояния исследуемых механизмов.
Применение системы лазерной вибродиагностики для определения технического состояния роторной части ГТД
В предыдущем разделе была обоснована необходимость применения лазерной вибродиагностики для диагностирования технического состояния роторов ГТД в области низких частот. В данном подразделе рассматриваются практические стороны и особенности применения лазерной вибродиагностики при измерении и анализе в области низких частот.
Положительной особенностью низкочастотного сигнала вибрации является то, что он способен передаваться на значительные расстояния по конструкции двигателя. При распространении по деталям корпуса высокочастотная вибрация сильно демпфируется при прохождении через сочленения оболочек и деталей. Это происходит вследствие небольших длин волн на этих частотах, что способствует отражению и затуханию высокочастотных колебаний при их распространении от источника колебаний до точки измерения вибрации на корпусе двигателя.
Низкочастотная вибрация, напротив, обладает значительными длинами волн (от 1 м и более (в зависимости от частоты и скорости звука в материале детали)). При такой длине волны сигнал вибрации проходит через сочленения корпусных деталей с минимально возможными потерями по амплитуде и сохраняет свою фазу колебаний.
Данное обстоятельство благоприятно сказывается на чувствительности измерений: для получения информации о вибросостоянии роторных деталей в области низких частот необходимо провести измерения всего в нескольких точках, расположенных на корпусе двигателя. Результатом этих измерений будет распределение амплитуды роторной вибрации по длине двигателя. Это является актуальным ввиду того, что ротор-двигателя, как правило, состоит из нескольких сочленённых между собой валов (вал компрессора, вал турбины, соединительный вал).
При такой конструкции ротора и при наличии упруго-демпферных опор, в которых он расположен, можно сделать вывод, что валы работают в сложной нелинейной зависимости между собой. Под нелинейностью в данном случае следует понимать нелинейное распределение амплитуд и фаз вибрации по длине ротора. Такие условия работы составного вала получаются вследствие присутствия как узлов сочленения (которые демпфируют колебания идущие от вала компрессора к валу турбины и, наоборот, в результате наличия сил трения), так и наличия упруго-демпферных опор, которые обеспечивают некоторую свободу вибрационного движения поясов ротора и расположены в сечении упругих опор. В такой ситуации естественным было бы предположение, что при отсутствии упругих опор колебания с одного вала на другой передавались бы в большей степени ввиду отсутствия необходимой степени свободы колебаний концевых участков валов. В данном случае отсутствие запаса по перемещению шеек ротора приводила бы к повышенным нагрузкам на подшипники (с малым демпфированием) и передаче значительной энергии вибрации другим валам ротора.
Как уже упоминалось ранее, контроль технического состояния ГТД по вибропараметрам в настоящее время производится на большинстве ВС отечественного производства на основе измерения общего уровня вибрации в полосе частот, содержащей гармоники частот вращения роторов. При таком методе обработки сигнала (а именно, вычисление общего уровня вибрации) становится сложным определение конкретного источника повышенной вибрации в области низких частот.
При использовании бесконтактного лазерного виброметра в сочетании с современными цифровыми приборами записи и анализа сигналов становится возможным проводить детальный частотный анализ сигнала вибрации путём разложения его в спектр. Это позволяет определить источник повышенной вибрации в области низких частот (какой-либо ротор, агрегат и т.д.) с высокой точностью.
На рис. 3.1 и рис. З.Т представлены низкочастотные спектры-вибрации ТРДД Д-ЗОКУ-154 и ТВаДТВ2-117. На двигателе Д-ЗОКУ-154 измерение вибрации производится системой ИВ-50П-А-3. Чувствительными элементами данной системы являются пьезоэлектрические вибродатчики МВ-04-1. На двигателе ТВ2-117 измерение вибрации не производится. Как видно из рисунков, применение лазерного виброметра позволяет оперативно получить информацию о вибросостоянии отдельных роторов двигателя.
Из анализа приведённых спектров, видно, что в низкочастотной области сигнала вибрации ТРДД преобладают гармоники частот вращения роторов и приводных агрегатов. В низкочастотном спектре вибрации вертолётных ТВаД может также преобладать какая-либо из оборотных частот валов редуктора. Из спектра, приведённого на рис. 3.2 видно, что наибольшим уровнем вибрации (3 мм/с) обладает гармоника частоты вращения вала второй ступени редукции.
Применение метода диагностирования авиационных ГТД по спектру огибающей высокочастотной вибрации
Как было видно в предыдущей главе, появление в прямом спектре вибрации модуляционных компонентов обусловлено возникновением дефектов и погрешностями в изготовлении деталей. Основными видами модуляции являются амплитудная и фазовая.
Фазовая модуляция может быть, например, обусловлена неравномерностью шага зубьев в зубчатом соединении или неравномерностью шага лопаток лопаточных аппаратов.
Наиболее информативной в части диагностирования узлов и агрегатов ГТД является глубина амплитудной модуляции. Глубина модуляции показывает соотношение амплитуд модулирующего» колебания и модуляционного. Чем больше развитие дефекта, тем больше его влияние на вынужденную частоту соответствующего соединения.
Например, при диагностировании зубчатых соединений, при развитии дефекта на одном из зубьев, шестерни происходит периодическое изменение жёсткости в процессе зацепления (в данном случае один раз за оборот). При входе дефектного участка в зону зацепления происходит изменение сил, действующих в зацеплении.
Степень изменения сил в зацеплении (силы от ударных импульсов при контакте зубьев во время входа в зацепление) при входе дефектного участка в зацепление и характеризуется амплитудной модуляцией, а степень развития дефекта — глубиной модуляции.
Анализ модуляционных процессов, действующих при работе механизма, позволяет повысить чувствительность к зарождающимся дефектам. Это связано с тем, что часто сигнал от дефектов бывает трудно различить в общем спектре вибрации ГТД ввиду высокой его зашумлённости и высокой плотности расположения в нём дискретных компонентов. При возникновении же модуляционных компонентов от дефектов, их влияние может распространиться не только на дискретные, но и на шумовые компоненты, что расширяет эффективную полосу частот дефекта.
Формирование огибающей сигнала вибрации является наиболее эффективным; способом выделения модулирующего компонента в тех случаях, когда спектральный состав модулирующих и несущих компонентов различен и не:пересекается в частотной области;, т.е. частотная область несущего много- выше частотной области модулирующего компонента. В вибрационной диагностике, как правило, рассматриваются два основных.случая, когда оба компонента периодические, и когда один из них является стационарным случайным процессом. Для определения частотного состава-модулирующего колебания необходимо произвести спектральный анализ огибающей!
Амплитудно-модулированный"; случайный- сигнал можно представить в виде где y(t) и r(t) — модулирующая и стационарная случайная составляющие вибрации соответственно.
Простейшая модулирующая функция имеет вид где m - глубина модуляции; П - круговая частота модуляции; Тогда сигнал x(t) принимает вид
Практически важным является случай, когда r(t) — высокочастотная стационарная случайная составляющая вибрации, эффективная полоса которой
Для спектрального анализа огибающей в этом случае необходимо последовательно выделить из сигнала составляющие вибрации в интересующей полосе частот, сформировать их огибающую и выполнить спектральный анализ сформированного сигнала: Поскольку огибающая сигнала отражает процесс флуктуации его мощности во времени, в выделенную часть сигнала не должны попадать сопоставимые по мощности составляющие разной природы. Выполнение этого требования является сложной практической задачей ввиду высокой спектральной плотности дискретных составляющих в сигнале вибрации ГТД. При анализе вибрации ГТД наиболее часто приходится сталкиваться с демодуляцией вынужденных колебаний, о которой будет сказано позже.
Формирование огибающей выделенной части сигнала может осуществляться электронным устройством в виде линейного детектора огибающей и фильтра низких частот, а при цифровом анализе сигналов — соответствующей модификацией преобразования Гильберта.
Так, мгновенная мощность сигнала на выходе полосового фильтра с эффективной шириной Асоэ равна ООД(ЙЭ/2Я, где Go — спектральная плотность сигнала на входе фильтра. Среднее значение сигнала на выходе фильтра равно нулю. У сигнала на выходе линейного детектора в момент времени t среднее значение отлично от нуля и связано со значением мгновенной мощности входного сигнала выражением
Если медленно изменяющаяся модулирующая функция y(t) является детерминированной, т.е. содержит ряд гармонических составляющих то в сигнале на выходе детектора появляется как постоянная составляющая ве личиной JG0hco:) 12ж, так и гармонические составляющие вида
Кроме указанных гармонических составляющих модулирующей функции на выходе линейного детектора присутствуют и интенсивные случайные составляющие модулируемого случайного сигнала. Их спектральная плотность на низких частотах равна
При спектральном анализе низкочастотной части огибающей случайной вибрации с разрешающей способностью АЮА В каждой полосе частот анализатора будет составляющая со среднеквадратичным значением
Если случайный сигнал на выходе модулирован гармонической функцией с глубиной модуляции m и частотой модуляции П, то в спектре огибающей на частоте Q. среднеквадратическое значение сигнала вырастет до величины
