Разработка методики диагностики лопаток турбины газотурбинного двигателя методом свободных колебаний Ившин, Игорь Владимирович

Введение к работе

Актуальность. Надежная и безопасная эксплуатация авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) во многом зависит от конструктивного совершенства, качества изготовления и поддержания в испразном состоянии основных его элементов, применения на всех стадиях их жизненного цикла высокочувствительных методов неразрушзще-го контроля. К наиболее ответственным элементам двигателя, от которых з значительной степени зависит его работоспособность относятся лопатки турбины, которые работают в жестких условиях высоких температур, испытывают воздействие агрессивных сред, напряжения растяжения, изгиба и кручения. Повреждение или разруиение лопаток турбины может привести не только.к потере работоспособности двигателя, но и к катастрофе. Ва^.но, используя методы неразрушащего контроля, выявить зарождение дефекта на ранней стадии изготовления лопатки, обеспечивая качество выпускаемой продукции и снижая её себестоимость, не менее важно обнаружить дефект в процессе эксплуатации и -предотвратить возможные аварии и катастрофы. Однако, применяемые в авиастроении, методы неразрушащего контроля не в полной мере отвечают возрастающие требованиям по чувствительности, трудоемкости, автоматизации процесса контроля, страдает субъективностью в принятии ревения, а некоторые из них являются экологически вредными.

В настоящее время отсутствуют эффективные методы неразрушащего контроля способные однозначно еыявлкть такие дефекты в заготовках лопаток турбины, как внутренние, нераскрытые и малораскрытые трещины. Из-за особенностей строения охлаждаемых и полых лопаток турбин не решена проблема определения дефектов кх внутренних поверхностей. Отсутствуют эффективные методы и методики контроля лопаток турбины непосредственно на двигателях в процессе производства и эксплуатации.

Разработка и применение более чувствительных.и совершенных методов контроля технического состояния, наряду с существующий методами, позволит решить имеющиеся проблемы и улучямть положение с обеспечением надежности авиационных двигателей.

Цель исследований. Целью исследований является разработка методики диагностики лопаток турбины ГТД методом свободных колебаний.

Цель достигается решением следующих задач:

1. Проведением теоретических исследований по выявлению наиболее эффективного диагностического признака для определения дефектов методом свободных колебаний.

2. Проведением теоретических исследований по влиянию изменения

'Ч-

массы заготовок турбинных лопаток и трещин различных размеров на АЧХ собственных колебаний в двух контрольных точках.

3. Разработкой и созданием экспериментального акустического измерительного диагностического комплекса (ЭАИДК).

4. Получением экспериментальных данных об акустических характеристиках исправных и дефектных объектов исследований.

5. Экспериментальным определением влияния изменения массы 'заготовок лопаток на результаты длагностики/ разработкой предложений по учету зглх влияний.

6. Получением экспериментальных данных об акустических характеристиках исправных и д?фе::тных лопаток в двух контрольных точках. Разработкой нового способа поиска дефектов и системы диагностирования лопаток турбины.

7. Разработкой . методики . контроля технического состояния лопаток турбины ГТД.

Метод исследований. Теоретическая часть работы выполнена с использованием теории колебаний упругих" систем. Расчеты проводились методом конечных элементов в Еарианте метода перемещений. В осноеє экспериментальной части лежат акустические измерения. При анализе результатов исследований применялись методы робастной обработки сигналов, спектрального анализа, математической статистики с использованием ЭВМ.

Научная новизна результатов, полученных автором, заключается -в том, что:

впервые произведены численные расчеты частот собственных колебаний заготовок лопаток методом конечных элементов и выявлено влияние изменения массы лопаток и дефектов ка АЧХ;

разработан новый способ определения дефектов;

впервые методом свободных колебаний определено изменение структуры материала лопатки турбины;

разработан экспериментальный акустический диагностический комплекс;

разработана методика диагностики лопаток турбийы с использованием нового, более-.чувствительного способа определения дефектов.

Практическая ценность состоит в том, что разработанная .методика диагностики и созданный экспериментальный акустический диагностический комплекс позволяет выявлять:

-.трещины размером ст 1мм и более на выходной кромке пера лопатки турбины, изменение геометрии пера-лопатки турбины;

- изменение структуры материала пера лопатки, дефекты внутренней полости сопловых лопаток и позволит улучшить положение в техни-

ческой диагностике ГТД на производстве и в эксплуатации..

Ре а" л и з а ц и я. Результаты работы были использованы в Конструкторско-производственном государственном предприятии "Авиамотор" и Казанском моторостроительном производственном объединен;:".. Имеются акты о реализации результатов исследований, приведенные в приложении к диссертации. Величина экономической эффективности исследований будет установлена з процессе применения методики днагнсс-тики лопаток турбины методом свободных колебании при производстве.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на конференции Международного конгресса "Экологически безопасные процессы з промышленности, строительстве и в тепловых энергоустановках" в 1994 г., на Всероссийской научно-технической конференции "Техническое обеспечение создания и развития воздушно-транспортных средств" в 1994г., на 11 Поволжской конференции по нераэруса:-:ще.му контролю и технической диагностики з 1994 г., на Всероссийском пос-тоннно действующем семинаре Саратовского ВБКИУ FB, научных конференциях и научных семинара;'. Казанского БАКИУ в 1993-1935 гг. на технических семинарах Казанского Моторостроительного Производственного Объединения , Казанского Проектного Государственного Предприятия "АВИАМОТОР" в 1993'-1995 гг; на научно-технтеской конференции Казанского Инженерно-Строительного Института в 1995 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано И работ. Из'иих 1 статья, 9 тезисов докладов, 1 авторское свидетельство нз полезную модель. Оформлен научно-технический отчет по НИР. Структура и объем диссертации:

Диссертация с приложениями изложена на 184 листах машинописне -го текста, в том числе основной текст на 126 листах. Она состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 13-5 наименований и 4 приложений. В диссертации содержится 58 рисунксв и 14 таблиц.

Автор защищает:

результаты математического моделирования, определяющие влияние изменение массы изделия и дефектов на амплитудно-частотные характеристики собственных колебаний лопаток;

экспериментальные установки и экспер1Шёнт&т~ный. акустический измерительный диагностический комплекс;'

способ определения дефектов е изделиях слолкой'фермы с использованием двух микрофонов;

систему поиска и идентификации дефекта;

методику диагностики лопаток турбины методом свободных колебаний; -.

- результаты экспериментальных исследований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении" обосновывается актуальность темы, излагается целе вал установка работы и её краткая характеристика.

Первая глава.

Состояние вопроса исследований.

Методы неразрушащего контроля в зависимости от физичесю явлений, положенных в их осноеу, подразделяются на акустические капиллярные, магнитные, оптические, радиационные, радиоволновьк тешюЕые, течеисканием, электрические, электромагнитные (вихретокс Еые). Основными требованиями, предъявляемыми к методам неразруша? щего контроля, являются точность, технологичность, простота и чувс твительность, объективность, максимальная автоматизация процесс; возможность регистрации результатов контроля в документальной фа] ме, экологическая чистота. Наиболее полно этим требованиям удозле' воряют акустические методы, а среди них, по мнению автора, наиболі приемлемым, привлекательным и перспективным для диагностики лопаті газотурбинных авиационных двигателей является метод свободных кол. баний. Сущность метода свободных колебаний заключается в возбувд ний в диагностируемом изделии упругих колебаний путем нормирован» го кратковременного механического воздействия, регистрации собі твенных колебаний после снятия возбуждающей силы, сравнении пол ченных колебаний с использованием целевых функций с колебания] эталонного исправного изделия, принятии решения о наличии или о сутствии дефекта. Наличие в изделии дефектов (трещин, ракови несплошностей материала, сколов, забоин и т.д.) приводит: к измен нип распределения колебательной энергии по частотным модам соб твенных колебаний изделия; к изменению скорости затухания колебан из-за эффекта диссипации энергии на дефектах; к изменению соотнош ний амплитуд колебаний на собственных частотах в различны); точк изделия. Для реализации метода свободных колебаний в настоящее вр мя создана серия акустических дефектоскопов АД-21, АД-42, АД-50 АД-50УК, АД-бОС, приборы серии "ЗЕУК", "Допуск". Однако схемное р шение дефектоскопов, а также применяемые способы определения дефе тов не позволяют с достаточной чувствительностью выявлять распол женкые на различной глубине дефекты в изделиях произвольной форми размеров при единообразной настройке приборов.

В акустической лаборатории КВАКИУ для диагностики издел сложной формы методом свободных колебаний создан акустический ди= костпческий, разработаны программное обеспечение, методики диагнс тики рабочих лопаток компрессора ГТД и сварных швов камеры сгое

іия. С применением данных методик определяются такие дефекты лопарок компрессора, как трещины на выходной кромке пера с размерами от .5 мм до 25 мм, нарушение геометрических размеров, обеспечивается іьшвленне дефектов сварного ста камеры сгорания ГТД типа непровар ;о 10 мм, прорези глубиной до 1 мм и длиной 10 мм. Однако, возрастающие требования к чувствительности и надежности определения дефектов, расширению возможностей определения различных видов дефектов, а также некоторые особенности изделий, влияющие на применение іетода свободных колебаний, предполагают дальнейшее совершенствование этого метода, разработку и применение новых способов определения дефектов, более совершенных методик проведения диагностики. В зчестве объекта исследований выбраны лопатки турбины ГТД "НК-3-2У. особенности конструкции лопаток, применяемые для изготовления жаропрочные материалы не позволяют традиционным методам неразрузаще-о контроля гарантировать выявление всех возникающих дефектов и грогнозировзть состояние изделий. Возникновение на начальных стадиях производства микродефектов типа нерзокрыгк и малораскрытых тре-п-шы на выходной кромке пера лопатки, нарушение структуры материала 'ребует применения высокочувствительных методов нерззрушзющего интроля на стадии заготовок лопаток сразу после отливки.

Анализ уровня развития и применения известных методов нераз-эуязощего контроля, проблем диагностики лопаток турбины ГТД поэво-іил определить цель и задачи исследований.

Вторая глав-а.

Численные исследования влияния параметров и дефектов лопаток турбины ГТД на их амплитудно-частотные характеристики.

Целью построения математической модели лопатки турбины и про-ієдєния численных исследований являлось:

1. Провести теоретические исследования влияния отклонений массы іаготозки лопатки от номинального значения на частоты собственных 'пругих форм колебаний.

2. Провести теоретические исследования по влиянию дефекта типа трещина на выходной кромке пера лопатки 1-а частоту и амплитуду :обстзенЕых колебаний, выявить наиболее чувствительный диагности-іеский признак.

3. Провести теоретические исследования влияния дефектов типа трещина на соотношение амплитуд собственных упругих форм колебаний і контрольных точках пера лопатки.

В качестве методз численного анализа был принят метод конечных ілємєнтов (кэ) в варианте метода перемещений (на основе функционала Іагранжа). Дискретная модель лопатки строилась с использованием

-ё-

двух типов конечных элементов. Первый тип - трехугольный трехузло-еой плоский элемент оболочки постоянной толщины с шестью узловыми степенями свободы, второй тип - стандартный конечный пространственный брус такие с шестью узловыми степенями свободы.

Расчеты проводились с~ помощью автоматизированной расчетной системы Суперэлементный Метод Расчета Авиационных Кон '.тручций (СУМ-РАК-ПК) в сотрудничестве с коллективом отраслевой НИЛ САПР Еерто-летных конструкций Казанского инженерно-строительного института.

Во всех расчетах были приняты два вида расчетных моделей, отличающихся числом конечных элементов на выходной кромке пера лопатки. Расчетные характеристики модели первого вида следующие: число расчетных, узлов модели- 153, число конечных элементов оболочеч-ных- 224, КЭ бруса- 50.

Расчетные характеристики модели второго вида : число расчетных узлов модели- БЕЗ, число конечных элементов оболочечных- 933, КЭ бруса- 60.

Расчеты проводились для лопаток, находящихся в свободном состоянии в полосе'частот от 1 до 20 кГц в три этапа.

На первом этапе расчетов использовалась модель первого вида. Численный анализ проведен при изменениях массы бандажной полки в пределах от id і? до 100 г с шагом-в 5 г и при изменениях массы замка от 255 г до 285 г с шагом в 10 г. Определены значения частот упругих форм собственных колебаний при изменениях массы. ' .

На втором этапе расчеты проводились с использованием модели второго вида. Рассмотрены три варианта положения трещины на еыход-ной кромке пера лопатки под бандажем, в центральной части и около замка. Размеры трещин задавались 0.729; 2.325; 3,985; 5.611; 7.219; 6.85мм. Трещины в расчетную модель вводились при помощи раздвоения услоЕ, принадлежащих соответствующим сечениям. Для каждого варианта рассчитывались собственные частоты колебаний лопатки.

На третьем этапе рзсчетов использовалась модель второго вода, анализировались амплітудно-частотные характеристики. Анализ амплитуд проводился на собственных частотах для двух контрольных .точек, располояены-х на расстоянии 6 мм от края пера лопатки : первая под ба:дамем,' вторая, около замка.' Рассматривались модель исправной лопатки и модель с трещиной размером 0.729 мм на выходной кром::е в различных местах пера лопатки. . Приведены расчеты отношения амплитуд на ссбствеклых частотах и их логарифмы для двух указанных . точек. Графики изменения характеристики сравнения амплитуд колебаний і двух контрольных точках для исправной дефектной лопатск представлень на рис.1. Из графиков видно, что характеристики сравнения для исп-

равной и дефектной лопато;: отличаются между собой на определенны;-: интервалах частот.

По результатам произведенных расчетов сделаны следующее вызовы: 1. При проведении диагностик!! технического состояния заготовок лопаток турбины, имевщіїх различную массу, необходимо формировать выборку лопаток, отличающихся по массе между собой не более 10 г.

2. Возможно определение дефектов типа трещина от 5 мм и более четодом свободных колебания, используя в качестве диагностігческого признака изменение частоты собственных колебаний.

3. Дефекты типа трещина размером более 1 мм изменяют амплитуду колебаний лопатки, что позволит использовать это изменение в качестве диагностического признака при сравнении спектров исправной и ;ефектноп лопаток для обнаружения'дефекта.

4. Дефекты типа трещина размером от 1 мм к более оказывают ілияниє н^ амплитудно-частотные характеристики лопатки турбины з голосе частот от 10 до 13 кГц, что позволяет выявить их, используя юотношение амплитуд в контрольных точках лопатки.

5. Амплитуда колебаний является более чувствительной хэракте-шстикой колебаний к дефектам типа трещина и её целесообразно ис-юльзовать в качестве диагностического признака при диагностике лс-;аток турбины.

Третья глава.

Экспериментальный акустический измерительный диагностический омплекс (ЭАИДК) и способы определения дефектов.

Для достижения цели экспериментальных'исследований в акустн-еской лаборатории КВАКИУ был разработан и создан ЭАИДК з составе кспериментальных установок (ЭУ), измерительно-диагнсстичесюто омплексз (ИДК), разработан комплект прикладных программ для пересаль ной профессиональной ЭВМ (ПЗВМ) ІЕМ PC/AT.

Разработанные и созданные экспериментальные установки сбе-спе-ил'и необходимые условия для исследований акустических хзрактерпс-лк. лопаток турбины методом свободных колебаний, проведения диаг-эстики "одномикрофонным" способом, разработку и применение нового гособа с использованием двух микрофонов для поиска, обнаружения и ;?нтифпкации дефектов турбинных лопаток.

На измерительно-диагностический кемплекс, рзгработачкый к сое-1Н!шй коллективен акустической лаборатории, получено азтерсксе шдетельство на полезную модель. Принципиальная блочная с/емэ змллекса. приведена .на рис. 2.

ИДК состоит нэ систем регистрации и сбрзСэткз: сигнзлое. Огксв-ыи элементами систеиы регистрации является конденсаторные микро-

-/0-

фокы фирмы RFT и Брюль и Къер с размерами чувствительных элементе 1 и 2 дюйма 1,2, 14-ти канальный магнитограф 5, звуковой генератс 6, блок управления электроударником 7. Микрофоны'измерительного к; нала позволяют измерять звуковые давления до 172 дБ в частотном ді апааоне от 20 до 40 000 Гц. Система обработки сигналов состоит і двух независимых систем (см. рис.2): автоматизированной с испольг< ваниеи анализатора спектра СК-72 12, ПЭВМ "Искра" 15 и автоматиче< кой с использованием 14-ти канального десятиразрядного АЦП 17 и ГГ. IBM PC/AT 18 с принтером 19.

ЭАКДК в целом позволил разработать и реализовать два спосої поиска дефектов в сложных изделиях, относящихся к методу свободи: колебаний:

1."Одномикрофонный" способ, основанный на сравнении амплитудк спектров контролируемых изделий с эталонным спектром заведомо ис раєного изделия данного типа.

2."Двухмикрофэнный" способ, "основанный на сравнении амплитудн спектров в двух контрольных точках исследуемого изделия. На данн способ подано заявление на патент и'получено положительное решен от отдела предварительной экспертизы.

Для сравнения спектров использовались следующие целевые фун ции сравнения и характеристики:.

1. Площадь спектра. '. ^г

Оценка площади спектра производилась численным интегрировали
амплитуды по дискретным частотам обобщенным методом парабол ( мет
Симпсона ) с точностью до мультипликативной константы, равной шг
дискретизации частот: ,

frp ' S_cn - J ai(f) df, 0

где а_г -амплитуда колебаний на і -частоте, f -частота колебаї

2. Корреляция между спектрами.

Корреляция между проверяемым и эталонным спектрами оценивав ся: - стандартной оценкой:

Гст - (М(Х₃Хі)-МХ₈-.МХі) / бхз-бхі, где МХэ -математическое ожидание величин эталонного спектр; МХ,-ь тематическое ожидание величин текущего спектра; бхз.бхі -средне вадратические отклонения величин эталонного и текущего спектров.

- непараыетркческой.оценкойг'

V : .

г_Нп - l-teKrankXa⁴ " rank Х₄³)²/Н '/(К-1), 1-і. '.'-

- u-

гдэ rank Х_э³ -ранг числа в вариационном ряду эталонного спектра, rank'Xj^j -ранг числа в вариационном ряду текущего спектра; Н -объем выборки.

3. Статистика амплитуд.

Статистика амплитуд вычисляется как суммз логарифмов отношений амплитуды проверяемого спектра к амплитуде эталонного спектра ка всех дискретных, частотах:

п Act- lgfei/aa), 1-1

где &і -амплитуда на і частоте текущего спектра; а_э -амплитуда ка і частоте эталонного спектра.

4. РангоЕзя сумма Вилкоксона-Имана. .
Вычисляется как суммз рангов амплитуд текущего спектрз в его

смеси с этаганным.

5. Знаковые ранги Вилкоксона-Иманз.

Вычисляется как сумма рангов положительных амплитуд рзгнссткз-го спектрз в взрнационком ряду модулей его амплитуд.

5. Статистика знаков (Фидера).

Вычисляется как количество частот положительной амплитуды рзг-ностного спектра.

.Четвертая глзз а.

Экспериментальные исследования и анализ акустических характеристик лопаток турбины и их диагностика методом свободных колебании.

Перед проведением экспериментов проведена-оценка повторяемости экспериментов и сделан вывод, что' экспериментальные установки, система измерений и методика обработки сигналов обеспечивают воспроизводимость результатов. Среднеквадратическая погрешность результатов измрений звукового давления составила бц_Эм.= 1.53 дб.

Экспериментальные исследования проводились сериями з соответствии с поставленными задачами.

Объектами первой серии экспериментов явились 150 равноосных заготозок лопаток 1 ступени турбины авиационного двигателя НК-8-2У, изготовленные из жаропрочной стали ЖС5УВИ методом литья под давлением, имеюзде различную массу. Заготовки лапэток г.рсзлк на зззо-де-изготовителе все еиды штатного нёрагрузахмдего контроля к пгнгнз-ны бездефектными. Эксперименты проводились с использованием SAj'K и "сдкомикро+онного" способа определения дефектов.

Анализ результатов экспериментов показал, что процесса колебаний "легких" и "тяжелых" лопаток отличаются друг ст друга, kzk по

-10.-

основным модам колебаний, перераспределению энергии в процессе затухания колебаний, по времени затухания, так и отклонением частоты-собственных колебаний. При диагностике лопаток с кассой, отличающейся от номинальной на ± 10 г, "одномикрофонным" способом, значения характеристик сравнения спектров выходят за границы доверительных интервалов, построенных с доверительной вероятностью .0.95. Если не формировать выборки лопаток определенной массы, то происходит бракование заЕедомо исправной продукции.

Вторая серия экспериментов проводилась с целью определения возможностей "одномикрофонного" способа к обнаружении дефектов типа трещина на выходной кромке пера, изменение структуры материала, изменение геометрии перз заготовок турбинных лопаток.

Объектом испытаний являлись 16 заготовок лопаток, 6 из которых заведомо исправны, 5 с трещинами на выходной кромке пера размерами 2 мм, 4 мм, 5 мм, 6 мм, 8 мм, 2 лопатки с нарушением структуры материала пера, 2 с изменением геометрии пера лопатки. При подборе лопаток по массовым характеристикам учтены выводы по первой серии экспериментов. Для сравнения текущих спектров с эталонным использовались следующие характеристики сравнения:' статистика амплитуд, площадь спектра,' коэффициент корреляции, ранговая суша Вилкоксо-на-Имана, знаковые ранги Вилкоксрна-Имана.

Результаты сравнительного анализа для ранговой суммы и. знаковых рангов Вилоксона-Имана представлены на рис.3. На графиках по оси абсцисс показаны порядковые номера контролируемых лопаток, по оси ординат значения характеристик сравнения, пунктирной линией обозначены границы-доверительных интервалов, построенные при доверительной вероятности 0.95. Из графиков видно', что спектры заготовок лопаток с трещиной 8 мм (W12) и 6 мм ( №11), с изменением структуры материала пера лопзтки ( >ЭЮ,13) отличаются от эталонного спектра и при их сравнении значения функций еыходят за границы доверительных интервалов. Заготовка с трещиной 5мм (№14) определяется коэффициентом корреляции, знаковыми рангами Вилкоксона-Имана. Однако, "одно-микрофонным" способом не определяются лопатки с трещиной 4мм (№10), 2 мм (№5), с изменением геометрии'пера лопатки (№15,16). Спектры исправных лопаток '.(№41,2,4,6,7,8,9) идентичны и характеристики их сравнения с эталонным спектром находятся, в доверительном интервале значении всех целевых функций. \

В Третьей СериИ ЭКСПерИМеНТОЕ ПрОЕЄДЄНН ИССЛеДОВаНИЯ ВОЗМОА-

костн "одномикрофонного"- способа к.определению дефектов внутренней полости сопловых 'лопаток. 2'ступени ГТД НК-8-2У.

Объектами вссдёдовезий являлись 5 сопловых лопаток 2 ступени

-!Ъ

турбины, две из которых имели обширную коррозию внутренней охлаждаемой полости (дефектные), две на начальной стадии развития дефекта (переходные) и одна бездефектная. По результатам анализа экспериментов были сделаны выводы, что "одкомикрофонный" способ не обладает достаточной чувствительностью для определения дефекта во внутренней полости сопловых лопаток и требует доработки в плаке повышения чувствительности.

По результатам экспериментов с использованием "однсмикрофоннс-го" способа поиска дефектов были сделаны следующие еыводы:

1. При использовании "однсмикрофонного" способа поиска дефектов з заготовках лопаток турбины необходило формировать выборки заготовок, отличающихся по массе не более чем на ±10 г от номинальной.'

2. "Одномикрофонныи" способ поиска дефектов поэвсляет обнаруживать дефекты типа треснна размером более 5 і ад на выходной кромке пера заготовки лопатки турбины, изменение структуры материала пера лопатки. '

3. "Одномикрофонныи" способ не позволяет определять дефекты типа трещина менее 5 мм и требует совершенства в плане повышения чувствительности.

4. "Одномикрофонныи" способ не обладает достаточной чувствительностью для однозначного определения дефекта во внутренней полости сопловых лопаток и требует доработки в плане повышения чувствительности.

Для повышения чувствительности метода свободных колебаний разработан новый "двухмикрофонныи" способ поиска дефектов. Структурная схемз системы акустического диагностирования "двухмикрофонньш" способом приведена на рис.4, она включает в себя: объект диагностирования; блок измерения акустических сигналов в 2-х точках; блок преобразования сигналов и формирования амплитудных спектров; блок сравнения спектров; блок формирования пороговых значений; блек экспресс анализа технического состояния; блок распознавания дефекта; блок хранения контрольных спектров изделий с различными дефектами; блок формирования сигналов управления.

Блок измерения акустических сигналов фиксирует упругие колебания лопаток, возбужденные ударом, в двух контрольных точках пэра лопатки и преобразует их'в-аналоговые электрические сигналы. В блоке преобразования сигналов и формирования а-шлитудных спектров амплитудно-временные сигналы преобразуются в цифровой код на определенном временном учаотке и формируются амплитудные спектры с применением процедуры быстрого преобразования Фурье. Полученные в кскт-рольных точках лопатки амплитудные спектры сравниваются между собоГ:

з блоке сравнения спектров с привлечением целевых функций сравнения, для определения аномальных результатов, присущих дефектным изделиям, применяется неравенство Чебышева. В блоке формирования пороговых значений рассчитываются среднее значение целевой функцій для бездефектных изделий и среднеквздратическое отклонение, которые пос-туп-ят 5 блок экспресс анализа, где проверяется нєеьег лкекие пли выполнение неравенства Чебышева при доверительной вероятности 0.9. В порвем случае ставится диагноз об исправности изделия, во втором случае о дефектности и исходные спектры поступает на вход блока распознавания дефекта. На другой вход этого блока из блок хранения контрольных спектров изделий с различными дефектами поступают амплитудные спектры и происходит сравнение спектров с применением целевых функцій. При максимальной сході-мости спектров проверяемой лопатки со спектрам какой-либо дефектной лопатки, делается выеод о наличии в ней данного дефекта и предположительное место его нахождения. Блок формирования сигналов управления позволяет регулировать силу удара,- расстояние от микрофонов до поверхности пера лопатки, изменяя тем самым условия эксперимента.

В качестве объектов исследований приняты заготовки лоп~:ок 1 ступени турбины ГТД НК-8-2У с дефектами типа трещина размерами от 2 мм до 8 мм, изменение геометрии пера лопаток, изменение структуры материала и полые сопловые лопатки 2 ступени этого ке двигателя.

Из теоретических расчетов- следует, что в диапазоне частот от 10 кГц до 13- кГц целевые функции сравнения спектров в контрольных точка;-: исправных и дефектных лопзток имеют наибольшие отличия. Сравнения спектров в двух контрольных точках лопаток проведены в диапазоне частот от 10 кГц до 13 кГц.

Результаты экспериментов приведены з таблице 1, где знаком 3* обозначен:-! значения статистики знаков, a Fib вероятность для оценки неравенством Чебыпева, J_s - статистика ранговой суммы Еилкоксо-на-З.'мана, Pis - ее вероятность, J_r - статистика знаковых рангов 2плксксо:іа-Имана, Ріг - ее вероятность, А - статистика амплитуд и PiА - ее вероятность. Анализируя полученные результаты, мокко сделать вывод, что значения характеристик сравнения спектров в контрольных точках исправных и'дефектных лопаток значительно отличаются мелду собой и по этим различиям можно однозначно определить заготовки лопаток с дефектами типа трещина размера.! от 2 мм и более к; выходной кромке пера лопатки, '. с изменением структуры материала, с изменением геометрии перз. Информативными функциями при сравнени! спектров являются статистика знаков "Зиізера, ранговая сумма Вилкок-сона-Имана, знаковые ранги Вилкоксона-Имзна, статистика амплитуд

испольеуемые для сравнения спектров на определенном узком интервале частот. Для сравнения полученных результатов и оценке их значении использовалось неравэнство Чебышева при доверительной вероятности 0.9.

Эксперименты проведенные с сопловыми лопатками показали, что дефект внутренней полости типа коррозии однозначно определяется "двухмикрофонным" способом. По результатам экспериментов с использованием "двухмикрофонного" способа поиска дефектов были сделаны следующие выводы:

1. "Двухмикрофснкый" способ диагностики лопатск турбины ГТД является более чувствительным к "мелким" дефектам и позволяет определять микротрещ-шы на выходной кромке пера заготовки лопатки турбины, изменение структуры материала пера лопатки, изменение геометрі::: пера лопатки, коррозии полости сопловых лопаток, позволяет идентифицировать дефект при использовании предложенной системы диагностики.

2. Указанные дефекты определяются такими целевыми функциями, как статистика амплитуд, статистика знаков (Sixepa), ранговая сумма Еилкоксонз-Имана, знаковые ранги Вилкоксонз-Имана при сценке г.х с применением неравенства Чебышева для доверительней вероятности 0.9.

3. Интервал частот от 10 кГц до 13 кГц рекомендован для поиска дефектов типа тресин на выходной кромке пера лопатки, структуры ма-. териала,' изменение геометрии пера турбинной лопатки при диагностике "двухмикрофонным" способом.

Пятаяглава.

Методика диагностики лопаток турбины методом свободных колебаний. Методика состоит из методики проведения измерений и методики анализа результатов измерений. Методика проведения измерений акустических характеристик разработана в соответствии с требованиями ГОСТа 8.476-82 и ГОСТа 19.301-79. Методика анализа устанавливает последовательность проведения обработки результатов измерений с постановкой диагноза технического состояния изделия и определение вида дефекта и ориентировочное место его нахождение. Анализ экспериментальных данных проводится с использованием ГГЕЕМ ІЕМ PC/AT с помощью прикладных программ "ACUSTIC", разработанного з акустической лаборатории КВАКИУ.

Похожие диссертации на Разработка методики диагностики лопаток турбины газотурбинного двигателя методом свободных колебаний

Исследование угловых характеристик потока в турбинных решетках с целью усовершенствования методов проектирования газовых турбин авиационных двигателейВятков Владимир Вячеславович

Метод определения величины радиального зазора в турбине авиационного двигателя и способ его регулирования Бутонов Виктор Валерьевич

Разработка метода проектирования проточных частей радиально-осевой турбины комбинированного двигателя внутреннего сгоранияПассар Андрей Владимирович

Методы газодинамического проектирования и совершенствование элементов проточной части турбин авиационных высокотемпературных двигателейМамаев, Борис Иванович

Совершенствование методов выбора параметров при газодинамическом проектировании многоступенчатой неохлаждаемой турбины авиационных газотурбинных двигателейКащеева Полина Витальевна

Диагностика сварных узлов ДЛА методом свободных колебанийВаньков, Юрий Витальевич

Метод снижения аэродинамических сил, возбуждающих колебания лопаток турбин Барриентос Каро Карлос Альфредо

Аэродинамическое возбуждение колебаний турбинных лопаток в сжимаемом нестационарном потоке и совершенствование метода расчета переменных нагрузок Суханов Александр Игоревич

Разработка методики моделирования и исследование процесса измерения деталей ГТД на координатно-измерительных машинахБолотов, Михаил Александрович

Разработка методики расчета тепловых характеристик свечей зажигания карбюраторных двигателей Михайлов Александр Федорович