Импульсы оборотного датчика Д0 подаются на схему управ* ления У счетчиков СЧЛ, возвращая его в нулевое состояние после каждого оборота ротора.

4.7.СИГНАЛИЗАТОР ЦИКЛ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК

Вгл. 1 описаны блок-схема и принцип действия сигнализатора колебаний лопаток ЦИКЛ. Здесь более подробно описаны его функциональная и электрическая схемы.

4.7.1.Функциональная схема прибора ЦИКЛ

На рис. 4.15 приведена функциональная схема прибора ЦИКЛ. Формирователи Фк и Фп, подключенные к выходам датчиков Дп и

Логическая схема со­ стоит из двух вентилей В1 и В2, подключенных к входам триггера ТГ Ин­ вертор И подает управля­ ющее напряжение для установки триггера в по­ ложение «1 » при совпа­ дении и в положение «0 » при несовпадении им­ пульсов. К выходу триг­ гера присоединен ждущий

Рис. 4.16. Временная диаграмма сигнализатора ЦИКЛ

усиления и дифференцирования в формирователях Фк и Фп посту­ пают на схему совпадения. При отклонении хотя бы одной из ло­ паток на величину, большую установленной, произойдет с о в п а д е ­ ние во времени импульсов, поступающих от мультивибратора ЖМ1 и блокинг-генератора БГ (см. рис. 4. 15). При каждом таком отклонении триггер ТГ будет периодически переводиться в состо­ яние «1». При этом будет запускаться ждущий мультивибратор ЖМ2 , который подает сигнал на выходные элементы СЛ или Р1

4.7.2. Принципиальная схема прибора ЦИКЛ

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 4.17 Вход­ ной эмиттерный повторитель выполнен на транзисторе Т1. Д в у ­ сторонний ограничитель, выполненный на диодах Д1 и Д2, имеет уровень ограничения порядка 100 мВ. С эмиттерного повторите-™ (Т2) ограниченный сигнал подается на усилитель УС1, собранный по схеме с общим эмиттером на транзисторе ТЗ. Для стабилиза­ ции режима транзистора в схеме усилителя используется отр11' дательная обратная связь по току через резистор R1 2 , который используется также в цепи обратной связи по переменному токУ (так называемая схема эмиттерной коррекции). Для стабилиза­

заперт, ключ открывается и реле Р1 замыкает нормально-разомк­ нутые контакты. Эти контакты включают цепь регистрирующей, сигнализирующей и управляю­ щей аппаратуры. Использование накопителя повышает помехоус­

тойчивость прибора.

кромки лопаток), поэтому не всегда удается сразу обнаружить поломку.

Для обнаружения поломок лопаток может служить исключительно простой прибор, работающий от сигнала одного из датчи­ ков, установленных над рабочим колесом (рис. 4.19).

Сигнал датчика после усиления поступает на вход синхрониза­ ции генератора пилообразного напряжения ГП. Если все лопатки

Рис. 4.19. Принцип работы индикатора поломки лопаток

колеса не имеют повреждений на периферии, то импульс датчика следует через равные интервалы времени. В этом случае пилооб­ разные импульсы имеют одинаковую амплитуду (см. рис. 4.19, а) В случае поломки одной или нескольких лопаток периодичность импульсов датчика нарушается, так как оборванная или повреж­ денная лопатка не возбуждает импульса в датчике (см. рис.

4.19,6). Отсутствие синхронизирующего импульса на входе гене­ ратора пилообразного напряжения приводит к тому, что напряже­ ние на его выходе продолжает расти до прихода следующего синхронизирующего импульса. В результате пилообразный им­ пульс на выходе генератора оказывается почти вдвое больше остальных. Сигнал о выходе генератора подается на один из входов схемы сравнения СС. На другой вход подается среднее напряжение того же сигнала, полученное с помощью фильтра Ф. При отсутствии резких выбросов в сигнале (все лопатки целы) на выходе схемы сравнения сигнал отсутствует. При появлении та­ ких выбросов они проходят через схему сравнения и включают реле Р, которое своими контактами зажигает сигнальную лампоч-. ку прибора. Вторая свободная пара контактов реле может быть использована для подачи звукового или любого другого аварий­ ного сигнала. В приборе предусмотрена система контроля, позво­ ляющая периодически проверять работоспособность и контроли­ ровать срабатывание прибора при появлении аварийного сигнала.

На этом закончим описание приборов ДФМ и перейдем к из­ ложению приемов работы с ними при измерениях колебаний ло­ паток турбомашин.

Глава 5

ИЗМЕРЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИНЫ ДИСКРЕТНО-ФАЗОВЫМИ ПРИБОРАМИ

Измерения колебаний лопаток турбомашин с помощью прибо­ ров ДФМ принципиально весьма просты и легко могут быть осво­ ены даже при отсутствии опыта измерений колебаний лопаток другими методами. Как уже указывалось выше, измерения коле­ баний лопаток турбомашин с помощью приборов ДФМ выполня­ ются в условиях недостатка информации, поэтому любые апри­ орные сведения об ожидаемом или наблюдаемом явлении оказы­ ваются очень важными. Кроме того, не менее важны правильное препарирование турбомашины, тщательная калибровка приборов и аккуратная расшифровка полученных данных. Все это вместе взятое, а также постепенно накапливаемый исследователем опыт проведения измерений позволяют достаточно уверенно следить по экранам приборов ДФМ за вибрационным состоянием турбома­ шин, правильно квалифицировать типичные явления в турбомашинах, выявлять природу ранее неизвестных аэроупругих про­ цессов в лопаточных венцах.

В данной главе последовательно изложены методические при­ емы использования приборов ДФМ для идентификации и измере­ ния различных колебаний лопаток турбомашин; в качестве иллюстраций приведены примеры измерений колебаний лопаток осевых компрессоров.

5.1. ПРЕПАРИРОВАНИЕ ТУРБОМАШИНЫ, КАЛИБРОВКА ПРИБОРОВ И РАСШИФРОВКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1.1. Препарирование турбомашины

Для определения параметров колебаний лопаток с помощью приборов ДФМ необходимо произвести препарирование турбомашины, заключающееся в установке нескольких неподвижных им­ пульсных датчиков, не имеющих механического контакта с вра­ щающимися деталями турбомашины. Простота самих импульсных датчиков, а также широкий диапазон условий их надежной рабо­ ты определяют практическую возможность препарирования

подавляющего большинства стационарных и транспортных турбо­ машин независимо от их конструктивных особенностей и условий эксплуатации.

В зависимости от поставленной задачи и конкретных условий использования приборов ДФМ требуется определенное препари­ рование турбомашины с применением импульсных датчиков соот­ ветствующей конструкции.

Наиболее полное препарирование машины нужно при выполне­ нии научных исследований. В частности, машины, предназначен­ ные для научных исследований в условиях исследовательских стендов, целесообразно сразу проектировать с деталями, необхо­ димыми для их препарирования импульсными датчиками. Про­ мышленные (опытные и серийные) машины также могут быть снабжены необходимой системой импульсных датчиков как на стадии сборки, так иногда и в эксплуатации, однако в этом слу­ чае желательно по возможности более простое препарирование. Наконец, при необходимости измерения вибраций лопаток уни­ кальных или других турбомашин, разборка которых с целью их препарирования крайне нежелательна, может осуществляться ми­ нимальное препарирование машины с установкой, например, только датчиков в корпусе над рабочими колесами. Естественно, что в этом случае неизбежна потеря значительной части инфор­ мации.

В ряде случаев могут быть предусмотрены штатные импуль­ сные датчики для непрерывного или периодического контроля за вибрациями лопаток серийной турбомашины в условиях ее экс­ плуатации.

Рассмотрим последовательно особенности установки импульс­ ных датчиков разного назначения.

Датчик оборотной частоты Д0 (для простоты называемый обо­ ротным датчиком) предназначен для получения последовательно­ сти импульсов с частотой, равной частоте вращения ротора Я. Он устанавливается на неподвижной детали машины против возбу­ дителя колебаний (штырька или прорези), расположенного в лю­ бом месте ротора турбомашины. При любом препарировании одновальной машины достаточно одного оборотного датчика. Для многовальной машины оборотные датчики должны быть установлены для каждого вала в отдельности.

Оборотный датчик необходим для работы с приборами ЭЛУРА и ЭМИР, где он позволяет выделять из потока информации дан­ ные, относящиеся к любой конкретной лопатке. Без оборотного датчика «опознание» лопатки этими приборами невозможно. Для работы прибора ЦИКЛ оборотный датчик не требуется.

методами. Например, такую последовательность импульсов мож­ но получить путем преобразования последовательности импульсов неравной амплитуды с частотой следования лопаток, имеющейся

в канале периферийного датчика (см. ниже), или последовательно­ сти импульсов с частотой, обычно не кратной частоте вращения ротора, в штатной системе измерения частоты вращения, имею­ щейся практически на любой турбомашине. Однако, аппаратурные решения этих задач преобразования сигналов достаточно сложны и неудобны в практике.

Корневой датчик Дк, требуемый для получения опорной после­ довательности импульсов (в данной книге для простоты называ­ емый «корневым»), устанавливают на неподвижной детали турбо­ машины против возбудителей (равнорасположенных по окружности вала штырьков или прорезей), размещаемых в любом месте рото­ ра. Проще всего в качестве возбудителей для корневых датчиков использовать деталь, подобную шестерне с прямоугольными зубь­ ями. При этом желательно, чтобы ширина зуба не превосходила ширины впадины между соседними зубьями. Необходимо также обеспечить отсутствие крутильных колебаний зубчатки возбудите­ лей относительно диска исследуемого рабочего колеса.

Если исследованию подвергается несколько рабочих колес мно­ гоступенчатой турбомашины, то число корневых датчиков должно равняться числу исследуемых колес (если среди этих колес нет колес, имеющих равные числа лопаток).

В экспериментальных турбомашинах корневой и оборотный дат­ чики удобно размещать в пяте — устройстве, воспринимающем осе­ вые усилия, конструкция которого обычно сохраняется неизменной, независимо от варианта исследуемой машины (рис. 5.1). При этом в случае изменения числа лопаток рабочего колеса следует всего лишь заменить зубчатку возбудителей. Можно использовать зуб­ чатки с числом возбудителей, превышающим количество лопаток рабочего колеса в целое число раз.

Типичный пример препарирования натурного осевого компрессо­ ра ТРД показан на рис. 5.2. Поскольку этот компрессор имеет осе­ вой вход потока и консольную конструкцию первого рабочего ко­ леса, оборотный и корневой датчики размещаются между рабочим колесом и направляющим аппаратом первой ступени. Использова­ ние корневого датчика обязательно при измерении амплитуд де­ формаций лопаток всеми приборами ДФМ. Корневой датчик не требуется, если измеряются взаимные колебания лопаток или амп­ литуда скорости их колебаний.

Периферийный датчик Дп. Для простоты «периферийными» будем называть все импульсные датчики, предназначенные для получения импульсов в момент прохождения мимо них вращаю­ щихся лопаток или других вращающихся деталей, колебания ко­ торых требуется измерить. Чаще всего периферийные датчики размещают в корпусе турбомашины над ее рабочими колесами и их установка обычно не вызывает особых затруднений (см. рис. 5.1 и 5.2). В некоторых случаях установка таких датчиков может осуществляться даже без разборки турбомашины.

ПОЛ

X

Рис. 5.1. Установка импульсных датчиков в компрессоре:

а—над лопатками рабочего колеса; б—

в упорной пяте; /—вал турбомашины; 2—упорная пята; А—зубчатка возбуди­

телей корневого датчика; В—выступ- возбудитель оборотного датчика

со

со

На рис. 5.3 показаны схемы некоторых вариантов установки импульсных датчиков в турбомашине:

а — в случае измерения перемещений при изгибе лопаток или амплитуды изгибных колебаний. Угол ао произвольный, начальное смещение $о должно быть не меньше максимальных ожидаемых перемещений или амплитуд, но и не слишком превышать их зна­ чения;

Рис. 5.2. Установка импульсных датчиков в натурном компрессоре ТРД:

Л—кольцо возбудителей корневого датчика; В —выступ-возбудитель оборотного

датчика

б — в случае измерения упругой раскрутки лопаток или амп­ литуды их крутильных колебаний. Смещение So должно равняться или несколько превышать максимальное ожидаемое перемещение

щение So должно превышать максимальную ожидаемую амплиту. ду взаимных колебаний. Схема установки импульсных датчиков совпадает со схемой в при их обратном включении на коммутпторе прибора;

д — в случае измерений упругой закрутки и амплитуды Кру. тильных колебаний валов турбомашин.

Как уже отмечалось в гл. 3, предпочтительным является пре­ парирование турбомашины индукционными датчиками. В подав­ ляющем большинстве случаев в качестве оборотного и корневого датчиков можно использовать индукционные датчики» причем Ни­

каких особых требований к проводке от индукционных датчиков к приборам не требуется.

Датчик Дп относительно датчика Д0 для всех видов измерений должен быть установлен таким образом, чтобы в момент, когда возбудитель «О» находится против датчика Д0, лопатка не доходи­ ла бы до датчика Дп примерно на 1/2 шага. Невыполнение этого условия может привести к утрате информации о вибрационном

а)

Рис. 5.3. Установка импульсных датчиков для изме­ рения различных параметров деформаций лопаток:

перемещений при нзгнбных а и крутильных б деформациях; скоростей колебаний в; взаимных перемещений г; упругой закрутки или крутильных колебаний вала д

состоянии одной из лопаток рабочего колеса. Устанавливать кор­ невые и периферийные датчики желательно так, чтобы в момент совпадения оси корневого возбудителя с осью датчика средняя линия периферийного сечения лопатки отстояла от оси перифе­ рийного датчика на величину, равную максимальной ожидаемой амплитуде колебаний лопаток в окружном направлении. При та­ кой расстановке датчиков при работе с приборами ЭЛУРА, ЭЛИА и подобными им не придется вводить временную задерж­ ку. Сказанное не относится к прибору ЦИКЛ, для которого сме­ щение датчиков должно равняться сигнализируемой амплитуде колебаний лопаток в окружном направлении.

Радиальный зазор между датчиком и зубчаткой или торцем ло­ патки выбирается из условия получения амплитуды импульса не менее 0,3В. Обычно датчики устанавливают заподлицо с внутрен­ ней поверхностью корпуса турбомашины.

Эмиттерный или катодный повторитель для емкостных датчи­ ков должен быть расположен как можно ближе к датчику. Про­ вод, соединяющий датчик и повторитель, должен иметь минималь­

дения за показаниями прибора ЭЛУРА, целесообразно либо поль­ зоваться системами телеметрии, либо использовать приборы ЦИКЛ. Для обеспечения возможности контроля двух уровней колебаний лопаток (с целью сигнализации о начале колебаний, а также об их увеличении до предельно допустимых) на самолете целесообразно устанавливать два сигнализатора ЦИКЛ-2, подклю­ ченных к различным парам датчиков. Пример схемы размещения

Рис. 5.4. Схема размещения импульсных датчиков и их подключение к сигнализации на одноместном самолете

импульсных датчиков на двигателе, а также их подключения к сигнализаторам на самолете показан на рис. 5.4. Над лопатками рабочего колеса первой ступени компрессора установили четыре индукционных датчика (Дпь ДП2, Дпз, ДпО, положение которых регулировалось в пределах ± 1 0 мм перемещением их в пазу кре­ пежной детали на корпусе компрессора. Внутри двигателя на не­ подвижном кронштейне были размещены корневой (Дк) и оборот­ ный (До) датчики. Оборотный датчик использовался только при стендовых испытаниях двигателя с прибором ЭЛУРА-3, в частно­ сти при отладке сигнализаторов на заданные уровни амплитуд (установке датчиков).

5.1.2. Калибровка и настройка приборов дискретно-фазового измерения

Масштаб изображения на экране прибора ЭЛУРА устанавли­ вается по положению переключателей, расположенных на его ли­

цевой панели.

Длительность строчных разверток подбирается при изготовле­ нии и наладке прибора. Периодически длительность строчных разт верток должна поверяться либо с помощью другого, точно отка-

либрованного осциллографа (например, осциллографа С1-16), ли­ бо с помощью цифрового частотомера с запуском и остановкой заполняющих импульсов по двум раздельным каналам (например, частотомера 43-30).

Связь амплитуд колебаний лопаток с напряжениями в опасном сечении можно установить различными способами. Наиболее точ­ ным из них является одновременное измерение колебаний концов

Рис. 5.5. Схема перемещения профиля лопатки относительно им­ пульсных датчиков

лопаток .с помощью прибора ЭЛУРА и напряжений в опасном сечении лопаток с помощью тензометров и токосъемника. Однако этот способ не всегда удобен и поэтому часто используются дру­ гие, более простые методы тарировки. Рассмотрим последова­ тельно особенности тарировки приборов дискретно-фазового из­ мерения.

Приборы дискретно-фазового метода измеряют амплитуду А перемещений лопаток в окружном направлении (рис. 5.5). Эта амплитуда связана с обычно используемой в расчетах амплитудой (середины хорды в направлении нормали к ней) соотношением

где q — коэффициент «заглубления» датчика в осевом направле­ нии

h’ 4= b sin $

Если датчик установлен над передними кромками лопаток, коэф­

Коэффициент жесткости лопаток в рабочих условиях может быть рассчитан либо измерен путем предварительного тензометрирования колебаний лопаток с одновременным измерением их де­ формаций.

б,М П о

Рис. 5.6. Связь амплитуд колебаний лопаток (Л) с напряже­ ниями в корневом сечении (первая форма колебаний):

а—полученная путем подачи на вход прибора сигнала с тензодатчиков: б—полученная путем сравнения показаний прибора с результатами тензометрнровання

Один из методов тарировки приборов дискретно-фазового из­ мерения— подача на их вход сигнала с тензодатчика. Регистра­ ция получаемых меток позволяет установить непосредственную связь между амплитудой колебаний лопатки А и напряжениями в ней.

На рис. 5.6, а приведен пример такой связи для двух лопаток одного рабочего колеса. Видно, что коэффициент жесткости, в ис­ следованном диапазоне амплитуд не зависит от амплитуды, а ве­ личина его различна для лопаток, даже изготовленных по одному чертежу. Последнее связано с разбросом параметров лопаток в пределах производственных допусков.

Возможна тарировка приборов дискретно-фазового измерения и по показаниям тензодатчиков, регистрируемым с помощью шлейфовых осциллографов. На рис. 5.6, б приведен пример связи между амплитудами колебаний лопаток, определенными по экрану прибора ЭЛУРА, и напряжениями в лопатках, определенными по показаниям тензодатчиков. Для различных экземпляров лопаток разброс значений, подсчитанных по рис. 5.6, б, равен 30% от

о=29* 10_3 до 22 • 10~3. В среднем а = 25,5 • 10—3, что вдвое боль­ ше, чем при статических условиях.