Глава 9. Канал измерения вибрации гтд

9.1. Понятие вибрации, вибродиагностика гтд

Вибрация, как протекающий во времени процесс, описывается соответствующим законом колебаний и характеризуется определенными параметрами этого закона. Гармоническая вибрация описывается тремя независимыми параметрами: амплитудой, частотой и начальной фазой. Частота вибрации измеряется в Гц, а связанные с нею период колебаний и круговая частота измеряются в секундах и рад/с соответственно. Фаза измеряется в радианах или угловых градусах (1рад= 57,295°).

Единицы измерений амплитуды вибрации зависят от измеряемой колебательной величины. Вибрационные смещения измеряются в м, скорости – в м/с, ускорения – в м/с². Широко распространена практическая система единиц: смещения измеряются в миллиметрах, скорости – в мм/с, ускорения – в единицах нормализованного ускорения силы тяжести (м/с²).

Связь амплитуд ускорений в практической и международной системах выражается формулой:

. (9.1)

Иногда употребляется безразмерный коэффициент , равный отношению вибрационного ускорения к ускорению земного притяжения:

. (9.2)

Этот параметр называют коэффициентом вибрационной перегрузки. Численно он совпадает со значением ускорения, выраженного в .

Пиковое значение вибрации определяется как наибольшее отклонение колебательной величины в ту или другую сторону от нулевого уровня:

. (9.3)

Пиковое значение смещений характеризует максимальное отклонение колеблющегося тела, что важно, например, при выборе величин зазоров между колеблющимися телами. Пиковое значение ускоренийиспользуется для оценки наибольших инерционных сил.

Действующее, или эффективное значение вибрации

(9.4)

имеет определенный физический смысл в случаи виброскорости, так как энергия колебаний в общем случае пропорциональна квадрату скорости вибрации.

Среднее значение вибрации определяется как среднее арифметическое мгновенных значений (без учета знака; среднее значение с учетом знака за полный период равно нулю):

. (9.5)

Оно используется для оценки общей интенсивности вибрации.

Отношение действующего значения к среднему называется коэффициентом формы:

, (9.6)

а пикового к действующему – коэффициентом амплитуды или пик-фактором:

. (9.7)

В случаи гармонической вибрации

(9.8)

Иногда употребляются относительные единицы измерения вибрации. Уровень интенсивности скорости вибрации в децибелах определяется как двадцатикратный десятичный логарифм отношения абсолютного значения виброскорости к некоторому начальному уровню:

. (9.9)

За начальный уровень интенсивности вибрации принимается действующее значение виброскорости .

Газотурбинные двигатели (ГТД) применяются в различных областях: в авиации, энергетике, судостроении, на транспорте. В связи с этим повышается значимость всех технико-экономических характеристик, определяющих качество двигателя. Особые требования предъявляются к надежности и ресурсу, как к главным факторам повышения экономической эффективности ГТД. Надежность и ресурс в значительной мере определяются уровнем вибрационной напряженности двигателей.

Стремление к улучшению показателей двигателей приводит к увеличению скоростей, повышению энергонапряженности, усложнению рабочих процессов и конструктивных схем двигателей (многокаскадные компрессоры, двухконтурные схемы, форсажные камеры), к применению легких и тонкостенных конструктивных элементов. Вследствие этого усложняется характер вибрации и увеличиваются вибрационные нагрузки на детали двигателей, т.е. увеличивается интенсивность и опасность вибрации.

Преимущественный тип силовой установки, применяемый в настоящее время в авиации - ГТД. Основу ГТД составляет многоступенчатая лопаточная машина, включающая набор вращающихся рабочих колес и неподвижных направляющих (сопловых) аппаратов компрессора и турбины.

Вибрация, т.е. механические колебания, определяются обычно как реакция системы на действие возмущающих сил . При анализе вибрации ГТД в качестве системы рассматривается конструкция двигателя, установленного на ЛА. Возмущающие нагрузки, действующие в ГТД, обусловлены принципом действия и особенностями конструкции турбокомпрессора, представляющего собой лопаточную роторную машину и составляющего основу современного ГТД, а также условиями эксплуатации силовой установки на ЛА. Внешние и внутренние возмущающие силы имеют в основном механическое и газодинамическое (аэромеханическое) происхождение.

Поведение системы под действием этих нагрузок может быть проанализировано на основе изучения вибрационного спектра, являющегося совокупностью простых гармонических колебаний, на которые может быть разложено сложное колебательное движение различных точек двигателя. Спектр ГТД имеет, как правило, комбинированную структуру и представляет собой сумму широкополосного вибрационного шума (фона) и линейчатого спектра, состоящего из ряда дискретных гармонических составляющих.

В процессе нормального функционирования в спектре вибрации ГТД содержатся различные дискретные составляющие, образующие звукоряды, кратные оборотным и лопаточным частотам КНД и КВД, а также частотам вращения шестерен, роторов вспомогательных механизмов и частотам пересопряжения зубьев центрального привода.

Дискретные составляющие имеют аэродинамическую и механическую природу. Так, аэродинамические пульсации возникают при выбрасывании газа из межлопаточного канала каждой ступени компрессора и турбины с частотами, равными произведению чисел лопаток ступени на количество оборотов ротора в секунду. Импульсный характер процесса приводит к формированию целого ряда гармоник, кратных лопаточной частоте. Возникают и комбинационные составляющие в результате суммирования на корпусе вибраций с лопаточными частотами разных ступеней каждого ротора, аэродинамическим взаимодействием лопаток роторов и направляющих аппаратов, неоднородностью набегающего потока.

Дискретные составляющие механической природы в приводах обусловлены переменной жесткостью зацепления шестерен по фазе (переход от однопарного зацепления к двухпарному), а также погрешностью изготовления и сборки зубчатой передачи.

В результате развития дефектов формируются нестационарные вибрационные процессы, которые приводят к изменению по определенному закону во времени величин, характеризующих колебания (амплитуды, частоты и фазы). При этом в окрестностях лопаточных составляющих и их гармоник, а также в окрестностях составляющих с частотами зацепления шестерен в диапазонах средних и высоких частот спектра вибрации корпусов возникают модуляционные компоненты. По частотам несущего и модулирующего сигналов можно идентифицировать узел ГТД, в котором развивается неисправность, а по глубине амплитудной или индексу угловой модуляций определить степень развития дефекта. В общем случае сигнал вибрации может быть представлен в следующем виде:

(9.10)

где

–шумовая составляющая (сплошная составляющая спектра);

–амплитуда j-ой гармоники i-го звукоряда;

–коэффициент амплитудной модуляции i-го звукоряда;

–амплитуда огибающей (узкополосный случайный процесс) i-го звукоряда;

ω_i– частота первой гармоники i-го звукоряда;

–начальная фаза j-ой гармоники i-го звукоряда;

–коэффициент угловой модуляции i-го звукоряда;

–угловая огибающая (случайный процесс) i-го звукоряда;

–вихревой шум на k-ой лопатке;

–амплитуда j-ой гармоники k-ой огибающей вихревого шума;

–коэффициент амплитудной модуляции k-ой огибающей;

–амплитудная огибающая (случайный процесс) k-ого звукоряда вихревого шума;

–частота первой гармоники (частота вала);

–начальная фаза j-ой гармоники k-ого звукоряда;

–угловая огибающая (случайный процесс) k-ого звукоряда.

Вышеприведенная формула может быть упрощена, например, для анализа неравномерного износа зубчатой передачи, который приводит к увеличению погрешностей шага зубьев сопрягаемых колес (сопровождается появлением угловой модуляции) и колебанию межосевого расстояния, то есть к бою зубчатого венца изношенной шестерни (сопровождается появлением амплитудной модуляции).

Возникающая смешанная амплитудно-угловая модуляция характеризуется тем, что периоды несущих амплитудной и угловой модуляций совпадают (T_n=2π/ω₀, здесь ω₀ – циклическая частота несущего сигнала, равная произведению числа оборотов шестерни в секунду на число зубьев и на 2π), а также совпадают периоды модулирующих функций (T_m=2π/Ω, здесь Ω – циклическая частота модулирующего сигнала, равная произведению числа оборотов в секунду дефектной шестерни на 2π).

Предположим для упрощения выкладок, что обе функции являются гармоническими, тогда результирующий сигнал может быть представлен в следующем виде:

S(t)=A[1+m_acos(Ωt+ϕ)]cos(ω₀t+βsinΩt)≈

≈A[1+ m_acos(Ωt+ϕ)][cosω₀t+β/2cos(ω₀+Ω)t-β/2cos(ω₀- Ω)t]≈

≈Acosω₀t+Am_a/2cos[(ω₀-Ω)t-ϕ]+Am_a/2cos[(ω₀+Ω)t+ϕ]+

+Aβ/2cos(ω₀+Ω)t- Aβ/2cos(ω₀-Ω)t+малые величины. (9.11)

Здесь A - амплитуда несущего сигнала, m_a - коэффициент амплитудной модуляции, β - индекс угловой модуляции. β=m_yω₀/Ω, здесь m_y - коэффициент угловой модуляции.

Данное представление сигнала правомерно при значении индекса модуляции β значительно меньше единицы. Это подтверждается при анализе экспериментальных данных.

Анализируя преобразованное выражение для сигнала S(t) можно отметить, что спектр этого сигнала имеет дискретную составляющую с амплитудой А на несущей частоте ω₀ и две боковые дискретные составляющие, равноотстоящие от несущей на величины (ω₀+ Ω) и (ω₀- Ω).

Амплитуды боковых составляющих соответственно равны 1/2Аm_a+ +βA/2 и 1/2Аm_a-βA/2, то есть, они имеют разную величину. В этом случае индекс угловой модуляции можно определить как частное от деления модуля разности амплитуд боковых составляющих спектра на амплитуду несущего сигнала.

Наибольший вклад в образование фона вносят возмущающие нагрузки, имеющие аэродинамическую природу; дискретные же составляющие обусловлены силами как механического, так и газодинамического происхождения.

Техническое состояние ротора турбокомпрессора во многом определяет ресурс и надежность силовой установки, и безопасность полетов ЛА. Вращающийся ротор - один из основных источников вибрации ГТД. В этой связи контроль и диагностирование состояния ГТД по вибрационным параметрам представляет собой одно из важнейших направлений в общей системе технической диагностики. Вибрационный анализ имеет в сравнении с другими диагностическими методами ряд характерных особенностей, которые связаны с тем, что если последние обычно фиксируют результаты силового нагружения, то с помощью вибрационных методов осуществляется непосредственный контроль самого динамического силового взаимодействия. Отсюда следует принципиальная возможность более раннего, по сравнению с другими способами, обнаружения и даже предупреждения неисправностей.

Широкий частотный диапазон вибрационных сигналов обусловливает их быструю, практически мгновенную, реакцию на изменение состояния объекта . Поэтому методы вибродиагностики незаменимы тогда, когда необходимы мгновенный диагноз и мгновенное принятие решения, например, при попадании в двигатель каких-либо предметов, его помпаже и т.д.

Вибрационная диагностика - один из методов повышения надежности АД, обеспечения их эксплуатации в соответствии с фактическим состоянием и повышения безопасности полетов. К вибродиагностике в широком смысле относятся многие аспекты определения вибрационной прочности и надежности АД, исследуемые фактически с появлением первых ГТД. В узком смысле под вибродиагностикой понимают обнаружение неисправностей двигателя, связанных с вибрацией и колебаниями.

Диагностика вибрационного состояния двигателя при конструировании предусматривает оценку и прогнозирование параметров колебаний его элементов на основе накопленного ранее опыта разработки, доводки и эксплуатации двигателей. Экспериментальная оценка вибрационного состояния двигателя при доводке опытных изделий - одно из главных и наиболее распространенных практических приложений вибродиагностики. На этой стадии проектирования двигателя основными задачами вибродиагностики являются:

- выявление опасных динамических воздействий на детали двигателя, оценка их интенсивности и характера, выявление причин возбуждения колебаний;

- выявление опасных резонансных и вынужденных колебаний отдельных деталей и узлов;

- определение допустимых уровней общих вибраций двигателя и вибраций его агрегатов;

- распознавание колебаний, возбуждаемых отдельными источниками возмущений, в том числе различной физической природы;

- оценка динамической нагруженности элементов конструкции двигателя;

- выявление причин повышенных вибраций и определение факторов, влияющих на них;

- оценка влияния качества изготовления и сборки двигателя и его узлов на вибрационное состояние элементов конструкции;

- идентификация конструкции двигателя и его элементов как динамической системы, т.е. построение оптимальных в некотором смысле моделей колебательных систем и оценка параметров данных моделей по входным и выходным диагностическим сигналам, в частности, в целях определения вибропроводимости элементов конструкции;

- оценка устойчивости элементов конструкции двигателя к колебаниям, например оценка устойчивости лопаток рабочих колес к автоколебаниям.

На этапе производства методы вибрационной диагностики используются при контрольно-сдаточных испытаниях для проверки качества изготовления и сборки изделий, а также для раннего обнаружения неисправностей при длительных и других стендовых испытаниях.

Особой задачей вибрационной диагностики АД, решаемой совместно на этапах производства и эксплуатации, является выявление в эксплуатации и при сдаточных испытаниях изделий с потенциально ненадежными элементами. Под потенциально ненадежными элементами понимаются такие элементы конкретных экземпляров двигателей, надежность которых соответствует требуемой при расчетных условиях нагружения, но при отклонении от них существенно снижается, например, из-за случайных дефектов производственного характера, вследствие чего на данных экземплярах двигателей в эксплуатации могут возникнуть неисправности. Решение подобных задач особенно актуально в случае устранения неисправностей, выявляющихся после основной доводки двигателя и длительного серийного выпуска изделий, и при обеспечении надежности изделий внесением тех или иных изменений в конструкцию. Выявление в эксплуатации изделий с ненадежными элементами, обычно составляющими незначительную часть парка изделий, позволяет в сжатые сроки обеспечить требуемый уровень эксплуатационной надежности двигателя при значительном сокращении объема работ по замене ненадежных деталей.

Возможны два подхода к задачам определения технического состояния изделий методами вибродиагностики. Первый основан на том предположении, что всякое изменение диагностических параметров вибрации обусловлено изменением состояния изделия, а всякое изменение этого состояния вызывает изменение параметров вибрации. При втором подходе диагноз состояния конкретного объекта диагностирования ставят не по изменению диагностического сигнала, а на основе оценки близости значений диагностических параметров данного изделия к границам допустимой области, определенной по параметрам некоторого множества изделий или же на основе оценки вероятности выхода значений диагностических параметров за допустимые границы. В вибрационной диагностике АД используются оба подхода, причем в ряде задач - совместно.

Для элементов авиадвигателей наиболее опасны колебания периодического характера, имеющие спектры с явно выраженными дискретными составляющими. Данные колебания в двигателях являются обычно сильными диагностическими сигналами.

При возникновении и слабом развитии неисправностей возбуждаются колебания, которые, как правило, являются слабыми диагностическими сигналами. Неисправности порождают узкополосные и широкополосные сигналы стационарного и нестационарного характера.

Ввиду сложности неисправностей и явлений в АД и необходимости анализа слабых и сильных сигналов в вибродиагностике в качестве диагностических параметров используются различные количественные характеристики диагностических сигналов и их комбинаций. К ним относятся все общеизвестные количественные характеристики детерминированных и случайных процессов, а также специальные характеристики, используемые в теории сигналов, например моменты спектральной плотности, совместные характеристики процессов (параметры функций взаимной спектральной плотности, взаимной ковариации и корреляции, частной и множественной когерентности), характеристики одномерных и многомерных законов распределения и т.д. Кроме того, в качестве диагностических параметров используются различные комбинации количественных характеристик процессов (например, отношения уровней отдельных составляющих в спектрах детерминированных и случайных сигналов), а также характеристики изменения (тренда) перечисленных выше параметров.

Для обоснованного выбора диагностических параметров в каждом конкретном случае необходимы экспериментальные исследования объектов, находящихся в тех состояниях, которые предстоит определять. При этом следует учитывать следующие два обстоятельства: дефекты обычно характеризуются комплексом диагностических параметров; частоты колебаний вращающихся деталей двигателя могут не совпадать с частотами колебаний корпусных деталей, являющихся сигналами, несущими информацию.

В настоящее время при доводке изделий и в эксплуатации наиболее широко в диагностических целях используется роторная вибрация двигателей. Однако для решения увеличивающихся и усложняющихся задач диагностики двигателей необходимо расширение частотного диапазона вибраций, используемых в диагностических целях, в сторону более низких и более высоких частот. В частности, перспективно расширение исследуемого диапазона частот до нескольких мегагерц для использования явления акустической эмиссии, свидетельствующего о наличии и развитии трещин, износа и коррозии деталей.

Вибрации двигателей, рассматриваемые при диагностических исследованиях в широком диапазоне частот и амплитуд, являются комплексным диагностическим сигналом, представляющим собой совокупность аддитивных и мультипликативных комбинаций сложных слабых и сильных ²элементарных² диагностических сигналов, возбуждаемых различными источниками колебаний и часто представляющих собой также совокупность аддитивных и мультипликативных комбинаций более простых составляющих. При этом частотный состав большинства ²элементарных² сигналов связан с частотой вращения роторов двигателей и значительно изменяется при колебаниях частоты вращения роторов даже на установившихся режимах работы двигателя.