Вибрации роторных лопаток
Простейшие микроволновые датчики могут использоваться для измерения параметров колебаний неподвижных лопаток. На рис. 48 приведены последовательности амплитудных спектров сигналов (режим «водопад»), полученных от тензодатчика (вверху) и радиолокационного датчика (внизу) при перестройке частоты вибростенда в районе резонансной частоты турбинной лопатки. Как видно из приведенных спектров, полученные по двум различным каналам зависимости совпадают.
Рис. 48. Вибростенд и графическое представление амплитудных спектров сигналов
Возможность определения колебаний роторных лопаток и обнаружения забоин при их одновременном возникновении в процессе функционирования ГТД подтверждена теоретически и экспериментально. На рис. 49 показано изменение формы экспериментальных сигналов, полученных за несколько оборотов ротора при наличии забоины (верхняя совокупность кривых) и колебании одной роторной лопатки (нижняя совокупность кривых).
Рис. 49. Формы сигналов при наличии забоины и при её отсутствии
Использование различных алгоритмов обработки сигналов позволяет определить те или иные параметры колебаний роторных лопаток при работе роторной машины как в постобработке, так и в реальном времени. На рис. 50 представлены распределения напряжений, действующих у корня компрессорной лопатки, которые измеряются тензодатчиком, и результаты обработки сигналов микроволнового датчика (внизу) при перестройке частоты вращения ротора (ее третьей гармоники) вблизи резонанса компрессорной лопатки. Видно, что характер изменения максимальных значений параметров, определяемых двумя различными системами, при перестройке частоты вращения имеет высокую корреляцию. Приведенные результаты получены без доработки двигателя, во время его стендовых испытаний. При этом антенна микроволновой системы устанавливалась в лючок эндоскопического осмотра двигателя вместо стандартной заглушки.
Рис. 50. Графики распределения напряжений, действующих у корня компрессорной лопатки измеренных с помощью тензодатчика (вверху) и микроволнового датчика (внизу)
Измерение радиальных зазоров
Как известно, увеличение относительных радиальных зазоров газотурбинных двигателей (т.е. расстояния между внутренней поверхностью корпуса и торцами роторных лопаток) на 1% приводит к снижению КПД двигателя примерно на 3% и перерасходу топлива почти на 10% . В процессе работы роторной машины различные элементы газовоздушного тракта под воздействием температуры в разной степени изменяют свои линейные размеры, поэтому возможно либо чрезмерное увеличение радиального зазора, либо задевание роторных лопаток за корпус.
Измерение истинного значения радиальных зазоров в процессе функционирования ГТД и использование результатов измерения для управления величиной зазоров в процессе испытаний и штатной эксплуатации роторных машин позволяет существенно улучшить их технико-экономические параметры и надежность. Для практического измерения величины радиальных зазоров ГТД применяют аппаратуру, основанную на использовании механических или неконтактных (емкостных, вихретоковых, оптических и др.) первичных преобразователей (датчиков). Механические датчики в виде различных щупов и конструкций не позволяют измерять радиальные зазоры при их увеличении и в большинстве случаев не обеспечивают оперативный контроль. Недостатком перечисленных неконтактных датчиков является сложность обеспечения требуемой точности измерения радиальных зазоров при воздействии на первичные преобразователи высокой температуры, что затрудняет их использование на турбинах низкого и высокого давления.
Для измерения радиальных зазоров также может быть использован микроволновый метод, представляющий собой адаптированный к условиям газотурбинного двигателя фазовый метод измерения расстояний с использованием электромагнитных СВЧ колебаний, который заключается в том, что расстояние ℓ, пройденное до отражающего объекта, определяют через измерение разности фаз Δφ излучаемого и принятого сигналов:
Δφ=4πℓ/λ, (2) где ℓ - измеряемое расстояние, λ – длина волны СВЧ колебания.
Измерение разности фаз осуществляют, как правило, с помощью фазового детектора, имеющего периодическую зависимость выходного сигнала от разности фаз сигналов на его входах, например:
Uвых=U0·sinΔφ, (3) где Uвых – выходное напряжение фазового детектора, U0 – амплитуда напряжения фазового детектора.
В соответствии с (3), полная разность фаз определяется как:
Δφ=φ1+2πn, (4) где φ1=arcsin(Uвых/U0) - значение разности фаз, лежащее в диапазоне 0<φ1<2π, n = 0, 1, 2, ... - целое число.
С учетом (2) и (4), выражение для определения радиальных зазоров с использованием непрерывных СВЧ сигналов может быть записано в следующем виде:
ℓ= λ(φ1+2πn) /4π. (5)
Поскольку в большинстве случаев величина радиального зазора не превышает 2…10 мм, она может быть однозначно определена с использованием электромагнитных колебаний частотой 7… 38 ГГц (длина волны 8…40 мм).
Основное преимущество радиолокационного измерения радиальных зазоров состоит в том, что в точке измерения радиальных зазоров над верхними кромками роторных лопаток устанавливается только приемно-излучающая антенна, а радиоэлектронная аппаратура, обеспечивающая формирование зондирующих сигналов, прием отраженных сигналов и их обработку (активный микроволновый блок) размещается в "комфортных" условиях на удалении от "горячей" точки, в которой установлена антенна. При этом передача зондирующих сигналов от СВЧ блока к антенне и отраженного сигнала от антенны к СВЧ блоку может осуществляться с использованием коаксиальной или волноводной линии передачи сигналов значительной длины. Особенность измерения радиальных зазоров роторных машин состоит в том, что требуется выполнение измерений, желательно по каждой лопатке рабочего колеса, в широком температурном диапазоне (-60° …+1600°С) при воздействии на измерительное оборудование вибрации (до 10…60 g) сложной спектральной структуры.
Известные нам методы измерения радиальных зазоров, основанные на измерении фазы с использованием микроволновых датчиков, могут отличаться между собой схемой измерения, типом фазового детектора, рабочей длиной волны, типом и конструкцией антенн и линий передачи сигналов, реализованными методами минимизации влияния температуры и вибрации на результаты изменения и принципами калибровки. Тем не менее, в подавляющем большинстве случаев аппаратура, осуществляющая эти измерения, выполняется в соответствии с обобщенной структурной схемой, представленной на рис. 51. Точность измерения фазы в микроволновой системе определяется стабильностью излучаемых колебаний, шумами тракта обработки и теоретически позволяет измерять расстояние с точностью до тысячных долей микрона.
Рис. 51. Обобщённая структурная схема фазового детектора