Методология экспериментальной оценки накопления повреждений многоцикловой усталости, вибропрочности и пределов выносливости лопаток турбомашин (11.10.2010)

Автор: Капралов Владимир Михайлович

В работе проводились исследования вибрационной напряженности лопаток при испытаний полноразмерных двигателей:

при испытаниях на стендах открытого типа реализуются условия, соответствующие работе двигателя на земле (Мп=0 и Нп=0);

при испытаниях на высотных стендах;

при летных испытаниях.

По сравнению с летными испытаниями эксперименты на высотных стендах (см. раздел 3) позволяют получить более точные и надежные данные благодаря использованию большего количества специализированной измерительной аппаратуры, возможности непосредственного измерения мощности и более широкому диапазону изменения параметров. На рисунке 1 представлена установка для испытаний ГТУ.

Оценка безопасности эксплуатации, долговечности и ресурса деталей машин по усталости всегда основывается на опытном исследовании характеристик необходимых для расчета. Тензометрирование – это основное средство определения вибрационной напряженности деталей турбомашин.

Работоспособность и надежность основных деталей, таких как рабочие и направляющие лопатки осевых компрессоров и турбин, диски, трубопроводы и т.д. оценивались по материалам исследования их эксплуатационных или стендовых динамических деформаций. Испытания проводятся в стендовых или эксплуатационных условиях.

Электрические сигналы тензорезисторов, прикрепленных к вращающимся деталям, передаются на статорную часть и регистраторы через специальные токосъемные устройства. Автором использовались ртутные токосъемники и радиотокосъемики.

Рис.1. Размещение газотурбинной установки для испытаний в ТБК.

а) – компоновка с трубопроводом на входе, б) – компоновка с перегородкой.

1 – приемники статического давления, 2 – трубки Пито и приемники (гребенки) полного давления, 4 – гребенки термопар, 5 – тезорезисторы на рабочих лопатках турбины, 6 - тезорезисторы на рабочих лопатках компрессора, 7 – патрубок подвода воздуха для вентиляции ТБК, 8 – защитная сетка, 9 – устройство впрыска воды, 10 – уплотнения, 11 – препарированный для измерений участок присоединенного трубопровода, 12 – предохранительное устройство, 13 – корпус ТБК, 14 – выхлопной трубопровод, 15 – динамометрическая платформа, 16 – перегородка, 17 – входное устройство с лемнискатой.

При исследованиях вибронапряженности лопаток турбокомпрессоров электрические сигналы тензорезисторов регистрируются при помощи измерительных магнитных регистраторов или дискретный цифровой сигнал направляется на ЭВМ.

Особенно важной проблемой при любом измерении следует считать точность оценок физических величин. Реально можно оценить только погрешность средств измерения.

В результате исследований установлено, что точность измерения переменных механических напряжений определяется следующими составляющими измерительной цепи:

Чувствительным элементом (тензорезистор)

Усилителем тензометрического сигнала

АЦП преобразованием (выбранной частотой и погрешностью устройства)

Коммуникациями

Переходными устройствами.

Погрешность вносимая чувствительным элементом измерительной цепи учитывается наиболее сложно и может вносить наибольшую случайную ошибку. В научной литературе данных о точности измерения величин переменных механических напряжений почти не существует. Автором точность измерения переменных напряжений в лопатках оценивалась экспериментально.

Случайная выборка из 15 рабочих лопаток осевого компрессора многократно препарировалась тензорезисторами, располагающими практически одинаковыми свойствами, по единой схеме. Препарированные лопатки подвергались вибрационному нагружению синусоидальным сигналом нескольких уровней.

Суммарная дисперсия величин переменных механических напряжений (относительных деформаций), т.е. характеристика рассеивания замеренных величин в случайной выборке из партии лопаток, может быть представлена как сумма дисперсий отдельных составляющих погрешностей:

- дисперсия механических напряжений, вызванная i– той составляющей погрешностей, ? – число составляющих погрешностей.

Опытом установлено, что коэффициенты вариации замеров переменных механических напряжений тензорезисторами составляют, примерно, 11-13%. Повышение стабильности свойств тензорезисторов позволяет снизить погрешность при проведении замеров переменных механических напряжений до 7-10%.

При проведении экспериментальных работ регистрация (накопление) и анализ динамических процессов авиационных двигателей производилась с использованием аналоговых и цифровых приборов. Вибрационные напряжения в деталях авиационных ГТУ последних поколений (особенно в лопатках турбокомпрессоров) характеризуются высокими частотами (до ( 35000 герц). Детали подвержены, как правило, сложному нагружению. Динамический процесс состоит из гармоник, кратных частотам вращения роторных систем, связанных с неравномерностью газового потока (n z) и случайной составляющей – шума.

Обработка динамических процессов состояла из:

Частотного анализа,

Амплитудного анализа,

Исследования фазовых соотношений колебаний.

Частотный анализ осуществлялся аналоговым и цифровым методами.

В комплексе аналоговых методов использовалась следующая аппаратура:

Гетеродинный анализатор 2010 «Brueel & Kj?r»,

Самописец уровня 2305 «Brueel & Kj?r»,

Магнитограф измерительный 7005 «Brueel & Kj?r», или 7003 «Brueel & Kj?r».

Цифровой спектральный анализ производился с помощью следующих приборов:

Анализатор 2033 «Brueel & Kj?r»;

Многоцелевой цифровой анализатор случайных процессов «Interteknik-110» с развитой периферией.

В лабораторных условиях автором использовались резонансные установки для испытаний на усталость образцов и лопаток турбомашин.

Автором разработана установка и методика испытаний на усталость при случайных колебаниях. Блок – схема (показана на рисунке 2) реализована автором применительно к рабочим лопаткам турбины в условиях нормальной температуры.

Суть эксперимента состояла в следующем: несколько рабочих лопаток, препарированных тензорезисторами, устанавливаются на подвижный стол вибростенда. Крепление всех установленных лопаток было одинаковым. Собственные частоты колебаний одновременно устанавливаемых лопаток должны быть в пределах (=f2 – f1. В этом диапазоне частот при помощи стойки белого шума, управляющей вибростендом, создавались колебания с равной спектральной плотностью мощности, и поддерживался автоматически режим колебаний при помощи вибродатчика обратной связи 4. Вибродатчик 4 размещен на подвижном столе вибростенда.


загрузка...