- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •1.1.1. Формы и частоты колебаний лопаток турбомашин
- •1.1.3. Основные параметры подобия процессов вибраций лопаток
- •1.2.1. Флаттер (автоколебания) лопаток
- •1.2.2. Вынужденные (резонансные) колебания лопаток
- •1.2.4. Колебания лопаток от вращающегося срыва
- •1.4.1. Прибор для измерения амплитуд колебаний лопаток
- •1.4.2. Сигнализатор колебаний лопаток рабочих колес турбомашин
- •2.6.1. Измерение вынужденных колебаний лопаток методом
- •годографа
- •2.6.2. Влияние связности лопаток на точность измерения их колебаний методом годографа
- •2.8.1. Узкополосные колебания лопаток с частотой, не кратной частоте вращения
- •2.8.3. Широкополосные колебания лопаток
- •3.2.1. Систематическая погрешность
- •3.2.2. Случайные погрешности
- •3.3.3. Область применения индукционных датчиков
- •3.4.2. Особенности конструкции емкостных датчиков
- •3.4.3. Практические замечания
- •Глава 4
- •4.4.1. Функциональная схема прибора ЭЛУРА-5
- •4.4.3. Оборотная развертка
- •4.4.4. Строчная развертка и временная задержка
- •4.4.5. Преобразователь частоты вращения в напряжение (ток)
- •4.7.1. Функциональная схема прибора ЦИКЛ
- •4.7.2. Принципиальная схема прибора ЦИКЛ
- •5.1.3. Расшифровка результатов измерений
- •5.2.1. Индикация обрыва и повреждения лопатки
- •5.2.3. Измерение упругой раскрутки лопаток рабочего колеса
- •5.2.4. Измерение закрутки валов
- •5.3.1. Определение природы колебаний лопаток с помощью прибора ЭЛУРА
- •5.3.2. Индикация уровня колебаний лопаток
- •5.3.3. Измерение амплитуды колебаний лопаток
- •5.3.6. Измерение крутильной составляющей колебаний (коэффициентов разворота)
Угол разворота можно определить по формуле
Aft. = arctg |
”Ь А$2/) Sin ft |
|
Ь — ( A 5 I / + A $ 2 t) COS ft |
||
|
Так же, как и в предыдущем случае, для повышения точности можно использовать осредневные по всем лопаткам значения
Л $1ср И A ^ 2 cp.
5.2.4. Измерение закрутки валов
Прибор ЭЛУРА может быть использован для измерения зак рутки и крутильных колебаний валов турбомашин. Для этого на обоих концах вала надо укрепить зубчатки, имеющие произволь ное и равное друг другу число зубьев, аналогичные возбудителю корневых импульсов, применяемому при измерении вибраций ло паток. Напротив каждой из зубчаток на неподвижных деталях следует установить импульсные датчики (см. рис. 5. 3, д) . Зубчатки лучше изготовлять из ферромагнитного материала, что позволяет применять датчики индукционного типа. Желательно также в лю бом месте вала установить оборотный датчик. Если теперь с по мощью сигналов одного из датчиков запускать строчную развертку прибора ЭЛУРА, а с помощью сигналов другого — подсвечивать метки, то расстояние меток от базовой линии будет в определен ном масштабе соответствовать углу закрутки вала. При этом сле дует учесть, что в это расстояние будет входить постоянная состав ляющая, зависящая от первоначального взаимного расположения датчиков. Изменение расстояния меток от базовой, линии соответ ствует изменению угла закрутки вала.
Если метки начнут размываться в яркие линии, то это будет свидетельствовать о появлении крутильных колебаний вала с час тотой, не кратной числу оборотов вала. Если же, наконец, рас стояние меток от базовой линии будет различным для разных зубьев, но метки не будут размыты, то это будет свидетельство вать о появлении колебаний вала, кратных частоте его вращения Дробная степень кратности колебаний п/т может быть легко оп ределена по числу т меток на каждой строчке.
5.3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАНИЙ ДЕТАЛЕЙ ТУРБОМАШИН
Приборы дискретно-фазового измерения предоставляют широ кие возможности для выполнения самых различных измерений па раметров колебаний вращающихся деталей турбомашин и машин иного назначения. В зависимости от поставленной задачи и воз можностей препарирования машины могут быть использованы бо лее или менее сложные приборы и, соответственно, получена бо лее или менее полная информация о вибрации деталей. В частно сти, приборы дискретно-фазового измерения могут быть исполь зованы как:
а) индикаторы превышения заданного уровня деформаций вра щающейся детали;
б) приборы — измерители тех или иных параметров вибраций (амплитуды, частоты, фазы и т. д.);
в) исследовательские приборы, предназначенные для получе ния максимально полной информации о колебаниях одновремен но большого числа деталей (например, лопаток турбомашин).
Вдвух последних случаях возможно одновременное использо вание нескольких (двух-трех) приборов дискретно-фазового мето да измерения с целью получения более полной информации о ко лебаниях лопаток.
Вданном разделе описаны особенности применения приборов ЦИКЛ и ЭЛУРА для индикации превышения уровня и измерения вибраций лопаток турбомашин. Глава 6 иллюстрирует использо вание прибора ЭЛУРА как инструмента научных исследований. Основное внимание уделено методическим особенностям исполь зования приборов дискретно-фазового метода измерения, мето дам обработки информации, полученной с помощью этих приборов,
зтакже иллюстрации возможностей этих приборов.
Использование приборов дискретно-фазового измерения, разу меется, не ограничивается приведенными ниже примерами. Ус ложнение конструкции турбомашин приводит к возникновению новых задач, обнаружению новых и весьма сложных механизмов возбуждения вибраций их деталей. Поэтому в каждом случае соз дания и доводки той или иной турбомашины возникает свой ком плекс проблем, особенности которых и диктуют те или иные спо собы использования приборов дискретно-фазового измерения.
5.3.1. Определение природы колебаний лопаток с помощью прибора ЭЛУРА
Определение природы колебаний лопаток турбомашины, поз воляющее обычно установить и причину (источник) вибраций, является важнейшим этапом ее вибрационной доводки. Точный «диагноз» дает возможность своевременного оперативного вмеша тельства в конструкцию машины, правильного выбора средств устранения или ослабления вибраций, а значит существенно сок ращает сроки доводки.
Как и любой другой прибор, используемый для измерения виб раций, прибор ЭЛУРА не может идентифицировать тип колебаний лопаток. Однако исследователь, работающий с этим прибором, при некотором весьма небольшом навыке почти безошибочно раз личает основные, наиболее распространенные типы вибраций ло паток: флаттер (автоколебания), вынужденные (резонансные) колебания, срывные колебания (баффтинг), колебания от враща
ющегося срыва, крутильные колебания ротора |
в целом и т. д. |
При этом в большей части случаев оказывается |
достаточно ви |
Если лопатка колеблется по закону у = А sin со/, то вероятность того, что при прохождении мимо датчика отклонение лопатки бу дет лежать в диапазоне от у/А до (y+dy)/A, подчиняется закону
W ( J L \= JZA. ± ( ± . а„с,п JL.)— |
1 |
||
\ Л / |
я dy \ (о |
А ] |
л у 1 — (у/А)2 |
Эта теоретическая зависимость, представляющая собой плотность вероятности W отклонений лопатки от нейтрального положения в моменты времени, следующие друг за другом с периодом, равным
времени |
одного |
оборота ротора, |
|
||||||
представлена на рис. 5.11 сплош |
|
||||||||
ной |
линией. |
Похожему |
закону |
|
|||||
будет подчиняться плотность ме |
|
||||||||
ток |
на |
строчке, |
т. е. ее яркость |
|
|||||
(пунктирная |
линия), |
метки |
бу |
|
|||||
дут появляться реже в середине |
|
||||||||
яркой |
линии |
|
(области |
малых |
|
||||
отклонений) и чаще на ее грани |
|
||||||||
цах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При |
|
устойчивых |
колебаниях |
|
|||||
границы |
будут |
очень |
четкими |
|
|||||
(строчки |
4— 6 |
|
справа |
на |
рис. |
|
|||
5.10, |
б), |
а |
при флюктуациях |
Рис. 5.11. Распределение яркости ли |
|||||
амплитуды границы |
будут |
раз |
нии при флаттере лопаток |
||||||
мываться |
(строчки |
|
на |
рис. |
|
||||
5 .1 0 , в) |
и тем сильнее, чем менее близки колебания к гармони |
ческим. Так при широкополосных колебаниях баффтингового ти па (см. далее) плотность вероятностей (и, соответственно, плот
ность меток на строчке) наоборот — плотнее в центре и реже на краях.
Характерным для флаттера лопаток турбомашин является сох ранение формы колебаний лопаточного венца, т. е. распределения амплитуд по лопаткам венца. Форма колебаний венца сохраняет ся обычно при многократных подходах к границе флаттера в весь ма значительном диапазоне частот вращения колеса. На аналогич ных режимах работы данного экземпляра колеса эта форма пов торяется и в других экспериментах, проявляясь в весьма широ ком диапазоне изменения параметров потока — давления и тем пературы перед турбомашиной. Следует отметить, однако, что на различных режимах (например, на дозвуковых и сверхзвуковых) обтекания лопаток даже на одном и том же рабочем колесе могут проявляться различные формы колебаний венцз (более подробно о6 этом см. в гл. 6 ).
Низкочастотные автоколебания обычно характеризуются фор мами возбуждения с одновременными колебаниями всех (или большей части) лопаток венца. При этом амплитуды лопаток мо гут существенно различаться и разброс амплитуд достигает 5—6 р#з. При высокочастотных (например, крутильных) автоколеба
ниях обычно возбуждается относительно небольшая группа шесть-восемь стоящих рядом лопаток.
Более уверенное «разделение» изгибных и крутильных авто колебаний требует измерения частоты колебаний (см. разд. 5. 3.3), что может быть выполнено путем одновременного измерения амп литуды колебаний и амлитуды скорости колебаний лопаток. В практической работе полезно также пользоваться иногда таким признаком высокочастотных автоколебаний лопаток, как наличие характерного звука («пения») компрессора. Характерное звуча ние компрессора связано с повышенным излучением высокочас тотных акустических колебаний газа (вызванных колебаниями лопаток) из входного канала компрессора по сравнению с низко частотными звуковыми волнами, практически полностью отражающимися назад от открытого конца воздухозаборного канала.
Естественно, что при идентификации флаттера лопаток следует использовать и такие хорошо известные его свойства, как зависи мость от приведенных параметров компрессора, сильная зависи мость от давления (для изгибных колебаний) и температуры (для крутильных колебаний) и т. д.
В отдельных случаях, когда частота автоколебаний близка к значениям, составляющим целую кратность с частотой вращения ротора, на каждой строчке на экране прибора ЭЛУРА проявляет ся одна или несколько меток, совершающих периодические коле бания с размахом, пропорциональным амплитуде колебания. По скольку, как показывают расчетные оценки (см. разд. 2 .1 ), а так же практика измерений, строгая кратность частоты флаттера частоте вращения никогда не реализуется (в частности, из-за не которого непостоянства частоты вращения турбомашины), флат тер лопаток удается практически безошибочно отличить от резо нансных колебаний.
Резонансные колебания лопаток. Так как частота резонансных колебаний лопаток от неподвижной неравномерности потока стро го кратна частоте вращения колеса, при неизменном режиме рабо ты компрессора они не проявляются на экране прибора ЭЛУРд. Однако при прохождении резонансной области оборотов метки ца строчках прибора ЭЛУРА изменяют свое положение, описывая траекторию, размеры которой по вертикали пропорциональны мак симальной амплитуде колебаний лопаток (см. разд. 2 .6 ). Таким образом, диапазон оборотов, при проходе которого метки прояв ляют «беспокойство», перемещаясь (однократно) по строчкам сначала в одном, а затем в другом направлении, является диапа зоном резонанса. Поскольку частота вращения турбомашины и амплитуда вынужденных колебаний лопаток никогда не сохраня ются постоянными, то даже на неизменном режиме ее работы, по характерному малому взаимному перемещению меток можно при некотором опыте установить наличие резонансных колебаний.
-вести к проявлению отдельных собственных форм возбуждения венца, а значит и к появлению заметного разброса длин ярких
линий на экране прибора ЭЛУРА.
Для баффтингового флаттера и баффтинга характерно посте пенное нарастание амплитуд по мере изменения режима работы
турбомашины.
Происходящие всегда слабые случайные колебания лопаток (из-за турбулентности и завихренности любого реального потока), обычно называемые «фоном», по существу также являются баффтингом лопаток.
Рис. 5.13. Примеры регистрации срывиых колебании лопаток с помо щью прибора ЭЛУРА:
а—колебания от вращающегося срыва; б—срывные колебания (баффтинговыК
флаттер)
Колебания от вращающегося срыва. Поскольку частота воз буждения колебаний от вращающегося срыва не кратна частоте вращения, эти колебания также проявляются в виде ярких линий. По картине, наблюдаемой на экране прибора ЭЛУРА, колебания от вращающегося срыва довольно похожи на баффтинг или баффтинговый флаттер (см. рис. 5.13). Однако существуют два важ ных момента, позволяющих практически безошибочно опреде лить этот вид колебаний лопаток. Во-первых, вращающийся срыв и колебания лопаток, вызванные им, часто возникают скачкооб разно, с появлением характерного шума. Во-вторых, по своей природе вращающийся срыв является периодическим процессом и в спектре силового воздействия потока на режиме вращающе гося срыва присутствуют интенсивные дискретные составляющие, предопределяющие возникновение разброса амплитуд колебаний отдельных лопаток венца (т. е. возбуждение отдельных собствен ных форм колебаний венца) в зависимости от близости их часто ты к частоте той или иной дискретной составляющей спектра. В результате при вращающемся срыве с одной стороны в процес се колебаний принимают участие все лопатки (поскольку на этом режиме имеется сильный фон случайных возмущений), а с дру гой стороны — заметна некоторая дифференциация амплитуд.