ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЖИМА ВЫБЕГА РОТОРОВ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ОАО "Газтурбосервис", Тюмень: Владимир Немков, Вячеслав Шабаев
Московский авиационный институт: Сергей Виноградов, Игорь Гаранин, Михаил Леонтьев, Ольга Потапова

Появление средств непрерывной оцифровки временных сигналов создало возможность получения и накопления реализаций измеряемых параметров необходимой продолжительности, что в сочетании с мощными математическими методами обработки позволяет получать информацию, которая ранее была недоступна разработчикам газотурбинных двигателей и прочего оборудования, содержащего вращающиеся узлы.

В настоящей статье представлены результаты исследования одного из наиболее интересных режимов работы газотурбинного двигателя ДР59Л - выбега, при котором основные гармоники в вибрационном сигнале становятся незначительными, а уровень шума снижается, открывая тем самым доступ к выделению слабых составляющих, обнаружить которые на основных режимах работы двигателя не представляется возможным. В основу метода получения и обработки данных о техническом состоянии двигателя положено усиление составляющих вибрационного сигнала на резонансных режимах двигателя. Характеристики резонансных режимов определяются с очень высокой точностью и могут быть подтверждены результатами математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились с применением системы вибрационного контроля и диагностики VibroNET 2.1, используемой для проведения стендовых контрольных и приемо-сдаточных испытаний в ОАО "Газтурбосервис". В качестве аппаратной и программной платформы используются продукты компании National Instruments - промышленные контроллеры стандарта PXI, 24-х разрядные платы стандарта PXI NI-4472, среда разработки LabVIEW 6.1.

В процессе испытаний двигателя ДР59Л на выбеге роторов производились измерения сигнала датчиков в режиме магнитографа. После окончания измерений формировался файл, который загружался в ЭВМ для последующего анализа. На полученной каскадной диаграмме опытный оператор легко может выделить зоны, где возникают различные резонансные состояния (22 Гц, 37 Гц, 59 Гц). Один и тот же резонанс системы последовательно возбуждается различными источниками.

Использование средств системы VibroNET 2.1 для 3D-визуализации каскадной диаграммы позволяет достаточно уверенно и с высокой точностью выделять и более слабые резонансные режимы. К таким средствам можно отнести вертикальные и горизонтальные скроллеры, возможность выбора ограниченного частотного диапазона и выделения определенных временных интервалов (количества спектров) из полной диаграммы выбега роторов.

Дополнением к каскадным диаграммам служат огибающие гармоник (амплитудно-частотные характеристики), которые также получают по результатам непрерывной оцифровки. Следует отметить, что на выбеге не происходит пересечение огибающих гармоник (гармоники достаточно хорошо разделены). Как результат, огибающие гармоник достаточно хорошо отражают резонансные состояния газотурбинного двигателя. Несомненен и тот факт, что по амплитуде резонанса можно судить об интенсивности (мощности) механизма возбуждения, связанного с той или иной причиной.

Пожалуй, наиболее мощным и точным инструментом для решения задачи выявления резонансных режимов газотурбинных двигателей являются спектральные карты. Спектральные карты могут быть получены для различных сочетаний параметров, например для сочетания "частота - время". Масштабируя шкалу цветности, можно "подстраиваться" под конкретные резонансные режимы, усиливая или ослабляя их заметность на спектральной карте. Далее, используя линии курсора, оператор способен с высокой точностью определять резонансные частоты.

Применение средств системы VibroNET 2.1 для непрерывного сбора информации в режиме магнитографа, 3D-визуализации каскадных диаграмм и огибающих, составления спектральных карт различного вида позволило получить достаточно точную информацию о резонансных зонах двигателя ДР59Л (№ Д00290475).

Следует отметить, что обнаруженные резонансы соответствуют частотам собственных колебаний системы при очень низких частотах вращения роторов. В этом случае практически отсутствует влияние гироскопических эффектов, которые способны изменить положение резонансных зон при высоких частотах вращения роторов (в основном в сторону увеличения частоты).
Можно отметить, что для преобразователей, измеряющих амплитуду вибраций в вертикальной плоскости, значения частот для нижних резонансных зон выше по сравнению с соответствующими частотами колебаний в горизонтальной плоскости. Такое положение легко объясняется условиями закрепления двигателя на стенде. Соотношение частот собственных колебаний определяется жесткой подвеской двигателя в вертикальном направлении и практически нулевой жесткостью подвески в горизонтальном направлении.

Погрешность измерения демпфированных частот собственных колебаний достаточно мала и не превышает нескольких герц. Очевидно, что полученная информация является весьма важной для разработчиков двигателей, которые занимаются отстройкой узлов и деталей от резонансных режимов.

 

Одним из важных направлений диагностики технического состояния газотурбинных двигателей является моделирование их вибрационных характеристик. Так, линейная модель двигателя может быть успешно использована для оценки влияния дисбалансов роторов на резонансное поведение двигателя в точках установки акселерометров. Нелинейные модели способны дать качественную картину влияния тех или иных дефектов (или их развития) на вибрационные характеристики двигателя.

Исследования должны проводиться с применением моделей, которые дают достаточно точные результаты в исследуемом диапазоне частот. Такие модели разрабатываются по чертежам двигателя с последующей идентификацией модели по экспериментальным данным.

Была создана модель (в программной системе Dynamics R3.1), которая идентифицировалась с привлечением экспериментальных результатов по резонансным режимам двигателя, полученным в результате обработки выбега роторов. При идентификации принималась в расчет анизотропия жесткостных свойств подвески двигателя. Далее производилось математическое моделирование, а по его результатам - изменение жесткости опорных узлов двигателя ДР59Л. Можно отметить достаточно хорошее совпадение полученных расчетных и экспериментальных оценок частот резонансных режимов.

Сигналы, обусловленные появлением даже достаточно развитых дефектов подшипников, обычно имеют незначительную амплитуду и часто маскируются в шуме. И только при значительной мощности сигнала, в несколько раз превышающего шум, удается заметить дефект при проведении обычного спектрального анализа. Чаще всего столь мощные сигналы возникают в предаварийном состоянии, возможно, за несколько минут до полного разрушения подшипника со всеми вытекающими отсюда последствиями - разрушением лопаточных аппаратов, корпусов опор и т.д.

Система VibroNET 2.1 позволяет в определенной мере решить проблему диагностики состояния подшипников. В основе предлагаемой методики лежит эффект резонансного усиления амплитуд гармонических компонент, соответствующих основным подшипниковым частотам или их кратностям. Очевидно, что если создать достаточно полный статистический архив данных о предельных значениях этих амплитуд, то с некоторой вероятностью можно прогнозировать и остаточный ресурс подшипников.
Появление резонансных усилений гармонических компонент с частотами подшипников может свидетельствовать о том, что существуют начальные изменения в состоянии данного подшипника (предполагается, что для кондиционного подшипника не существует причин возбуждения колебаний с указанными частотами). После разборки двигателя и перед проведением ремонтных работ была проведена дефектация узлов и деталей. Явных разрушений на промежуточном подшипнике не наблюдалось, однако следы повышенного износа присутствовали, в частности, на телах качения, изменивших их начальные геометрические параметры, на наружной обойме вследствие проскальзывания в корпусе и т.д.

Таким образом, нами отработана методика, позволяющая определять резонансные режимы сложных динамических систем ГТД на основе алгоритмов 3D-визуализации и порядкового анализа результатов выбега роторов. Полученные результаты позволяют проводить идентификацию математических моделей сложных роторных систем газотурбинных двигателей, повышая их точность и достоверность, а в дальнейшем осуществлять диагностику состояния подшипников газотурбинных двигателей на режиме выбега роторов.