ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ
ДЛЯ КОНТРОЛЯ АВИАЦИОННЫХ ГТД

Юрий Георгиевич Столяров,
главный специалист по контролю вибрации,
начальник отдела ОАО "Техприбор"

Авиационные газотурбинные двигатели относятся к виброактивным изделиям, в составе которых имеется множество источников вибрации. Спектр вибрационных частот в ГТД весьма широк: от единиц герц до десятков килогерц. Задача аппаратуры эксплуатационного виброконтроля сводится, в основном, к измерению амплитуды низкочастотной вибрации достаточно малого уровня (менее 10 g) с выделением ее из широкополосного процесса вибраций высокого уровня (до 400 g). Информативность системы контроля определяется местом установки датчиков вибрации. Выбор типа датчиков и их характеристики определяют достоверность и точность измерения параметров вибрации в требуемом диапазоне частот.

Первыми в системах контроля вибрации нашли применение электромеханические датчики, представляющие собой классические виброметры с низкой (порядка 10 Гц) собственной частотой. К ним относятся индукционные датчики вибрации типов МВ-25, МВ-26, МВ-27, МВ-28, МВ-30, МВ-31. Недостатком этого типа датчиков вибрации является ограниченный величиной 1 кГц частотный диапазон преобразования. Достоинством индукционных датчиков является высокая достоверность информации.

Проблема низкой надежности и ограниченного ресурса была решена с созданием пьезоэлектрических датчиков вибрации (пьезоакселерометров), имеющих подтвержденную наработку на отказ более 200000 ч при длительной работе в жестких условиях (температура 250…400 °С, вибрационные нагрузки до 400 g). Это позволило создать достаточно разнообразные датчики с коэффициентами преобразования от 1 до 5 пКл·с2/м и частотами установочного резонанса от 16 до 35 кГц при очень высокой добротности (порядка 80). Однако, указанное свойство одновременно создает основные трудности адаптации этих датчиков к двигателю, ведь частота установочного резонанса датчика должна лежать вне области кратных гармоник частот вращения двигателя. Следовательно, перед постановкой таких датчиков требуется проведение вибрографирования мест их установки, иначе не избежать возбуждения пьезоакселерометров на частоте их установочных резонансов. Это может вести не только к нарушению линейности преобразования канала контроля и выдаче ложной информации об уровне контролируемой низкочастотной вибрации, но и к существенному временному изменению их собственных параметров. В частности, может происходить уменьшение частот установочного резонанса из-за перестройки доменной структуры поляризованной керамики под воздействием больших знакопеременных нагрузок и уменьшение ее механической жесткости.

Время релаксации структуры пьезокерамики к исходному стабильному состоянию определяется уровнем и длительностью дестабилизирующего воздействия. У сегнетожестких материалов этот эффект выражен слабее. Для успешного решения задач виброконтроля различных типов ГТД необходим тщательный подход к выбору конкретного датчика с необходимыми параметрами из ряда разработанных компрессионных пьезоакселерометров типов МВ-04, МВ-06, МВ-38, МВ-37. Такой подбор должен вестись по частоте установочного резонанса, коэффициенту преобразования и амплитудному диапазону работы. При этом предпочтение должно отдаваться датчикам с пьезоэлементами из сегнетожесткой керамики (например, МВ-38 и МВ-37).

Упрощение задачи адаптации датчиков вибрации к конкретному ГТД требует расширения базового ряда путем внедрения пьезоакселерометров сдвигового типа, пьезоэлементы которых поляризованы вдоль пластин в направлении, перпендикулярном нормали к электродам. Достоинствами сдвиговых пьезоэлементов являются меньшая механическая добротность и более высокое значение пьезомодуля. Сдвиговые пьезоэлементы необходимой геометрии разработаны по технической инициативе "Техприбора" в ОАО "ЭЛПА" (Зеленоград). Выпущена партия экспериментальных образцов, на базе которых "Техприбором" разработаны опытные пьезоакселерометры типа МВ-09 и проведены их заводские испытания. Результаты исследований опытных образцов с коэффициентом преобразования 5 пКл·с2/м, частотой установочного резонанса 20 кГц, относительным коэффициентом поперечного преобразования <5% подтвердили возможность создания ряда сдвиговых пьезоакселерометров, рассчитанных на рабочую температуру 250 °С и обеспечивающих очень высокое отношение сигнал-шум в любых рабочих условиях. Самое главное - новые приборы имеют меньшую, по сравнению с компрессионными пьезоакселерометрами, механическую добротность.

[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]