Диагностика рабочих лопаток турбомашин

С.В.Алексеев, В.А.Смирнов, к.т.н.

Рассмотрен метод диагностирования рабочих лопаток турбомашин, позволяющий определять трещины, забоины, вмятины и другие дефекты, которые могут привести к разрушению лопатки. Основное внимание уделено возможности практического применения этого метода для диагностики лопаток турбомашин.

Введение

Диагностирование дефектов рабочих лопаток турбомашин в процессе их работы является сложной инженерной задачей, от эффективности решения которой зависит долговечность и безопасность эксплуатации турбоагрегатов.

Решению этой задачи посвящено большое количество исследований во всем мире, тем не менее, надежных методов диагностирования очень мало. Диагностика на основе анализа вибрационных сигналов - один из наиболее распространенных методов. Сложность его использования заключается в том, что генерируемый лопатками в процессе работы информативный сигнал достаточно сложно отделить от других источников, создающих шумовой фон.

Образование трещин на лопатках определяется условиями их нагружения. Лопатки в процессе работы подвергаются многоцикловым нагрузкам на рабочих режимах и малоцикловым нагрузкам высокой амплитуды при прохождении резонанса в процессе разгона - остановки агрегата. Именно малоцикловая усталость приводит к образованию микротрещин на лопатках, которые в дальнейшем развиваются под действием многоцикловых нагрузок.

Как правило, при диагностировании лопаток, задача состоит в обнаружении имеющейся трещины на возможно ранней стадии развития, в этой связи, информативными могут быть процессы аэродинамического взаимодействия рабочих и направляющих лопаток.

В результате аэродинамического взаимодействия, за каждой рабочей лопаткой в ступени образуется закромочный след, форма которого зависит от характера колебаний рабочих лопаток, что в свою очередь определяется ее жесткостью (есть трещина или нет) и состоянием поверхности лопатки (выбоины, вмятины и т.п.).

Теория

Идеальная форма закромочного следа лопатки (рис. 1) описывается квадратом косинуса согласно следующему выражению:

где V - дополнительная скорость потока в следе;
Vmax - максимальная дополнительная скорость потока в следе;
S^* - физическая ширина следа.

Импульс вида (1) воздействует на направляющие лопатки Z раз за один оборот ротора (Z - количество рабочих лопаток в ступени), в спектральной области результат такого взаимодействия можно представить рядом гармоник кратности Z вида:

где Al - амплитуды гармоник с частотами lzωp;
ωp - угловая частота вращения ротора;
l = 1, 2, 3... - номера гармоник;
φl - фазовый угол;
t - время.

Выражение (2) представляет собой вклад диагностируемой ступени в суммарный виброакустический процесс, сопровождающий работу турбомашины. Последний достаточно хорошо описывается суммой гармонических составляющих и случайного шума:

где Ai - амплитуды гармонических спектральных составляющих (роторные, подшипниковые, зубчатые и др.);
ζ(t) - случайный шум.

Для того, чтобы выделить информативную часть (2) из общего сигнала (3) необходимо провести когерентное накопление с периодом T=1/zfp (fp - частота вращения ротора). При этом отношение сигнал-шум на выходе накопителя будет определяться количеством усреднений. Для синхронизации начала накопления в каждом периоде, оно проводится с внешней частотой выборки кратной zfp умноженной на 2ⁿ, где n - целое число. Низкочастотная часть сигнала (роторные гармоники) отсекаются с помощью аналогового фильтра.

Выделенная часть сигнала относится только к рабочим лопаткам диагностируемой ступени. Параметры искажения этой формы (спектральные, фазовые, статистические), которые проявляются при возникновении дефектов лопатки, могут быть использованы в качестве диагностических признаков состояния рабочих лопаток.

В качестве таких признаков можно использовать, например:

• коэффициент нелинейности спектра лопаточных гармоник исследуемой ступени:

  D1 = (Σ Al)/A1,

  (4)

  где Al - амплитуды высших гармоник когерентно накопленного спектра лопаточных гармоник, начиная со 2-й;
  A₁ - амплитуда 1-й гармоники;
• коэффициент эксцесса плотности вероятности распределения амплитуд:

  D2 = μ4/δ - 3,

  (5)

  где μ - центральный момент четвертого порядка;
  δ - среднее квадратичное отклонение;
• отклонение формы сигнала от идеальной, соответствующей бездефектному состоянию лопаток (выражение 1)

  D4 = Σ |(xk + |xmin|)-(xmax + |xmin|) x Cos (zωpkΔ)|,

  (6)

  где xk, xmin, xmax - соответственно текущие, минимальные и максимальные ординаты формы когерентно накопленного сигнала.

Вышеперечисленные признаки можно использовать как отдельно, так и в виде сформированного определенным образом диагностического параметра.

Практическая реализация метода обнаружения дефектных лопаток

На практике рассмотренный способ реализован на конвертированных авиационных двигателях НК-12СТ, входящих в состав газоперекачивающих агрегатов ГПА-Ц-6,3, у которых в процессе эксплуатации наблюдались довольно частые разрушения лопаток 1-й ступени. Обнаружение трещин лопаток осуществлялось с помощью анализа вибрации корпуса двигателя, измеренной вибродатчиком в плоскости ступени.

Метод проверялся как на разгонном стенде с установленной ступенью, так и на реальном двигателе НК-12СТ на стенде завода-изготовителя.

В первом случае трещина на лопатке имитировалась с помощью надреза на 1/3 высоты лопатки от корня. Во втором - микротрещину на лопатке получали с помощью звукового генератора, затем лопатка устанавливалась в двигатель, который работал в рабочем режиме. Для увеличения размеров трещины двигатель разгонялся до резонансной частоты лопатки (около 70 Гц), на которой выдерживался несколько секунд, после чего выводился на рабочий режим и работал некоторое время, необходимое для измерения вибрации. Было проведено три таких цикла, после каждого цикла проводилась дефектация лопатки для контроля роста трещины с помощью ультразвукового дефектоскопа. На рабочем режиме для контроля кроме вибрации измерялся зазор между корпусом двигателя и верхней кромкой лопатки ступени бесконтактным датчиком. После последнего (третьего) цикла трещина достигла примерно 40% от ширины лопатки.

Для анализа вибрационного сигнала применялась процедура, описанная выше.

Сравнительные характеристики дефектной и бездефектной лопатки приведены на рис. 2,3,4 (вибрация корпуса), повреждение лопатки проявляется в виде искажений исходных форм характеристик, соответствующих идеальной форме следа (выражение 1).

Приведенные характеристики являются типичными для турбомашины, имеющей трещиноподобные дефекты рабочих лопаток, что неоднократно подтверждалось в эксплуатации на реальных агрегатах.

На основании полученных результатов типовой процесс диагностирования рабочих лопаток турбомашин можно представить следующей последовательностью операций:

1. Измерение виброакустического сигнала турбомашины с помощью датчика ускорений (преобразование вибрации в электрический сигнал).
2. Нормирование и усиление электрического сигнала.
3. Формирование опорного сигнала запуска путем умножения частоты вращения ротора турбомашины на количество лопаток в диагностируемой ступени.
4. Формирование сигнала внешней выборки путем умножения частоты опорного сигнала запуска на 2ⁿ.
5. Когерентное накопление сигнала для выделения информативной части.
6. Быстрое преобразование Фурье полученного сигнала.
7. Получение диагностических характеристик (выражения 3-5).
8. Сравнение полученных признаков с идеальными, соответствующих исправному состоянию.
9. Формирование тренда изменения диагностического признака.

Заключение

Программное обеспечение, реализующее рассмотренный метод для агрегатов ГПА-Ц-6,3, поставляется в составе портативной вибродиагностической системы ДСА-2001. Для применения метода на больших стационарных турбоагрегатах других типов требуется проведение дополнительных исследований.