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 некий 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 (фиг.1) описывается квадратом косинуса согласно следующему выражению:

,(1)

где V - дополнительная скорость потока в следе;
     Vmax - максимальная дополнительная cкорость 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:

, (2)

где Al - амплитуды гармоник с частотами lzp;
     p- угловая частота вращения ротора;
     l = 1, 2, 3...- номера гармоник;
     l- 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:

, (3)

где Ai - амплитуды гармонических спектральтных составляющих (роторные, подшипниковые, зубчатые и др.);
     - 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 2 в степени n, где n- целое число. Низкочастотная часть сигнала (роторные гармоники) отсекаются с помощью аналогового фильтра.
     Выделенная часть сигнала относится только к рабочим лопаткам диагности-руемой 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 исльзовать, например:
- коэффициент нелинейности спектра лопаточных гармоник исследуемой ступени:

, (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:

, (5)

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

, (6)

где xk, xmin, xmax - соответственно текущие, минимальные и максимальные ординаты формы когерентно накопленного сигнала.
Выше перечисленные 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 искажении 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 2 в степени n.
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.

Рис.1. Форма закромочного следа рабочей лопатки.

Рис.2. Форма когерентно накопленного сигнала:а) для исправной лопатки; б) для лопатки с трещиной.

Рис.3. Спектр когерентно накопленного сигнала:
а) для исправной лопатки; б)для лопатки с трещиной.

Рис.4. Фазовая характеристика когерентно накопленного сигнала:
а) для исправной лопатки; б) для лопатки с трещиной.

	В начало статьи