Способ определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей



 

G01H1/06 - Измерение механических колебаний или ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых колебаний (генерирование механических колебаний без измерений B06B,G10K; определение местоположения, направления или измерение скорости объекта G01C,G01S; измерение медленно меняющегося давления жидкости G01L 7/00; измерение дисбаланса G01M 1/14; определение свойств материалов с помощью звуковых или ультразвуковых колебаний, пропускаемых через эти материалы G01N; системы с использованием отражения или переизлучения акустических волн, например формирование акустических изображений G01S 15/00; сейсмология, сейсмическая разведка, акустическая разведка G01V 1/00; акустооптические устройства как таковые G02F; получение

Владельцы патента RU 2531203:

Открытое акционерное общество "Московское машиностроительное предприятие им. В.В. Чернышёва" (RU)

Использование: для определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей. Сущность изобретения заключается в том, что каждую окончательно изготовленную лопатку (поставляемую на двигатель) закрепляют в зажиме за хвостовик в горизонтальном положении, наносят на ее поверхность тонким слоем песок и возбуждают колебания лопатки возмущающей силой, приложенной к свободному концу лопатки, до возникновения резонансных колебаний, когда песок будет сброшен со всех вибрирующих мест, кроме неподвижных линий-узлов, что свидетельствует о совпадении частоты возбуждения с частотой собственных колебаний лопатки (fвоз=fсоб) при соответствующей форме колебаний лопатки, зафиксированной по виду песочных фигур, значение которой (fсоб) и записывают в дело двигателя, при этом для лопаток, имеющих на своей поверхности перфорационные охлаждающие отверстия, определяют экспериментальным путем формы и частоты собственных колебаний 15-20 лопаток до и после изготовления перфорационных отверстий (репрезентативная выборка), определяют для этих выборок средние и среднеквадратические отклонения частот и вычисляют поправку Δf, которую прибавляют к частоте собственных колебаний каждой лопатки, (поставляемой на двигатель), полученной до изготовления перфораций на поверхности лопатки, и записывают суммарную величину частоты в дело двигателя. Технический результат: обеспечение возможности достоверного определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей.

 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к авиадвигателестроению, а именно к способу определения форм и частот собственных колебаний рабочих лопаток газотурбинных двигателей.

Уровень техники

В связи со сложной конструкцией современных рабочих лопаток авиационных газотурбинных двигателей определение их форм колебаний и частот собственных колебаний (ЧСК) расчетным путем не представляется возможным. Единственным точным способом определения форм и ЧСК лопаток являются экспериментальные испытания в лабораторных условиях на специальных установках, позволяющих возбудить лопатку в широком диапазоне частот.

Эти испытания проводятся для каждой лопатки, устанавливаемой на двигатель, и значения частоты записываются в дело двигателя.

Широкое распространение в заводских и опытно-конструкторских организациях получили испытания, при которых окончательно изготовленная лопатка зажимается за хвостовик, а к свободному концу прикладывается возмущающая сила, частота которой меняется в широком диапазоне. Возбуждение лопатки осуществляется электродинамическим возбудителем вибраций, широко распространенным в двигателестроении, или иным способом /С.В. Серенсен, М.Э. Гарф, В.А. Кузьменко. Динамика машин для испытаний на усталость. М.: Машиностроение, 1967 г./.

Сообщая лопатке вынужденные колебания сначала с небольшой частотой, затем повышая частоту, в определенный момент наблюдается явление резонанса - совпадение частоты возбуждающей силы (fвоз) с частотой собственных колебаний лопатки (fсоб), и соответствующая форма колебания. Зафиксированная наименьшая частота собственных колебаний лопатки называется частотой колебаний по 1-й изгибной форме (или по основному тону), при этом узловая линия располагается в корневой зоне. При дальнейшем повышении частоты возбуждающей силы будет наблюдаться явление резонанса (fвоз=fсоб) при колебаниях лопатки по 2-й изгибной форме с узловой линией в корневой и верхней части пера лопатки и т.д. /Г.С. Жирицкий, В.А. Стрункин. Конструкция и расчет на прочность деталей, паровых и газовых турбин. М.: Машиностроение, 1968 г., стр.111-113/.

Известен способ определения форм и частот собственных колебаний лопаток (определяемый для каждой лопатки, поставляемой на двигатель), включающий в себя установление лопатки в зажиме в горизонтальном положении с насыпанным на ее поверхности тонким слоем песка, возбуждение колебаний лопатки возмущающей силой, приложенной к свободному концу лопатки, до возникновения резонансных колебаний, когда песок будет сброшен со всех вибрирующих мест лопатки и оставаться на неподвижных линиях - узлах, что свидетельствует о совпадении частоты возбуждения с частотой собственных колебаний (fвоз=fсоб) при соответствующей форме колебаний лопатки, зафиксированной по виду песочных фигур, значение которой (fсоб) записывается в дело двигателя /Г.С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1969 г., стр.274-275/.

Однако существующий способ определения форм и частот собственных колебаний практически невозможно применить к лопаткам, имеющим на своей поверхности перфорационные охлаждающие отверстия. Такие типы лопаток, в основном рабочие лопатки турбин, все больше применяются в современных конструкциях авиационных двигателей.

При насыпании сухого песка на поверхность лопатки и ее возбуждении забиваются мелкие перфорационные отверстия, что приводит к нарушению системы охлаждения и невозможности использовать лопатки в эксплуатации.

Удаление песка (после определения форм и ЧСК) сжатым воздухом, промывкой или иным способом является чрезвычайно трудоемким процессом и требует повторного определения расходных характеристик каждой лопатки, чтобы убедиться в восстановлении системы охлаждения в полной мере. Эти технологические процедуры не всегда приводят к положительному результату (песок остается в системе охлаждения лопатки). В серийном производстве ~20% лопаток бракуется.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является достоверное определение форм и частот собственных колебаний лопаток, имеющих перфорационные охлаждающие отверстия на поверхности лопатки, при сокращении материальных затрат путем использования существующих лабораторных установок.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе экспериментального определения форм и частот собственных колебаний посыпается мелким песком поверхность лопатки до изготовления перфорационных охлаждающих отверстий, после чего лопатка возбуждается в горизонтальном положении, фиксируется по виду песочных фигур форма колебаний, определяется частота ее собственных колебаний, к которой вводится поправка на величину Δf.

Известно, что частота собственных колебаний обратно пропорциональна массе лопатки

f с о б 1 / m                           (1)

Поэтому после изготовления отверстий в связи с уменьшением массы действительное значение частоты, которое записывается в дело двигателя, должно быть несколько больше (в зависимости от диаметра отверстий и их количества). Следовательно, полученную поправку Δf надо прибавлять к частоте лопатки без перфорации.

Поскольку экспериментальное определение частот лопаток имеет статистический разброс, величину поправки Δf необходимо определять в вероятностно статистическом аспекте.

С этой целью один раз для одинаковой конструкции лопатки по репрезентативной выборке (обычно 15-20 лопаток) перфорированных лопаток и лопаток без перфорации определяются средние значения частоты собственных колебаний и среднеквадратические отклонения, по которым вычисляются максимально возможные значения по каждой выборке:

(f соб ) пер max =(f соб ) пер сред +3σ пер   (2) - для лопаток с перфорацией,

(f соб ) без пер max =(f соб ) без пер сред +3σ без пер   (3) - для лопаток без перфораций.

Вычитая из уравнения (2) уравнение (3), получим

Δ f = Δ f с р е д + 3 Δ σ             (4)

где Δf - максимально возможная разница между частотой собственных колебаний любой лопатки одинаковой конструкции с перфорацией и без перфорации,

Δfсред - разница в средних значениях частот собственных колебаний выборки лопаток с перфорацией и без перфорации,

Δσ - разница в среднеквадратических отклонениях частот собственных колебаний выборки лопаток с перфорацией и без перфорации.

Известно, что вероятность попадания случайной величины в интервал 3σ составляет 99,7%, поэтому достоверность определения поправки очень высока и полученные значения поправки Δf можно распространить на всю генеральную совокупность изготовляемых лопаток одинаковой конструкции.

Пример конкретного выполнения

Выборка частот собственных колебаний (ЧСК) по 20 рабочим лопаткам турбины с перфорационными охлаждающими отверстиями имела следующие значения:

(f соб ) пер сред = 1093   Г ц - среднее значение ЧСК,

σпер = 22 Гц - среднеквадратическое отклонение.

До изготовления охлаждающих отверстий эти же лопатки имели следующие значения:

(f соб ) без пер сред = 1082  Гц - среднее значение ЧСК,

σбез пер = 14 Гц - среднеквадратическое отклонение.

Тогда, согласно (4), величина поправки будет равна:

Δf=11+3·8=35 Гц.

Таким образом, чтобы получить действительное значение ЧСК окончательно изготовленной перфорированной лопатки и записать его в дело двигателя, к каждому полученному значению ЧСК лопатки без перфорации необходимо прибавлять 35 Гц.

Технико-экономическая или иная эффективность

Использование предлагаемого способа позволяет исключить отбраковку лопаток с перфорацией после определения их форм колебаний и частот собственных колебаний, проводить испытания на имеющемся на предприятиях оборудовании, что тем самым приводит к экономии материальных затрат.

Способ определения форм и частот собственных колебаний (ЧСК) рабочих лопаток газотурбинных двигателей, заключающийся в том, что каждую окончательно изготовленную лопатку (поставляемую на двигатель) закрепляют в зажиме за хвостовик в горизонтальном положении, наносят на ее поверхность тонким слоем песок и возбуждают колебания лопатки возмущающей силой, приложенной к свободному концу лопатки, до возникновения резонансных колебаний, когда песок будет сброшен со всех вибрирующих мест, кроме неподвижных линий-узлов, что свидетельствует о совпадении частоты возбуждения с частотой собственных колебаний лопатки (fвоз=fсоб) при соответствующей форме колебаний лопатки, зафиксированной по виду песочных фигур, значение которой (fсоб) и записывают в дело двигателя, отличающийся тем, что для лопаток, имеющих на своей поверхности перфорационные охлаждающие отверстия, определяют экспериментальным путем формы и частоты собственных колебаний 15-20 лопаток до и после изготовления перфорационных отверстий (репрезентативная выборка), определяют для этих выборок средние и среднеквадратические отклонения частот и вычисляют поправку Δf,
Δf=Δfсред+3·Δσ,
где
Δfcред - разница между средними значениями частот выборки лопаток после и до изготовления перфораций,
Δσ - разница между среднеквадратическими отклонениями частот выборки лопаток после и до изготовления перфораций,
которую прибавляют к частоте собственных колебаний каждой лопатки, (поставляемой на двигатель), полученной до изготовления перфораций на поверхности лопатки, и записывают суммарную величину частоты в дело двигателя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области динамических испытаний упругих систем и может быть использовано для определения демпфирующей способности упругого элемента механической колебательной системы.

Изобретение относится к области измерительной техники и решает задачу поиска источников общего акустического поля в условиях нелинейности механического тракта распространения колебательных процессов.

Изобретение относится к вращающимся механизмам, а более конкретно к установкам для мониторинга вибраций обмотки статора. Установка для мониторинга вибрации обмотки статора вращающегося электрического механизма (100) содержит по меньшей мере один датчик (102), содержащий по меньшей мере одну токопроводящую сенсорную антенну (122), нанесенную на лицевую сторону по меньшей мере одного слоя подложки печатной платы и обращенную к обмотке статора, а также непроводящий экран (126), установленный на обратной стороне указанной подложки (124) и обращенный в сторону от обмотки статора.
Изобретение относится к способам, предназначенным для контроля и фиксации параметров колебаний. Техническим результатом заявленного изобретения является возможность контроля и записи на запоминающее устройство параметров колебаний во всех координатах.

Изобретение касается устройства для измерения вибраций подшипников для турбомашины и турбомашины, которая снабжена устройством для измерения вибрации подшипников.

Использование: для контроля добротности пьезорезонагоров. Сущность: возбуждают колебания пьезорезонатора в области резонанса путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой, одновременно выделяют активную составляющую проводимости и выполняют ее дифференцирование, на частотной характеристике производной от активной составляющей проводимости измеряют значение производной на частоте максимума, измеряют частоту максимума производной от активной составляющей проводимости и значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной, после чего вычисляют величину добротности в соответствии с определенным математическим выражением.

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано для определения положения центра масс статически неопределимых многоопорных объектов энерго-, тяжелого и транспортного машиностроения, например крупногабаритных энергоблоков атомных электростанций.

Изобретение относится к способу и устройству для определения параметров газожидкостного потока в трубопроводе и может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения параметров.

Изобретение относится к виброизмерительной технике. .

В примерных вариантах выполнения поверхность вращающегося элемента снабжена опорной фазовой меткой и несколькими дополнительными метками. Бесконтактный датчик приближения обнаруживает прохождение как опорной фазовой метки, так и дополнительных меток по мере их прохождения через зону обнаружения. Генерируется как опорный фазовый сигнал, так и опорный сигнал вибрации, и эти сигналы используются для расчета поперечной и угловой (и при необходимости крутильной) вибрации вращающихся элементов. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для анализа акустической эмиссии. Способ анализа колебаний или акустического анализа детали, заготовки и/или инструмента для определения надежности работы и/или качества обработки, при котором регистрируют и обрабатывают колебания, возникающие во время использования и/или при контроле детали, заготовки и/или инструмента. При этом регистрируют и анализируют колебания или звуки, сохраняют колебательный спектр, включающий упомянутые колебания или звуки, для формирования многомерных данных, по меньшей мере, в трехмерном пространстве с координатами, выбранными из группы: время, частота колебаний или звука, амплитуда колебаний или звука. При этом данные подвергают многомерному, в частности трехмерному, анализу, включающему в себя сравнение упомянутых многомерных данных с эталонными данными для определения отклонения между ними, а колебательный спектр регистрируют и/или анализируют высокочастотно, в частности в диапазоне частот от 200 кГц до по меньшей мере 100 МГц. Технический результат заключается в возможности анализа акустической эмиссии непрерывно и в реальном времени. 3 н. 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

Группа изобретений относится к измерительной технике, в частности к средствам измерений крутильных колебаний. Способ содержит этапы, на которых получают колебательный сигнал ускорения от акселерометра, расположенного на неподвижной детали турбинного двигателя, оценивают частотный спектр колебательного сигнала, ищут пару спектральных линий с амплитудами, превышающими, по меньшей мере, первый порог. Причем линии распределены в спектре с обеих сторон от несущей частоты колебательного сигнала и отстоят от нее на частоту крутильных колебаний вала. Затем выполняется этап, на котором оценивают сигнал огибающей колебательного сигнала, этап на котором оценивают частотный спектр сигнала огибающей, этап поиска, на котором осуществляют поиск, по меньшей мере, одной спектральной линии в спектре сигнала огибающей, амплитуда которого превышает второй порог, и который существует на величине, кратной частоте крутильных колебаний вала; и этап, на котором оценивают уровень достоверности, связанный с предупреждающим сообщением, как функцию результата этапа поиска. В случае необходимости выдают предупреждающее сообщение. Устройство содержит акселерометр, средство приема колебательного сигнала от акселерометра, средство оценивания частотного спектра, средство поиска спектральных линий, средство оценивания сигнала огибающей, средство оценивания частотного спектра, средство оценивания уровня достоверности, средство выдачи предупреждения. Технический результат - устранение риска разрушения вала. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к метрологии, в частности в способам измерений амплитуды колебаний в твердых телах путем непосредственного контакта с детектором. Способ проверки адресности стыковки трубопроводов системы наддува баков жидкостных ракет шахтного базирования включает создание колебательного сигнала в части трубопровода, находящейся в аппаратурном отсеке, прием его в части трубопровода, находящейся в шахтной пусковой установке. После приема сигнала на части трубопровода, находящейся в шахтной пусковой установке, определяют правильность адресности стыковки по максимальной величине амплитуды колебаний на трубопроводах. Установка для диагностики правильности стыковки трубопроводов содержит исследуемые трубопроводы, электромеханический возбудитель колебаний, портативный виброметр, гермопереход между аппаратурным отсеком и шахтной пусковой установкой. Технический результат - повышение безопасности при проведении диагностики. 1 ил.

Изобретение относится к вибрационной метрологии, в частности к средствам вибродиагностики печатных узлов. Способ вибродиагностики предполагает жесткое крепление печатного узла в месте его размещения, встраивание вибродатчика и излучателя гармонических синусоидальных колебаний (виброэмулятора) непосредственно в печатный узел на стадии его разработки, вибровоздействие на печатный узел подачей гармонических синусоидальных колебаний на виброэмулятор, снятие амплитудно-частотных характеристик (АХЧ) с вибродатчика, определение резонансных частот и соответствующих им дефектов. При этом диагностика осуществляется в процессе эксплуатации печатного узла. При выполнении измерений в блоке предварительной обработки программного комплекса цифровой обработки сигналов (ЦОС) полученные значения АХЧ интерполируют и приводят к единой частотной сетке. Технический результат - сокращение времени диагностики. 2 ил.

Изобретение относится к способу формирования последовательности импульсных сигналов, используя процессор, в частности, для системы калибровки системы измерения синхронизации венцов в турбомашине или другом вращающемся оборудовании. Техническим результатом является обеспечение возможности калибровки системы измерения синхронизации венцов в турбомашине. Способ содержит этапы, на которых: сохраняют множество элементов времени ожидания в блоке памяти, создают импульсный сигнал в блоке вывода сигнала во время по меньшей мере одного цикла процессора, считывают элемент времени ожидания из упомянутого блока памяти, создают нулевой сигнал в упомянутом блоке вывода сигнала для множества циклов процессора, полученных из упомянутого считанного элемента времени ожидания, подают сигналы, созданные в упомянутом блоке выходного сигнала для каждого цикла, в цифроаналоговый преобразователь и повторяют этапы создания импульсного сигнала, считывания элемента времени ожидания и создания нулевого сигнала для каждого импульсного сигнала в последовательности импульсных сигналов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области контрольных устройств для контроля роторов турбин. Заявлены контрольное устройство для контроля ротора турбины, способ контроля ротора турбины, ступень турбины, турбинный двигатель. Заявленное контрольное устройство содержит акустический датчик и звуковой волновод для связи упомянутого акустического датчика с точкой считывания, близкой к упомянутому ротору турбины; акустический датчик выполнен с возможностью обнаружения, в качестве звуковых волн, колебаний давления, обусловленных разницами давления между сторонами низкого и высокого давления лопаток ротора, по мере того как они перемещаются мимо, вблизи от упомянутой точки считывания. Техническим результатом является обеспечение контроля роторов турбины, которые имеют большое число лопаток. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх