Конкурсная работа

инженера 3 кат. цеха 45 Федотова Анатолия Дмитриевича

на тему: «Способ диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины».

Руководитель:

Ведущий инженер

по наладке и испытаниям Н. А. Кузьминский

Оценка работы (макс. 10 баллов) ______

Призовое место ______

Председатель комиссии _________________ С.Д. Циммерман

Калуга – 2013

АННОТАЦИЯ

В работе изложена схема и принцип работы системы диагностики резонансных колебаний рабочих лопаток рабочего колеса экспериментальных осевых турбомашин, которая может найти применение при экспериментальных исследований вибрационных характеристик турбинной ступени и в условиях эксплуатации.

Система диагностики запатентована в РФ №2451279, и автор раскрывает основную сущность этого метода, имеющего большую ценность для специфики деятельности ОАО «КТЗ».

ВВЕДЕНИЕ

В современном турбостроении уменьшение вибрации становится неотъемлемым условием обеспечения высокого качества любого двигателя и ведется на всех этапах его жизненного цикла. Контроль уровня вибраций лопаток рабочего колеса в составе двигателя превращается в технологическую операцию, выполняемую при создании двигателя, его серийном изготовлении и эксплуатации.

Известно, что резонанс вызывает резкое возрастание амплитуды установившихся вынужденных колебаний системы, вплоть до разрушения при приближении частоты внешнего гармонического воздействия к какой- либо из частот собственных колебаний системы. Для повышения надежности работы и предупреждения разрушения турбомашины весьма важно выявление и измерение резонансных вибраций лопаток рабочего колеса в условиях эксплуатации, так как во многих случаях именно эти колебания представляют наибольшую опасность. В турбомашинах резонансные колебания лопаток зависят от взаимосвязанности лопаток, входящих в состав рабочего колеса. В случае слабой связанности каждая лопатка резонирует при совпадении ее собственной частоты с частотой возбуждения, независимо от поведения других лопаток. В случае сильной связанности поведение каждой лопатки зависит от динамического состояния лопаточного венца или колеса в целом. При возникновении резонансных колебаний рабочего колеса турбомашины, возбуждаемых входной неравномерностью потока, в рабочем колесе (вращающаяся система координат) реализуется бегущая волна деформаций, а в потоке (неподвижная система координат) реализуется стоячая волна деформаций.

В основу излагаемого метода положено решение задачи диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины. Поставленная задача решается тем, что регистрируют сигналы датчика пульсации статического давления воздушного потока, размещенного в зоне лопаток рабочего колеса, усиливают эти сигналы и преобразуют эти сигналы в частотный спектр.

ОПИСАНИЕ СПОСОБА ДИАГНОСТИКИ

Способ диагностики заключается в том, что регистрируют сигналы датчика пульсации статического давления воздушного потока, размещенного в зоне лопаток рабочего колеса, усиливают эти сигналы. Преобразуют эти сигналы в частотный спектр. Назначают без учета резонанса аппроксимирующую нижнюю границу допустимого изменения колебаний амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения оборотов колеса. Регистрируют относительно нижней границы величину и расположение фактических амплитуд спектральной составляющей на частоте следования лопаток с изменением частоты вращения рабочего колеса. При уменьшении амплитуд ниже нижней границы диагностируют момент возбуждения резонансных колебаний лопаток. Техническим результатом метода является повышение эффективности и надежности диагностики.

Новым в способе диагностики является то, что назначают без учета резонанса аппроксимирующую нижнюю границу допустимого изменения колебаний амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения оборотов колеса. Регистрируют относительно нижней границы величину и расположение фактических амплитуд спектральной составляющей на частоте следования лопаток с изменением частоты вращения рабочего колеса. При уменьшении амплитуды ниже нижней границы диагностируют момент возбуждения резонансных колебаний лопаток.

Назначение без учета резонанса аппроксимирующей нижней границы допустимого изменения колебаний амплитуды спектральной составляющей на частоте следования лопаток для рабочего диапазона изменения оборотов колеса позволяет повысить помехоустойчивость системы.

Регистрация относительно нижней границы величины и расположения фактических амплитуд спектральной составляющей на частоте следования лопаток с изменением частоты вращения рабочего колеса позволяет регистрировать момент возникновения резонансных колебаний.

В способе диагностики резонансных колебаний лопаток с помощью датчика пульсаций статического давления воздушного потока, размещенного в зоне лопаток рабочего колеса (рис. 1), измеряют пульсации потока, затем сигналы с этого датчика регистрируют, усиливают и преобразуют их в частотный спектр, определяют нижнюю границу случайных сигналов на частоте следования лопаток при изменении частоты вращения рабочего колеса и при уменьшении амплитуд этих сигналов ниже нижней границы диагностируют наличие резонансных колебаний лопаток.

Рис.1. Ступени давления турбины энергетического типа:

1- НА, 2- РЛ, 3- датчик пульсаций давления

Настоящий метод с подробным описанием способа диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины со ссылкой на иллюстрации, представленные на чертеже, где изображен продольный разрез схематичного устройства энергетической турбомашины, общие виды усилителя, регистратора-анализатора в аксонометрической проекции, зависимости пульсаций давления потока вибронапряжений на лопатке и оборотов по времени, а также связи между ними (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема способа диагностики:

1- НА, 2- РЛ, 3- датчик пульсаций давления, 4- усилитель, 5- регистратор

При работе турбомашины ротор вращается вместе с рабочими лопатками 2 с частотой n. Сигналы с датчика пульсаций давления 3, помещенного в корпус турбомашины, через усилитель 4 поступают на вход регистратора-анализатора 5 спектра. При отсутствии резонансных колебаний на экране регистратора-анализатора наблюдают пульсации потока на частоте следования лопаток n, где M - количество лопаток в исследованном колесе. Причем, при отсутствии резонансных колебаний амплитуда пульсаций на частоте следования лопаток монотонно увеличивается при увеличении частоты вращения ротора. В момент возникновения резонансных колебаний лопаток спектральная составляющая на частоте следования лопаток начинает убывать, достигая минимума при максимальной амплитуде резонансных колебаний, а при выходе из резонанса снова начинает монотонно увеличиваться, при увеличении частоты вращения ротора. Таким образом, наблюдением за составляющей спектра пульсаций на частоте следования лопаток (рис. 3) можно определить наличие резонансных колебаний рабочих лопаток в эксплуатационных условиях.

Рис. 3. Зависимость вибронапряжений от частоты вращения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При использовании настоящего изобретения достигается следующий технический результат – появляется возможность диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса осевой турбомашины. Заявляемый способ диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса может использоваться для изучения колебаний рабочих лопаток турбин, выпускаемых ОАО «КТЗ». Особенно этот метод будет актуален для исследования резонансных колебаний последних ступеней конденсационных турбин, работающих в зоне влажного пара с высотой рабочих лопаток более 150 мм. Необходимо также отметить, что аналогичные методы диагностики позволяют сделать проточную часть максимально эффективной с вибрационной точки зрения, что существенно увеличивает срок службы опорных подшипников, а следовательно увеличивает период времени между вынужденными остановами турбинами, необходимыми на ревизию и ремонт. С экономической точки зрения, увеличение времени работы между вынужденными ревизиями делает машину более конкурентоспособную по сравнению с турбинами, выпускаемыми другими изготовителями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кириллов И.И. Теория турбомашин и основы прочности. М.: Машиностроение, 1956, т.1. – 434с.

2. Дроконов А.М. Динамика и прочность турбомашин. Брянск: БГТУ, 2009. – 68с.

3. Перевезенцев В.Т. Диагностирование неполадок турбомашин. Брянск: БГТУ, 2012.-47 стр.

Дата добавления: 2015-09-02