Вибродиагностика газотурбинных двигателей

 

Рис. 14. Влияние массы датчика на вибрацию пластин (а) и стержней (б)

 

Часто не удается прикрепить датчик непосредственно к объекту  и приходится применять промежуточные крепежные устройства (кронштейны). Один из распространенных способов крепления к фланцам объекта показан на рис. 15. При наличии кронштейна условие (57) понимается так: низшая собственная частота колебаний системы датчики — кронштейн должна быть значительно выше высшей измеряемой частоты. Выполнить это условие часто весьма трудно, особенно при ограниченных опорных поверхностях фланцев. Масса индукционных датчиков относительно велика, а неизбежное отнесение центра масс датчиков от места крепления к объекту создает большие массовые моменты инерции. Участвующая в колебаниях масса кронштейна увеличивает суммарную массу и моменты инерции. При этом весьма вероятно влияние масс и моментов на колебания объекта. При недостаточно жестких фланцах низшая собственная частота может оказаться значительно меньше расчетной и увеличение жесткости кронштейна ничего не изменит. При суммарной массе датчиков 250—500 г при фланцевом креплении кронштейнов трудно поднять низшую собственную частоту выше 300 — 500 Гц. При этом кронштейн должен крепиться более чем двумя болтами и при достаточной затяжке.

В области высоких  частот аналогичные ситуации создаются, например, при измерениях с помощью пьезодатчиков с резьбовым креплением (ИС-312). Дополнительные затруднения вносит контактная податливость. Возможны также резонансные колебания отдельных элементов датчиков. По этим причинам применение кронштейнов крайне нежелательно.

Рис. 15. Крепление датчика к фланцу

 

Условие (57) иногда оказывается недостаточным. В области частот , как правило, имеется множество установочных резонансов, особенно при креплении с помощью кронштейнов. Вследствие слабого естественного демпфирования крепежных устройств неизмеряемые высокочастотные колебания усиливаются во много раз. Поэтому даже при умеренной высокочастотной вибрации двигателя датчик подвергается воздействию сильной неизмеряемой вибрации с амплитудами ускорения в сотни . Воздействие интенсивной неизмеряемой вибрации может привести к искажению показаний датчика в рабочем диапазоне частот, к уменьшению его ресурса и даже к разрушению.

Одним из способов защиты датчиков является избирательная амортизация. Однокомпонентный датчик можно упруго подвесить таким образом, чтобы  обеспечивалась передача без искажений  лишь измеряемых составляющих, т.е. составляющих колебаний в направлении измерения с частотами до верхней граничной частоты измерений включительно. Частота резонансных колебаний в направлении измерения должна составлять примерно , чтобы не искажались показания датчика. Частоты остальных собственных форм могут находиться в рабочем диапазоне или ниже. Упругая подвеска датчика обязательно должна иметь глубокое конструктивное демпфирование во избежание нежелательных побочных явлений. Практически можно обеспечить отношение . Влияние неизмеряемой вибрации при этом исключается.

 

Рис. 16. Способы расстановки датчиков при парных замерах

 

Получаемая измерительная  информация дает достоверные сведения о частотах колебаний, амплитуды же следует рассматривать как случайные величины, зависящие от временных и пространственных параметров. Для более достоверной оценки характера и интенсивности высокочастотной вибрации необходимо устанавливать датчики во многих точках и результаты измерений каким-либо методом обобщать. В настоящее время методика расстановки датчиков и интерпретации результатов не разработана.

Аналогичные искажения  наблюдаются и на низших частотах. Это хорошо видно по результатам  так называемых “парных” замеров. Два однотипных индукционных датчиков устанавливаются, как показано на рис. 16. Если датчики крепились непосредственно к площадке двигателя (рис. 16,а), то уже при частотах показания датчиков различались на 15 – 25%. Перестановка датчиков подтвердила влияние места установки. При установке датчиков на кронштейне рядом (рис. 16,б) различия достигали 30 – 40%. Наименьшие различие (5 –10%) были при установке по схеме (рис. 16,в), хотя полного совпадения тоже не наблюдалось. На более высоких частотах (200 –500 Гц) различия в показаниях “парных” датчиков более существенны.

Причиной погрешностей приклеиваемых пьезодатчиков может быть деформация пьезоэлемента, обусловленная деформацией объекта в месте приклейки датчиков. Пьезоэлемент в этом случаи работает как тензометр.

Погрешности могут быть обусловлены изменением характеристик датчиков со временем (старение, износ).

Все это показывает актуальность проблемы методических погрешностей, связанных с датчиками, особенно при измерении высокочастотных колебаний.

 

7. Современные датчики вибрации

7.1 Высокотемпературные акселерометры

 

Акселерометры серии АВС 059 - высокотемпературные пьезоэлектрические акселерометры с диапазоном рабочих температур до +600^оС. Акселерометры предназначены для эксплуатации в неблагоприятных условиях окружающей среды и могут применяться при измерении, контроле и регистрации механических колебаний газовых и паровых турбин, двигателей самолетов, генераторов и других промышленных машин и оборудования в условиях воздействия высокой температуры. Акселерометры также используются в аппаратуре виброконтроля для промышленного мониторинга. Акселерометры имеют чувствительный элемент, работающий на растяжение-сжатие, изолированную электрическую схему, герметичный сварной корпус, обеспечивающий эксплуатацию в условиях высокой влажности. Акселерометры имеют высокую вибропрочность и надежность. Кабель акселерометра оканчивается розеткой РС4ТВ. Крепление акселерометра осуществляется при  помощи двух винтов М2,5х10.

Таблица 2

Технические данные

(Все значения измерены при температуре +25 ^оС на частоте 100 Гц)

	АВС 059	АВС 059-01	АВС 059-02
Коэффициент преобразования по заряду, пКл/g	2,2	1,5	1
Частотный диапазон, Гц	20 ...10000	20 ...10000	20 ...10000
Собственная частота, кГц	30	40	50
Относительный коэффициент поперечного преобразования, не более %	5	5	5
Емкость, пФ	300	300	300
Нелинейность амплитудной характеристики, не более,%	3	3	3
Сопротивление изоляции  при н.у.,  не менее, Мом	20	20	20
Физические характеристики
Вид электрической схемы	двухпроводная, изолированная  от корпуса
Масса, (без кабеля), г	38	35	32
Материал корпуса	Сталь 12Х18Н10Т
Соединитель (разъем)	РС4ТВ или высокотемпературный
Крепление	фланцевое - 2 винта М3
Защита от внешней  среды	сварной корпус
Типу преобразующей  аппаратуры*	Девиз-7	Девиз-7	Девиз-7

*Примечание: Допускается использование любой другой стандартной аппаратуры.

	АВС 059	АВС 059-01	АВС 059-02
Эксплуатационные характеристики
Рабочий диапазон температур, оС	-60...+600	-60...+600	-60...+600
Верхний предел ускорений:   вибрация, g   удар, g	300  600	500  1000	1000  2000
Деформационная чувствительность (250  на установочной плоскости), g/чstr	0,009	0,009	0,009
Электромагнитная чувствительность (50 Гц, 80 А/м), %*м/A	0,00002	0,00002	0,00002
Акустическая  чувствительность   (6 кПа), %/кПа	0,05	0,05	0,05

 

 

Рис. 17. Типовая частотная зависимость

 

Рис. 18. Типовая температурная зависимость

 

 

7.2 Пьезорезисторные акселерометры

 

 

Акселерометр АНЭ 211 – пьезорезистивный акселерометр с воздушным демпфированием. Чувствительный элемент выполнен в виде полного моста методом травления на кремниевой мембране. Такая схема обеспечивает возможность измерения постоянных ускорений одного направления. Имеет универсальное крепление: клеевое или при помощи шпильки М5. Предназначен для измерения вибрационных и ударных ускорений в широком диапазоне частот.

 

 

 

 

Технические данные                             Таблица 3

	АНЭ 211	АНЭ 211-01	АНЭ 211-02	АНЭ 211-03
Коэффициент преобразования по напряжению, мВ/g*В	0,6	0,3	0,1	0,06
Частотный диапазон, Гц	0 ... 2000	0 ... 2000	0 ... 2000	0 ... 2000
Собственная частота, кГц	4	4	4	4
Относительный коэффициент поперечного преобразования, не более, %	5	5	5	5
Нелинейность амплитудной характеристики, не более, %	5	5	5	5
Физические характеристики
Вид электрической схемы	мостовая
Тип чувствительного  элемента	Кремниевая мембрана
Масса, (без кабеля), г	6	6	6	6
Материал корпуса	Сплав ВТ1-0
Соединитель (разъем)	РС7ТВ
Крепление	шпилька М5 или клеевое
Защита от внешней  среды	пыле-, влагонепроницаемый корпус
Тип применяемого усилителя	ВТ-5518

	АНЭ 211	АНЭ 211-01	АНЭ 211-02	АНЭ 211-03
Эксплуатационные  характеристики
Рабочий диапазон температур, оС	-50...+50	-50...+50	-50...+50	-50...+50
Верхний предел ускорений:   вибрация, g   удар, g	250  500	500  1000	1250  2500	2500  5000
Деформационная чувствительность (250 на  установочной плоскости), g/µstr	0,006	0,006	0,006	0,006
Электромагнитная чувствительность (50 Гц, 80 А/м), %	0,00002	0,00002	0,00002	0,00002
Акустическая  чувствительность (6 кПа), % /кПа	0,05	0,05	0,05	0,05

 

Рис. 19. Типовая частотная зависимость

 

 

 

Рис. 20. Типовая температурная зависимость

 

 

Заключение

 

 

1. Повышение эксплуатационной надежности ГТД невозможно без развития систем мониторинга их текущего состояния. Одним из перспективных направлений оценки состояния объекта является контроль уровня вибрации. При диагностике двигателя измеряют акустический шум, пульсации давлений в газовоздушном тракте, динамические деформации и вибрации деталей и корпусов ГТД.
2. Вибрация – протекающий во времени сложный колебательный процесс, характеризующийся, как правило, отдельными гармоническими составляющими. При этом используют как абсолютные величины для оценки вибрационных смещений, скоростей и ускорений, так и относительные – коэффициент вибрационной нагрузки, уровень интенсивности скорости и др.
3. В основу большинства математических моделей вибрации положены представления их в виде узкополосного процесса с медленно изменяющейся во времени амплитудой и фазой. Моделирование широкополосной вибрации основывается на линейном наложении основных гармонических составляющих и вибрационного шума.
4. Измерительная система вибрации должна быть многоканальной и дистанционной.
5. Каждый измерительный канал является единой физической системой, преобразующей входной сигнал – вибрацию выходной сигнал – вибродиаграмму. Форма вибрации при этом не должна искажаться. Для этого частотная характеристика канала должна быть равномерной во всем частотном диапазоне вибрации от низшей до высшей частоты. Амплитудная характеристика канала должна быть линейной в пределах измеряемых значений амплитуд вибрации.
6. В настоящее время считают приемлемыми и технически реализуемыми следующие пределы измерительной аппаратуры: