автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Диагностика технического состояния, разрушения деталей и узлов турбомашин по их вибрационным характеристикам с применением голографической интерферометрии

На правах рукописи

МАКАЕВА Розалия Хабибулловиа

ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ, РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ТУРБОМАШИН ПО ИХ ВИБРАЦИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

05.07.03 - Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов, 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань 2009

003467889

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н, Туполева"

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Каримов Альберт Хамзович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Данильченко Валерий Павлович

доктор технических наук, профессор Разумовский Игорь Александрович

доктор технических наук, профессор Митряйкин Виктор Иванович

Ведущая организация Центральный институт авиационного

моторостроения (ЦИАМ), г. Москва

Защита состоится 25 июня в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.05 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420Ш, г. Казань, ул. К. Маркса, 10 (E-mail: kai@kstu-kai.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Автореферат разослан .» CLn Yut^Ji 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Ф. Снигирев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В авиастроении применяется значительное число турбомашин. К ним в первую очередь относятся авиационные газотурбинные двигатели (ГТД), осевые и центробежные компрессоры, крыльчатки обдува, турбинки наддува и др.

В работающих турбомашинах практически все детали подвергаются вибрациям. При совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой колебаний детали наступает явление резонанса, приводящее к резкому увеличению амплитуды колебаний, переменных напряжений в детали и часто -к последующему разрушению. Поэтому у наиболее ответственных деталей турбомашин (лопаток и дисков) определяются их вибрационные характеристики — собственные частоты и формы колебаний в течение всех этапов создания изделий: проектирования, изготовления и доводки. По результатам определения резонансных (собственных) частот и форм колебаний конструкторскими и технологическими способами проводится отстройка от резонанса. Определение собственных частот и форм колебаний деталей турбомашин и отстройка их от резонанса являются ответственными и необходимыми операциями, от результатов которых зависит техническое состояние и работоспособность турбомашин.

Собственные частоты и формы колебаний определяются аналитическими, численными и экспериментальными методами. Первые два применяются в основном на стадии проектирования, третий — на стадиях изготовления и доводки.

Аналитические методы расчёта, развитые в 30 - 50-х годах прошлого столетия, используются для расчёта вибрационных характеристик тел простой геометрической формы, практически во всех случаях являются приближёнными и достаточно трудоёмкими. Кроме того, они не позволяют определять сложные комбинированные формы колебаний деталей.

Численные методы, особейно с появлением программных комплексов, позволяют определять собственные частоты и формы колебаний деталей сложной формы с меньшей трудоёмкостью. Но для подтверждения достоверности расчётов необходимы экспериментальные данные.

Экспериментальные методы обеспечивают большую точность и достоверность, но достаточно трудоёмкие и требуют специального оборудования.

Из известных экспериментальных методов определения резонансных частот и форм колебаний наибольшие точность и качество позволяют получить методы топографической интерферометрии.

Перспективными считаются комбинированные расчётно-экспериментальные методы определения вибрационных характеристик деталей, обеспечивающие требуемую точность при меньшей трудоёмкости.

Однако следует отметить малое число опубликованных работ по экспериментальным и расчётным исследованиям колебаний лопаток, дисков турбин и компрессоров, крыльчаток, рабочих колёс, по диагностике технического состояния и разрушения деталей методами топографической

интерферометрии. Большинство работ описывают лишь отдельные примеры применения голографической интерферометрии, отсутствуют комплексные исследования. Мало опубликованных работ даже по колебаниям консольных прямоугольных и круглых закреплённых в центре пластин, которые могли бы быть опорными при исследованиях колебаний лопаток и дисков турбомашин. Практически отсутствуют работы по развитию комбинированных расчётно-экспериментальных методов.

Поэтому данная работа, посвящённая комплексным экспериментально-расчётным исследованиям собственных (резонансных) частот и форм колебаний деталей и узлов турбомашин с применением голографической интерферометрии и численного метода конечных элементов, является актуальной. На основе этих исследований рассматриваются методы диагностики технического состояния, разрушения и неразрушающего контроля деталей и узлов турбомашин, позволяющие повысить работоспособность изделий.

Исследования проводились в плане выполнения хоздоговоров с авиационными заводами, НИИ и гранта МАИ.

. Цель работы: повышение надёжности и работоспособности деталей и узлов турбомашин на основе исследований резонансных (собственных) частот и форм колебаний экспериментально-расчётным методом, диагностики технического состояния, разрушения и неразрушающего контроля с применением голографической интерферометрии.

Задачи исследований:

1. Разработать экспериментальный комплекс для исследования вибрационных характеристик деталей и узлов турбомашин методами голографической интерферометрии усреднения по времени и стробо-голографическим с использованием компьютерных программ.

2. С применением голографической интерферометрии и численного метода конечных элементов провести исследования резонансных (собственных) частот и форм колебаний прямоугольных консольных пластин и закреплённых в центре круглых пластин постоянной толщины применительно к лопаткам и дискам турбомашин. Полученные результаты использовать при исследованиях колебаний лопаток, дисков, крыльчаток, рабочих колес турбомашин.

3. Разработать экспериментально-расчётные методики определения собственных частот и форм колебаний пластин и близких к ним деталей с использованием частотных коэффициентов, а также деталей более сложной формы с применением численного метода конечных элементов и метода голографической интерферометрии, обеспечивающие достаточную точность при уменьшении трудоёмкости.

4. Исследовать особенности колебаний сложных деталей, узлов и сборочных единиц турбомашин, таких как диски монолитные с лопатками, диски с установленными лопатками, рабочие колёса закрытого типа центробежных компрессоров, шарикоподшипники в сборе.

5. Разработать методики диагностики технического состояния, разрушения, неразрушающего контроля типовых деталей и узлов турбомашин: лопаток, дисков,

крыльчаток, сотовых, вафельных и сварных конструкций, шарикоподшипников.

б. Результаты исследований применить на производстве и в учебном процессе.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились методами голографической интерферометрии с усреднением по времени и стро-боголографическим на специальных голографических установках. Применялись современная регистрирующая аппаратура и компьютерная обработка результатов измерений.

Вычислительные эксперименты выполнялись методом конечных элементов с использованием специального программного комплекса.

Результаты измерений обрабатывались методами математической статистики.

Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях.

Автор защищает:

1. Созданный топографический комплекс для исследования резонансных частот и форм колебаний деталей и узлов турбомашин методами голографической интерферометрии с компьютерной обработкой результатов измерений.

2. Результаты исследований резонансных (собственных) частот и форм колебаний прямоугольных консольных и закреплённых в центре круглых пластин применительно к лопаткам и дискам турбомашин методами голографической интерферометрии и конечных элементов.

3. Экспериментально-расчётные методики определения собственных частот и форм колебаний пластин, лопаток, дисков.

4. Результаты экспериментальных и расчётных исследований резонансных частот и форм колебаний лопаток, дисков, моноколёс, диска компрессора с установленными лопатками, рабочих колёс компрессоров, шарикоподшипников, крыльчаток, диспергаторов.

5. Методики диагностики технического состояния, разрушения, неразрушающего контроля деталей и узлов турбомашин.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением точного когерентно-оптического метода голографической интерферометрии, современной регистрирующей аппаратуры, точных измерительных приборов, компьютерных технологий, применением методов математической статистики, а также хорошим совпадением с результатами измерения другими экспериментальными методами в лабораторных и производственных условиях.

Научная новизна:

1. Методом голографической интерферометрии получены систематизированные по узловым линиям таблицы собственных форм колебаний 5x5 для прямоугольных консольных пластин и 6x6 для круглых пластин, закрепленных в центре, применительно к лопаткам и дискам турбомашин. Установлены последовательности появления резонансных форм колебаний доя 25.. .36 первых гармоник.

Полученные таблицы и графические зависимости позволяют исключить пропуски резонансных частот и форм колебаний и служат базовыми при

исследованиях вибрационных характеристик лопаток и дисков турбомашин. Предложенные аналитические зависимости расширяют диапазон исследуемых частот.

2. Установлено, что собственные формы колебаний прямоугольных и круглых пластин, последовательность их появления, частотные коэффициенты, резонансные частоты практически не зависят от материала пластин.

Экспериментально-аналитическим способом определены частотные коэффициенты для 25 мод консольных прямоугольных пластин и 36 мод круглых пластин.

Каждой форме собственных колебаний круглых пластин соответствует определённое значение частотного коэффициента, слабо зависящее от размеров и материалов пластин. Аналогичный вывод сделан для чисто изгибных колебаний прямоугольных консольных пластин.

Соотношение размеров сторон прямоугольных пластин не оказывает влияние на частотные коэффициенты при чисто изгибных колебаниях и существенно влияет при появлении крутильных колебаний. »

Предложены экспериментально-расчётные методики определения собственных частот и форм колебаний прямоугольных, круглых пластин и близких к ним деталей, позволяющие обеспечить требуемую точность и уменьшить трудоёмкость экспериментальных и расчётных работ.

3. По результатам исследований 40 мод рабочей лопатки компрессора ГТД разработана методика расчёта собственных частот колебаний рабочих лопаток компрессора с использованием результатов исследований колебаний прямоугольных пластин. Построены таблицы, графики, получены аналитические зависимости, позволяющие определять пропущенные формы и частоты резонансных колебаний лопаток, а также их прогнозировать.

4. Экспериментальные исследования колебаний сложных деталей и сборочных единиц турбомашин, таких как диски монолитные с лопатками, диски с установленными лопатками, шарикоподшипники показали, что при одной возбуждающей частоте конструкция совершает сложные колебания: каждый элемент конструкции и конструкция в целом колеблются по своим формам и одновременно оказывают взаимные влияния.

5. Показана возможность применения голографической интерферометрии для диагностики технического состояния и разрушения шарикового подшипника в сборе.

6. Установлены формы колебаний дисков ротора диспергатора и резонансные режимы, увеличивающие степень акустического воздействия на жид-котекучие среды и повышающие качество диспергирования. Новизна разработанных конструкций дисков ротора диспергатора и резонансных режимов подтверждена патентами на изобретения.

7. Исследования колебаний рабочих колес закрытого типа центробежных компрессоров с нечётным числом лопаток позволили выявить возможность появления резонансных колебаний межлопаточных зон, не совпадающих с секторами классических диаметральных форм колебаний дисков.

8. Установлено, что голографическая интерферометрия колеблющейся рабочей лопатки турбины при частотах свыше 25 кГц позволяет определить изменение структуры материала вследствие его перегрева.

Практически» значимость:

1. Созданный голографичсский эксггеримеиталы 1 ый комплекс с использованием компьютерных программ позволяет определять резонансные часюгы и формы колебаний деталей типа иластин, дисков и сборочных единиц с применением двух методов голографической интерферометрии: усреднении но времени ;дги обьегстов размерами до 300х 300 мм и стробоголографического - до 2х 2 м.

2. Полученные экспериментально таблицы форм колебаний прямоугольных и круглых пластин позволяют пропюзиронать последовательность появления резонансных форм колебаний лопаток и дисков турбомашин.

3. Рассчитанные но результатам экспериментов с прямоугольными и круглыми пластинами частотные коэффициенты и графические зашсимосш могут быть применены при определении резонансных частот деталей, близких к ним по форме.

4. Отлаженные с учетом экспериментальных данных программы расчётов методом конечных элементов позволяют с требуемой точностью определять собственные частоты и формы колебаний пластин, лопаток, дисков и подобных-деталей.

5. Подробные исследования вибрационных характеристик лопатки компрессора ГГД показали возможность использования для определения собственных частот и форм их колебаний результатов исследования колебаний прямоугольных консольных пластин.

6. Исследования колебаний сложных конструкций, таких как монодиски, диски компрессора ГТД с установленными лопатками, рабочие колёса закрытого типа центробежных компрессоров, шарикоподшипники и выявленные при этом особенности позволяют прогнозировать появление соответствующих дефектов.

7. Разработаны и апробированы методики применении географической интерферометрии для диагностики техническою состояния, разрушения и ггеразрушагощего контроля деталей и узлов турбомашшг: лопаток, дисков турбин и компрессоров, крыльчаток, шарикоподшипников, сварных и паяных соединений, структуры материала.

8. Отработанные по результатам исследований конструкции дисков диспергаторов и резонансные режимы позволили повысить качество диспергирования нефтепродуктов и других жидкотекучих сред.

Реализации результатов исследований. Результаты исследований использованы в ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ОАО КПП «Авиамотор», ЗАО «НИИтурбокомпрсссор им. В.Б. Шненгга», ООО Научно-производственною центра «Ивсггта».

В ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» результаты исследований использованы ггри выявлении причин разрушения крыльчатки обдува генератора ГГД, определении перегрева материала рабочих лопаток турбины ГТД, неразрушающем контроле нейронам сотовых вставок.

В ОАО КПП «Авиамотор» проведена диагностика разрушения уголков рабочих лопаток компрессора ГТД, дашл рекомендации гго отстройке от резонанса и устранению разрушеггий. Проведены голографические

исследования по диагностике технического состояния шарикового подшипника опоры ГТД, установлены причины разрушения сепаратора подшипника.

В ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» результаты голографических исследований были применены для отстройки рабочих колес центробежного компрессора от резонансных колебаний, приводивших к разрушению, путем изменения их конструкции. Определены дефекты типа непропаев паяных рабочих колес, не обнаруживаемые другими методами.

Результаты исследований резонансных частот и форм колебаний рабочих колёс центробежных компрессоров использованы на производстве при доводке центробежных компрессоров мультипликаторного типа.

В ООО Научно-производственного центра «Ивента» использованы усовершенствованные по результатам голографических исследований диски роторов диспергаторов и установленные резонансные режимы обработки, позволившие повысить качество диспергирования жидкотекучих сред.

Результаты исследований используются в учебном процессе Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях-.

Международных - «Механика машиностроения», г. Наб. Челны, 1995; «Десятая Международная научно-техническая конференция по компрессорной технике», г. Казань, 1995; «Динамика и прочность двигателей», г. 'Самара, 1996; «Молодая наука - новому тысячелетию», г. Наб. Челны, 1996; «Механика машиностроения», г. Наб. Челны, 1997; «Состояние и перспективы развития вакуумной техники», г. Казань, 2001; «Рабочие процессы и технологии двигателей», г. Казань, 2005; «Голография в России и за рубежом. Наука и практика», г. Москва, 2007, г. Санкт-Петербург, 2008;

Всероссийских - «Технические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей», г. Казань, 1994; «Технологические проблемы производства элементов и узлов изделий авиакосмической техники», г. Казань, 1998; «Тепловые двигатели в XXI веке», г. Казань, 1999; «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология», г. Казань, 2001; «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», г. Казань, 2006;

региональных - «Научно-техническая конференция по итогам работы за 1992 - 1993 г.г. НИЧ КГТУ им. А.Н. Туполева - 50 лет», г. Казань, 1994; «Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования», г. Казань, 1997; «Совершенствование преподавания в высшей школе» г. Казань, 2003, 2004.

На научно-технических семинарах: «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика» г. Казань, 1993, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999; «Проблемы моделирования и динамики сложных междисциплинарных систем», г. Казань, 2002.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одной монографии, 18 научных статьях (10 статей из Перечня ВАК), 29 тезисах докладов. Получено 10 патентов на изобретения.

Вклад автора в проведённое исследование заключается в проработке состояния вопроса, постановке цели и задач, создании интерференционно-голографического комплекса, проведении всех экспериментальных исследований, разработке экспериментально-расчётных методов и методов диагностики, проведении расчётов колебаний пластин, ведущем участии в расчётах колебаний лопаток, дисков и технической реализации результатов, в обобщении результатов и формировании научных положений и выводов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 335 наименований, приложений - актов внедрения и содержит 312 страниц, 139 рисунков, 35 таблиц, 5 актов внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, кратко перечислены основные научные и практические результаты.

В первой главе дано обоснование выбора направления и объектов исследования. Проведен критический анализ опубликованных теоретических и экспериментальных работ по определению собственных частот и форм колебаний прямоугольных и круглых пластин, лопаток, дисков. Рассмотрены работы по применению голографической интерферометрии как метода диагностики технического состояния деталей.

Отмечается, что для всех наиболее ответственных деталей турбомашин, таких как лопатки, диски компрессоров и турбин, важной операцией является определение собственных частот и форм колебаний. Эти вибрационные характеристики определяются аналитическими, численными и экспериментальными методами.

Аналитические методы определения собственных частот и форм колебаний лопаток и дисков турбомашин базируются на теориях колебаний призматических стержней и круглых пластин.

Аналитические методы расчета вибрационных характеристик колебаний стержней и пластин приведены в работах С.П. Тимошенко, И.А. Биргера, И.М. Бабакова, Д.В. Вайнберга, B.C. Гонткевича, Я.Г. Пановко, А.П. Филиппова, Р. Джайна', А. Лейсса и др.

Расчёт колебаний лопаток турбомашин базируется, в первую очередь, на теории колебаний призматических стержней. Записывается дифференциальное уравнение гармонических поперечных колебаний однородного призматического стержня, направленного вдоль оси X, с малыми размерами поперечного сечения по сравнению с длиной

0, (1)

v-'—íJ—- (3)

где Y - величина, определяющая форму колебаний стержня; /с4 ~ pfj?(EJ)" р - плотность материала стержня; f~ площадь поперечного сечения; р = 2 лгу -круговая частота колебаний; Е - модуль продольной упругости материала стержня; ./- - момент инерции сечения стержня.

Общее решение этого уравнения записывается

Y ~ С] sin кх + С2 cos kx + C-i sh lac + C4 ch lac, (2),

где C\, Ci, Сj, C4 - постоянные, определяемые граничными условиями.

Из этого решения получают частное решение. В результате выводится формула для определения линейной частоты v собственных изгибных колебаний стержня п виде

(/с/)2 /Ё7

2Я12У pf

где /с/ ■ - корни частного решения; / - длина стержня.

13 литературе приводится 4...6 значений корней /с/ для первых гармоник.

Апалоотшые уравнение, решения и формула для определения частоты рассматриваются для крутильных колебаний. Из литературных источников известны лишь три первых корня.

Одним из допущений при выводе дифференциальных уравнений изгибных и крутильных колебаний стержней была малость размеров поперечного сечения по сравнению с длиной. Однако для лопаток осевых компрессоров и турбин это допущение не приемлемо. Поэтому для определения форм колебаний лопаток необходимо дополнительно рассмотреть колебания консольных прямоугольных пластин.

Аналитические решения задач колебаний копсольно закреплённых прямоугольных и косоугольных пластин приведены в работах М. В. Бартона, Д. Япга, B.C. Гопткепича, А.П. Филиппова.

Дня расчета колебаний прямоугольных пластин применяют метод Релея-Ритца, основанный на приравнивании максимальных значений потенциальной U¡n¡,x и кинетической Ттдх энергий поперечных колебаний.

Из этого условия получают формулы для определения собственных форм и частот колебаний, например,

а [Л

2 mz4ph

где а - постоянная, зависящая от формы колебаний, вида закрепления краев пластаны и соотношения длины а и ширины Ъ пластины (частотный коэффициент), D ~ ЕИЪ\ 12(1 — Ц2)]'1 - изгибная жесткость пластины, ц -коэффициент Пуассона; h -- толщина пластины.

В опубликованных работах для первых пяти мод приведены частотные коэффициенты (X и формы колебаний пластин с соотношением сторон alb ~ 0,5...5.

Аналитические методы определения собственных частот и форм колебаний консольных квадратных пластин с вырезами предложены в работах Ю.Г. Коиоплёва, А.К. Шалабанова, а консольных пластин разной формы и плане применительно к крыльевым системам - в работах М.Б. Вахитова, B.II. Паймушина, Ю.Я. Петрушснко, 'Г.Ф. 'Гинчурина, II.A. Иногородцева.

Аналитические методы расчета колебаний круглых пластин постоянной толщины рассмотрены в работах C.1I. Тимошенко, И.О. Ананьева, И.М. Бабакова, Д.В. Вайнберга, B.C. Гонткевича, Я.Г. Пановко, А. Лсйсса и др.

При аналитических расчетах колебаний круглых пластин также применяется метод Рслея-Ритца. При этом уравнение поперечных колебаний однородной круглой пластины записывается в полярных координатах:

где С-постоянная, Jn {кг) и Jn{ikr)~ функции Бесселя 1-го рода и - го порядка.

По результатам решения этого уравнения получают соотношение дня определения собственных форм колебаний и формулу для расчета частоты колебаний, аналогичную (4), где вместо длины а используется радиус пластины 11.

В опубликованных работах приводятся только четыре значения корня (частотного коэффициента) уравнения.

Следует отметить, что область применения чисто аналитических методов расчета колебаний ограничена. Они весьма приближенные, применяются лишь для простых геометрических фигур, простых форм колебаний и в то же. время достаточно сложные. Достоверность расчетных данных требует экспериментального подтверждения.

Так как многие технические задачи не Moiyr быть решены аналитически вследствие сложности геометрии конструкции, то для расчета колебаний используют численные методы. Применению численных методов расчета колебаний пластин и реальных деталей посвящены работы О.С. Зенкевича, А.П. Филиппова, 13.1[.Агапова, C.IO. Еременко, М.П. Нанасова, Ф.К. Закиева, X. Хазсмашш, М. Раугснбсрга и др.

Наибольшее применение для расчета колебаний деталей получил метод конечных элементов.

В опубликованных работах приведены отдельные сведения но расчету собственных частот и форм колебаний прямоугольных и круглых пластин с геометрическими особенностями и схемами нагружения. Рассматриваются возможности применения различных элементов и расчетных сеток.

Филипповым А.П. получены 6-8 первых форм колебаний прямоугольных консольных пластин с соотношением сторон от 0,5 до 5.

В последние годы появились программные комплексы NASTUAN, ANSYS. COSMOS, SAMSE1' и др., существенно облегчающие применение численных методов расчета для широкого круга задач.

(5)

где А - оператор Лапласа, и- прогиб, к4 ~phpZD

Решением этого уравнения является общий ин теграл

и{г,0) = Csin пО [Jn {kr) + XJ„ {ikr)\,

(6)

Как отмечается »о многих работах, численные методы расчета по срашшнию с аналитическими значительно расширили возможности по определению собственных частот и форм колебаний деталей. Однако для обеспечения точности расчетов необходима коррекция программ по данным экснеримептоп. Поэтому наиболее перспективными считаются расчетно-экшериментальные методы определения собственных частот и форм колебаний.

Методы расчета собственных частот колебаний лопаток турбин и компрессоров рассматриваются в работах И.А. Impi-epa, 1 '.С. Скубачсвского, Г.С. Жирицкош и др.

Расчеты изгибиых и крутильных колебаний реальных лопаток турбин и компрессоров базируются па теории колебаний призматических стержней. Частоты колебаний рассчитываются но формуле (3). При изменении площади поперечного сечения пера лопатки по длине проводят соответствующую коррекцию момента инерции сечения. Оцспигаехся шоке шишше вращения облоиачешюго ротора на частоту колебаний лопаток. Расчет собственных частот сложных изгибно-крутильпых колебаний аналитическими методами не проводится.

Методы расчета колебаний дисков турбин и компрессоров рассмотрены в работах И.Л. Ьиргера, Г.С. Скубачсвского, Г.С. Жирицкого, II.B. Дсмьянушко, Д.В.Хропина, Л.]!. Левина, С.И. Бошмолова, 13.11. Иванова.

И основу положены методы расчета колебаний круглых пластин, закрепленных в центре. 'Гак же как и при расчетах колебаний лопаток учитывается влияние на частоту колебаний дисков переменности площади поперечного сечения но радиусу и вращения ротора.

Расчеты колебаний реальных лопаток и дисков турбин и компрессоров в настоящее время выполняются в основном численными методами. Результаты расчетов также требуют экспериментальной проверки.

Аналитические и численные методы расчета колебаний деталей дают предварительные сведения на стадии проектирования турбомашин. При изготовлении и доводке изделий применяются более точные экспериментальные методы определения собственных частот и форм колебаний.

Применяются следующие экспериментальные методы исследования: акустико-топографический (фигуры Хладни), тензометрический, когерентпо-оптичсские. Для определения резонансных частот и форм колебаний деталей наибольшее применение получили когерентно-оптические методы голографической и сиекл-интерферометрии. Из них лучшее качество и большую точность обеспечивают методы голографической интерферометрии.

Мегомы ишкпрафичсской и агат-интерферометрии исследовались и нашли применение в paöaiax Р.Л. 11ауэлла, К.А. Склтона, Ч. Веста, Р.К. Эрфа, Ю.И. Островского, H.H. Щеиипова, И.П. Яковлева, А.Г. Козачка, ЮГ. Копошюва, И.А. Разумовского, А.К. Шалабанош,) (.С. 1 !липевскот, P.C. Бекбулаюва, Ю.Н. Шапошникова, и др.

В опубликованных работах приведены отдельные примеры применения когерентно-оптических методов для определения резонансных частот и форм колебаний различных деталей: прямоугольных, круглых пластин, лопаток и дисков турбин и компрессоров и др. Однако практически отсутствуют работы, комплексно рассматривающие колебания деталей с выявлением закономерностей появления форм колебаний, их зависимостей от материалов,

размеров деталей. Кроме того, в работах часто встречаются противоречивые сведения.

Известно применение голографической интерферометрии при диагностике технического состояния, разрушения и неразрушающем контроле деталей. Такие примеры приведены в работах Ч. Вес-га, 1UC Эрфа, Ю.И. Островского, Л.Д. Бахраха, И.Л. Разумовского, И.С. Клименко, Л.Г. Козачка.

Рассматриваются примеры примеггеггшг голографической интерферометрии для обггаружеггия поверхностных и подповерхностных трещин, для контроля качества соединения слоев материала, дефектов слоистых конструкций, сотовых заполнителей, углсбороггластиковых лопаток компрессора, внутренних дефектов полых лопаток турбины.

Аггализ опубликованных работ но исследуемому направлению позволил определить цель и задачи работы.

Втора л глава посвящена описанию оборудования и общей методики экспериментальных голографических исследований.

Рассматриваются применяемая в работе оптическая схема записи и восстановления голограмм, факторы, влияющие на формирование интерференционной структуры ггри голографичсских исследованиях. Дано описание экспериментального топографического комплекса, л который входят разработанные две стационарные топографические установки гга базе лазеров непрерывного излучения для исследования объектов размерами до ЗООх 300 мм методом усреднения по времени и передвижная импульсная голографичсская установка дли исследования крупногабаритных объектов размерами до 2x2 м стробоголографическим методом с интерферометром разработки B.C. Гурсвича и М.Л. 1 'усева.

Представлена усовершенствованная система контроля резонансных частот1 колебаний с применением компьютерных технологий. При измерениях и анализе частот колебаний использовались демонстрационный вариант программного комплекса «Analy7xr-2000V5» и анализатор спектра «Spectrum Analyzer».

Проведен аггализ воспроизводимости результатов измерений частот резонансных колебаний модельных и реальных деталей. Относительная погрешность измерений частот не превышает 0,7% » различных частотных диапазонах. Описаны объекты исследования.

В третьей главе диссертации приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований резонансных частот и форм колебаний прямоугольных копсольпо закрепленных пластин постоянной толщины применительно к лопаткам турбомагггигг.

Отмечается, что определение полного спектра гармоник колебаний прямоугольных пластин даёт необходимые опорные сведения для получения более полного спектра колебаний лопаток компрессоров и турбин.

Исследования проводились гга прямоугольник пластинах шириной Ь — 20, 30, 40 и 60 мм, длиной I от 20 до 200 мм, толщиной h ~ 1...3 мм, изготовленных из стали 12X1811101', титанового сплава ОТ4-1, никельхромового сплава XII77TIOP (ЭИ437Б) и алюминиевого с плана Д16Т.

/«331Гц

/»«07 Гц

/>5ПЗГц

Голографические интерферограммы снимались при колебаниях квадратных пластин, а также прямоугольных - с соотношением сторон /: Ь от 1,5:1 до 5:1. Исследовалось до 25 гармоник колебаний каждой пластины.

На рис. 1 приведена таблица 5x5 резонансных форм колебаний прямоугольной пластины из стали 12Х18Н10Т размерами 90х 60х 1 мм. Формы колебаний систематизированы по числу узловых линий изгибных Ь и кру тильных / колебаний (Ры). Указаны также резонансные частоты и порядковый номер появления каждой формы.

Выявлена некоторая закономерность появления форм колебаний: после каждой новой изгибной (Ь - 1, 2, 3,...) появляются одна, две, три крутильные узловые линии (/ = 1, 2, 3,...),

I, Р' 12, 1' 13.

По результатам экспериментов построены графические зависимости резонансных частот / от чисел узловых линий Ь и / (рис. 2).

>"1800111

/»5578 Гц

/=2281 Гц

/»«134 Гч

/=3875 Гц

I

/= 7909 Гц

/-8115Гц

».....

Рис. 1. Спектр резонансных форм и частот колебаний Построение таких системати-нрямоугоиыгой консольной пластины зированных таблиц и графиков

позволяет исключить пропуски тех или иных форм колебаний и получить более полный спектр гармоник.

Графики / " f{b, /) аппроксимированы квадратными зависимостями, которые позволяют прогнозировать резонансные частоты в более широком диапазоне.

Установлено, что на последовательность появления форм колебаний существенное влияние охшыгает соотношение сторон lib (рис. 3).

С увеличением соотношения lib уменьшается число крутильных узловых линий и увеличивается число узловых линий

изгибных колебаний. Рис- 2- Зависимости/=/(&, /)

!/Ь

1,0

Порядковый номер гармоники

Ко

488 Гц

Рп

1216 Гц

ИрИИ)

302? Гц

1

4183 Гц

Гц

4367 Гц

8358 Гц

8557 Гц

9677 Гц

10367 Гц

10

ЯГ

13881Гц

1,5

1981ч

733 Гц

1358 Гц

2439 Гц

3596 Гц

4090 Гц

50СЙ Гц

5

1Ш

5455 Гц

ШШ

7500 Гц

Г'п

1вИг

8521 Гц

Ги..

«1

2,0

121Гц

521 Гц

1583 Гц

212ГГц

5157 Гц

3511 Гц

4200 Гц

Иу!

4579 Гц

и

5,0

190 Ги

578 Гц

688 Ги

1007 Гц

1137Гц

1487 Гц

5255 Гц

Я

17СОГ«

Рис. 3. Голографические интерферограммы первых 10 форм колебаний пластин с соотношением длины и ширины 1/Ь, равным 1; 1,5; 2; 5: 12Х18Н1 ОТ, Ь — 40 мм, И~1 мм

Полученные экспериментальные формы колебаний прямоугольных пластин совпадают с известными из других работ, в основном до 5 - б гармоники.

В диссертации рассмотрены особенности появления и трансформации отдельных форм колебаний.

Исследование колебаний пластин разных размеров и из разных материалов показали, что материал пластины и её толщина не оказывают заметного влияния на формы колебаний. Способы закрепления пластин нри испытаниях также не оказывают влияния на появляющиеся формы колебаний.

Для расчёта резонансных частот f прямоугольных пластин постоянной толщины к использована формула

г-

Р

2тй2 V Рк'

(7)

где Р - час тотный коэффициент'; I - длина пластины.

Объединим отдельно параметры материала, размеры пластины и вводя характеристику материала Ми геометрическую характеристику размеров С

I к..........к

........... —......о...... (8) и (У- ,

М-

(9)

формулу дли определения резонансной частоты можно представить и виде

/=■■[ЮШк. (10)

Значения характеристик материала М, рассчитанные для сталей 12Х18Н10Т, 45, сплавов Д16Т, ОТ4-1, XI177'ПОР, различаются всего на 1...3%. Следовательно, сделан вывод о том, что резонансные частоты в основном

определяются размерами иластин.

С использованием экспериментальных значений резонансных частот но формуле (7) рассчитаны частотные коэффициенты для всех ¡25 гармоник разных пластин. Значения частотных коэффициентов для пластин из разных материалов различались в пределах 3,5%. По этим же данным построены графические зависимости /? = /(1/Ь) (рис. 4).

Анализ проведенных результатов показывает, что для чисто изгибных форм колебаний Г'го, 7<зо,... коэффициенты /? не зависят от соотношения сторон пластины 1/Ь. Добавление к изгибным колебаниям крутильных увеличивает скорость возрастания [3 но 1/Ь.

Проведенные эксперименты показали, что собственные формы колебаний прямоугольных консолыю закрепленных пластин, последовательность их появления и частотные коэффициенты не зависят от материала пластин.

Рис. 4, Занисимоети частотных коэффициентом Р, соотпстетнующих определенным формам колебаний, от соотношения 1/Ь 1 пластины: 12Х18Н10Т, И ~ 1 мм; о- /.>"40мм, * -20мм, А -60мм

Проводились численные исследования собственных форм и частот колебаний прямоугольных консольпо закреплённых пластин с использованием программного комплекса на основе метода конечных элементов.

При расчёте собственных частот и форм колебаний пластины использовался метод итераций и подпространстве. Минимальное число итераций составляло 5, максимальное - 170, диапазон частот - от 0 до 150 кГц, количество выделенных мод - 100. Большую точность расчета при сравнении с экспериментом (в основном, до 5%) обеспечило применение сстки с 1200 (20x30x2) трехмерными квадратичными элементами, размещёнными в два слоя. Расчётная последовательность появления форм колебаний совпала с экспериментальной. Таким образом, корректируя программу расчета по результатам экспериментов, можно спектр собственных частот и форм колебаний получить и численным методом с достаточной точностью.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований резонансных частот и форм колебаний круглых пластин (дисков) постоянной толщины, закрашенных в центре, применительно к дискам турбомашин.

Проводились экспериментальные исследования вибрационных характеристик дисков толщиной h- 1... 4 мм, диаметром D ■ ■ 60...200 мм, изготовленных из сталей 45, 12X18II10T, алюминиевого сплава /Д16Т, титанового сплава ОТ4-1 и никсльхромового сплава XII77TIOP (ЭИ437Б).

Резонансные частоты и формы колебаний определялись методом топографической интерферометрии способом усреднения по времени. Получены голографичсские иптерферограммы более 100 резонансных форм колебаний дисков в диапазоне частот 100 - 430001 ц.

Определялись последовательности появления резонансных частот и форм колебаний дисков при иосгспенпом увеличении частоты возбуждающей силы.

На рис. 5 приведены резонансные формы и частоты колебаний круглой пластины диаметром Г) — 162 мм, толщиной h — 2 мм из стали 12X181I10T, систематизированные по мере возрастания числа узловых окружностей s и узловых диаметров п. Цифрами в нравом верхнем углу показан порядок их появления.

Резонансные формы колебаний Fsn {s, п ■■ ■ число узловых окружностей и диаметров соответственно) в пределах формы /' '55 появлялись » последовательности: F0\,-I'm, F02, I'm, FM, l'\o, I'\], F05, l'n, Fn, o, F-n, F\n, и т.д. с некоторой периодичностью.

Первой возникала форма колебаний Foi " с одним узловым диаметром, а не зонтичная Fqo, как говорится в ряде работ. Форме 7'oi соответствуют меньшие резонансная частота и деформация диска. Далее появляются резонансные формы колебаний по мере увеличения степени деформаций диска.

Такие таблицы позволяют прогнозировать певыянлепные резонансные формы колебаний. Сверх замкнутой таблицы /'55 были получены отдельные формы колебаний F0в, Fm, ^58. F59, Fm, F6h F62,1''a, l'es, F-,0, Fn, Fn, Fw.

По данным

подобных экспериментальных таблиц построены храфические зависимости резонансных частот/от числа узловых диаметров и окружностей, аналогичные рис. 2.

Такие графики также позволяют прогнозировать невыявленныс резонансные частоты и формы колебаний, а аппроксимирующие аналитические зависимости расгггиряют диапазон исследуемых частот.

Для определения резонансной частоты / колебаний однородного диска постоянной толщины применялась формула (7), где вместо длины I прямоугольной пластины записывался радиус Я круглой пластины и частотный коэффициент а (для отличия).

Значения частотных коэффициентов аналитически определяются в результате решения дифференциального уравнения упругих колебаний пластин, однако, дня диска, закрепленного в центре, эти сведения весьма ограничим и противоречивы. Поэтому имеет практический интерес расчет частотных коэффициентов по формуле (10) с использованием экспериментальных значений резонансных частот.

Разность значений характеристик М исследованных сталей и сплавов в пределах 1;..3% определяет практически одинаковые резонансные частоты дисков из разных материалов, по с одинаковой геометрической характеристикой (7. Следовательно, можно сделать вывод, что резонансные частоты колебаний дисков в основном определяются его геометрическими размерами и с указанной точностью не зависят от материала.

Влияние геометрической характеристики размеров диска О на резонансные частот дисков с различными значениями толщины /г и диаметра О (радиуса Л) оценивалось по графическим зависимостям А = /(/?, (7). Линии

г

0 1 2 3 4 5

0 /»300 Г, 150 438 712 ** А 1330 2110

1 1600 1710 Уа 9 <9 2510 /ч »» 3657 /и . . 13 5027 Гм... >" 6745

г 4200 4703 3'. 14 5955 Уп.....и 7681 Рц......19 9702 Г» 21 12170

3 Гр . Ю 8285 »» 9364 Гц 2» ш 10591 /И . . 22 Ш 13076 Г» .25 ^^ 15СТ0 18360

4 ?*.. .*> 1370О Г« . 21 14900 /'« 26 17010 23 19663 Гм 31 ||§| 21150 Г« м Ш 28950

5 Уя 29 •' ТОЮ 21117 25911 Гя м А 1Р 29155 34280 36 ЛЬ 38875

Рис. 5. Резонансные формы и частоты колебаний круглой иласгапы постоянной толщины, закрепленной в центре

G ~ const для каждой гармоники являются линиями постоянной частоты при различных значениях h и 11.

Для исследованных диско» по формуле (10) были рассчитаны значения частотных коэффициентов а. Для каждой формы колебаний диско» из разных материалов, разных толщин и диаметров разброс значений а составил л пределах 10-ти процентов. Следовательно, с указанной точностью каждой форме колебаний соответствует определенное значение частотного коэффициента а, слабо зависящее от размеров и материала дисков.

Определены среднеарифметические значения частотных коэффициентов &ср для исследованных гармоник. Расхождение значений частотных

коэффициентов ссср , рассчитанных но данным экспериментов, с полученными аналитически п опубликованных работах для четырех мерных форм колебаний составило от 1 до 10 %.

Рассчитанные но результатам экспериментов значения частотных коэффициентов для дисков постоянной толщины с определенной точностью можно применять при расчетах собственных частот колебаний дисков, закреплённых в центре, разных размеров и материалов, а также деталей, близких к ним по форме.

Для расчёта собственных форм и частот колебаний диско», закреплённых в центре, был применен численный метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе. Выбор типа конечных элементов и расчётной сетки модели с учётом экспериментальных данных обеспечили расхождение расчетных и экспериментальных значений собственных частот в основном 1 ...5% в различных диапазонах. Расчетная последовательность появления собственных форм в основном совпала с экспериментальной. Полученные таблицы резонансных форм колебаний диска постоянной толщины могут служить ориентиром при определении форм колебаний реальных диско», крыльчаток, рабочих колес.

На основании проведенных исследований был разработан экспериментально-расчётный метод определения собственных частот и форм колебаний прямоугольных консольных и круглых закреплённых в центре пластин и близких к ним но форме деталей с применением голографической интерферометрии и численного метода конечных элементов, реализованного » программном комплексе ANSYS.

В пятой главе исследуются особые случаи колебаний лопаток. Обычно, в документации авиационных ГГД имеются сведения о 5...8 гармониках колебаний лопаток турбины и компрессора. Однако их анализ не проводится и, кроме того, часто необходимо исследовать гармоники п более широком диапазоне частот. Дни наземных компрессоров такие сведения обычно отсутствую т.

В главе приведены результаты исследований резонансных форм и частот-колебаний: а) рабочей лопатки компрессора ГГД » более широком диапазоне частот с их анализом и пропгозированием; б) рабочего колеса центробежного компрессора с крупными и чередующимися но ширине лопатками;

в) моноколеса турбокомпрессора наддува двигателя вну треннего сгорания с сильно закрученными лопатками.

Исследовались резонансные частоты и формы колебаний рабочей лопатки компрессора 5-й ступени двигателей НК в диапазоне частот 400...55000 Гц. Всего получено 40 форм и частот. Формы колебаний сведены в таблицу, систематизированную по числу узловых линий Ъ и / (рис. 6).

Как показывает

сравнение с рис. 1, формы колебаний лопатки и прямоугольной пластины достаточно идентичны. Некоторое искривление узловых линий можно объяснить закруткой и переменностью сечения пера лопатхеи.

По данным рис. 6 построены графические зависимости / - / (Ь, /), аналогичные рис. 2, предложены аппроксимирующие формулы, позволяющие определять пропущенные резонансные частоты и формы в несколько большем диапазоне. Предложена методика расчета резонансных частот колебаний лопатки с введением поправочного коэффициента по результатам аналогичных исследований колебаний прямоугольной пластины.

Методика проверена при расчетах собственных частот колебаний лопаток ещё четырех ступеней компрессора. Дня большинства гармоник расходимость расчетных и экспериментальных значений составила в пределах 15 %,

Проводились исследования вибрационных характеристик открытого рабочего моноколсса центробежного компрессора, у которого достаточно крупные чередующиеся по ширине 12 лопаток были выполнены заодно со ступицей. В диапазоне частот от 10 до 10000 Гц по отзвуку получены семь резонансных мод.

На основной моде при / ~ 847 Гц ступица и лопатки как единый сплошной диск совершают совместные колебания по форме /*о 1 с одним узловым диаметром (см. рис. 5).

Рис. 6. Систематизированная таблица спектра резонансных форм колебаний лопатки компрессора 5-й ступени ГТД

21

Па второй моде при/-■ 2505 Гц лопатки совершают изгибпые колебания по форме с разной амплитудой аналогично прямоугольным пластинам (см. рис. 3). Одновременно всё моноколесо продолжает колебаться как сплошной диск по форме Foi с одним узловым диаметром.

Оригинальная картина наблюдается при колебаниях колеса на третьей моде при / « 3540 Гц (рис. 7). Широкие лопатки совершают изгибно-крутильпые колебания аналогично прямоугольным пластинам но форме 1<\\, узкие лопатки по форме Ь\0. При этом все элементы колеса колеблются с разными амплитудами. Аналогичный анализ проведен и по остальным модам.

По результатам исследований установлено, что вибрацию моноколеса в целом определяют в основном лопатки, имеющие меньшую жесткость, чем ступица.

Разные формы колебаний лопаток позволяют прогнозировать возможные дефекты во время эксплуатации. Так, форма колебаний Р\о может привести к трещинам в местах соединения лопаток со ступицей, форма 7^'ц - к трещине вдоль пера, форма Fyi - гс сколу уголков пера. Результаты исследований использованы при доводке конструкции рабочег о колеса.

Экспериментальным и численным методами исследовались колебания сильно закрученных лопаток радиально-осевой турбины турбокомпрессора наддува двигателя внутреннего сгорания (рис.8).

Так как жесткость лопаток значительно меньше жесткости ступицы, то ' лопатки начинают вибрировать в диапазоне частот ниже первой собственной частоты ступицы. Это обстоятельство позволило упростить расчётную модель и рассчитывать колебания каждой лопатки отдельно от ступицы при рассмотрении первых пяти мод.

Расчёт проводился методом конечных элементов. Количество треугольных плоских конечных элементов составляло 3504, число матричных уравнений - 10596 по каждой из собственных форм. Рассчитывались десять собственных частот и форм колебаний. Эти же моды определялись методом топографической интерферометрии.

Рис. 7. Формы колебаний моноколеса при /= 3540 Гц

ЯЙГи

/-авгпг

I

1

г

"Т^МГ»

1'ие. 8. Формы колебаний лопатки, установленные экспериментально (ci) и расчетным (б) способами

Расхождение расчётных и экспериментальных значений собственных частот колебаний составило в пределах четырех процентов. Это позволяет сделать вынод о том, что колебания моноколеса определяются в основном колебаниями лопаток. Рассчитанные формы колебаний достаточно хорошо совпали с экспериментальными.

Представленные на рис. 8 голографические интерферограммы форм колебаний лопатки (а) и рисунки тех же форм, полученных расчетным путем (б), иллюстрируют характер деформаций отдельных элементов лопатки.

Результаты исследований использовались при доводке конструкции изделия.

Шестам глава посвящена определению вибрационных характеристик реальных дисков турбомапшн. С целью совершенствования конструкций и улучшения эксплуатационных характеристик изделий исследовались колебания диска компрессора ГТД с установленными лопатками, дисков роторов диснергаторов, рабочих колес центробежных компрессоров.

Стробоголографичсским методом на установке с импульсным лазером были получены интерферограммы форм колебаний трёх последовательных гармоник облоначенного диска осевого компрессора ГТД диаметром 920 мм па резонансных частотах 350, 738 и 1050 Гц. Наиболее информативными оказались резонансные колебания диска при частоте 1050 Гц (рис. 9).

Как видно из рисунка, диск колеблется но форме F02, а лопатки -по F\\. Максимальная амплитуда колебаний лопаток наблюдается на линиях пучностей

колебаний диска, а минимальная - на узловых линиях.

Установлено, что наличие у диска жесткого обода с закрепленными лопатками несколько

изменяет форму колебаний но сравнению с классическим диском. Участки с максимальной амплитудой колебаний, а следовательно, и наиболее вероятного появления дефекта смещаю тся с обода в область сопряжения обода с полотном диска.

Резонансные частоты отдельно взятых лопаток при одной и той же форме колебаний превышаю т резонансные частоты лопаток и системе диск - лопатки.

Проводились исследования собственных частот и форм колебаний дисков

Рис. 9. Интсрфсрограмма формы колебаний диска компрессора ПД 4~й ступени ГТД с лопатками

с короткими жёсткими торцевыми лопатками. Такие диски применяются, например, в роторах диснергатора. Исследования выполнялись с целью повышения акустического воздействия на жидкотекучио среды и повышения качества их диспергирования. Получено более 30 видов форм колебаний дисков диспергаторов.

Установлено, что в исследованном диапазоне частот собственные формы колебаний определяются колебаниями самого полотна диска. Картины собственных форм колебаний диска ротора диснергатора имеют вид классических форм колебаний круглых пластин (см. рис. 5).

Например, на рис. 10 приведена интерферограмма колебаний диска диснергатора по форме «4 узловых диаметра».

Используя частотные коэффициенты, полученные для дисков постоянной толщины в главе 3, были рассчитаны резонансные частоты диска диснергатора. Расхождение расчетных частот с измеренными экспериментально составило от 3 до 16 %.

Анализ голографических иитер-ферограмм форм колебаний диска Рис. 10. Форма колебаний^ диска диснергатора на резонансных частотах ро^ра диспсргагорапапасчогс показал следующее.

- С повышением частоты колебаний, следовательно, с увеличением количества узловых диаметров на реальном диске, как и на классической круглой пластине, увеличивается нулевая (узловая) зона и область пучностей сдвигается в периферийную части диска. Если при колебаниях по 7''<и на частоте f - 3291 Гц (по форме «4 узловых диаметра») неподвижна одна ■• первая ступень, то на высоких - в узловой зоне располагаются три ступени лопаток.

- Резонансные колебания в основном совершаются за счет полотна диска, короткие лопатки не совершают собственных колебаний в исследованном диапазоне частот.

- Диаметральные формы колебаний диска на резонансных частотах имеют вид картин узловых линий, разделяющих полотно диска на сегменты.

Результаты пропедейных голографических исследований собственных форм колебаний и резонансных частот легли в основу конструкторской доработки дисков диспергаторов и совершенствования способов обработки жидкотекучих сред.

Усовершенствованные конструкции дисков диспергаторов и установленные резонансные режимы позволили улучшить качество обработанных нефтепродуктов и других лдадкотскучих сред. Техническая новизна разработок подтверждена полученными патентами па изобретения.

Методом голографической интерферометрии были проведены исследования вибрационных характеристик двух рабочих колес закрытого тина

центробежных компрессоров с разными размерами и числом лопаток. Получено более 10 форм колебаний. Установлено существование колебаний межлонаточных зон, пе совпадающих с секторами классических диаметральных колебаний. Экспериментально полученные резонансные частоты и формы колебаний послужили основой для доводки расчетных программ. Последующие расчеты, проведенные в НИИтурбокомпрсссор, показали расходимость экспериментальных и расчетных результатов в пределах 3%.

Результаты исследований использованы при доводке конструкции рабочих колее.

Л седьмой главе диссертации рассматриваются примеры применения шлографичсской интерферометрии при диагностике технического состояния, разрушения и неразрушшощем контроле деталей турбомашин. Исследовалась возможность использования голографической интерферометрии при диагностике технического состояния шарикового подшипника ГТД в сборе, при диагностике разрушения лопаток компрессора и крыльчатки ГТД, рабочего колеса центробежного компрессора. Голографическая интерферометрия применена при неразрушшощем контроле трещин, сварных и паяных соединений, при определении перегрева металла рабочих лопаток турбины ГТД.

Одним из тяжело нагруженных узлов ГТД являются шарикоподшипники ротора двигателя. Для устранения резонансных явлений необходимо знать их собственные формы и частоты колебаний. В процессе эксплуатации ГТД возникали проблемы с разрушением сепаратора подшипника.

Для исследования возможности применения голографической интерферометрии был выбран радиально-унорпый шариковый подшипник ГГД (D = 230 мм, Ь - 36 мм) в трех состояниях: новый, ресурсный (8000 ч.), дефектный - с разрыпом боковой перемычки сепаратора (30000 ч.).

Исследовались колебания подшипника в сборе и отдельно сепаратора. У подшипника в сборе были сняты интерферограммы четырех первых резонансных форм п диапазоне 150... 1300 Гц.

Фиксировались резонансные частоты f, Гц, отзвук В, дБ и количество интерференционных полос N, характеризующее амплитуды колебаний. Анализ полученных иитерферограмм и значений В, N но четырем формам колебаний показал следующее:

1. Па резонансных частотах внутреннее кольцо, сепаратор, внешнее кольцо подшипника колеблются каждое по своей форме.

2. Независимо от срока службы и технического состояния всего нодшишшка его внутреннее и внешнее кольца в исследуемом диапазоне совершают гармонические колебания с различными амплитудами.

3. Л новом и ресурсном подшипниках сепаратор колеблется по i-армопичсскому закону, а в дефектном - • по негармоническому.

4. Пели у нового и ресурсного подшипников отзвук по топам возрастает, то у дефектного, начиная с третьего тона, — уменьшается. Последнее можно объяснить тем, что с увеличением резонансной частоты больший вклад в отзвук

начинают вносить меньшие по массе шарики и сепаратор, которые демпфируются дефектом.

5. Износ элементов подшипника и наличие дефекта приводят к забросам амплитуд колебаний.

Аналогичные исследования вибрационных характеристик сепаратора в отдельности показали, что увеличение времени наработки приводит к незначительному уменьшению его резонансной частоты, а наличие дефекта - к резкому. Амплитуда колебаний возрастает, особенно при наличии дефекта. Величина отзвука остается примерно постоянной.

Результаты исследований использовались в производственных условиях. Па работающем двигателе максимальная виброскорость и виброперегрузки средней опоры 1СВД происходили на частоте /= 12.90 Гц. Вибрографированисм невозможно было определить, какому узлу или детали принадлежат эти резонансные колебания.

Применение топографической интерферометрии позволило установить, что данные резонансные условия средней опоры определяются вибрациями подшипника (/= 1280 Гц) по 4-й форме резонансных колебаний (рис. 11).

Из этого следует сделать вывод о том, что резонансная частота колебаний отдельного подшипника не изменяется при установке его на двигатель.

Таким образом, перед установкой па двигатель необходимо определять вибрационные характеристики подшипников с применением топографической интерферометрии.

При эксплуатации и доводке ГТД наблюдались случаи сколов уголков кромок рабочих лопаток 5-й и 7-й ступеней компрессора. Тензометрированисм установлены повышенные значения усталостных напряжений в этих местах.

В заданном диапазоне были исследованы резонансные частоты и формы колебаний лопаток с применением топографической интерферометрии.

О тстройка от резонанса проводилась изменением толщины Ст пера лопаток и выполнением скосов па кромках.

Так, например, у лопатки 5-й ступени за счет указанных доработок удалось снизить собственную частоту и получить оптимальную форму колебаний (рис. 12). Аналогичная отстройка от резонанса была выполнена и для лопаток 7-й ступени.

Проведенные исследования позволили повысить запас прочности лопаток в 1,5...2 раза и устранить наблюдаемые разрушения кромок.

Рис. 11. Иптерферограмма 4-й формы колебаний ресурсного подшипника при /= 1280IV*

Рис. 12. Интерферограммы форм колебаний лопатки 5-й ступени КВД ГТД: а - до, б - после доработки

С применением голографической интерферометрии проводились исследования по выявлению причин разрушения крыльчатки обдува генератора ГТД (рис. 13) и рабочего колеса центробежного компрессора (рис. 14).

И рабочем диапазоне определялись резонансные частоты колебаний и «шмалим, иптерферограммы форм колебаний. По результатам анализа иитерферограмм были выявлены критические формы колебаний и причины разрушений, проводилась доработка конструкции деталей, корректировались рабочие обороты.

'Гак, у крыльчатки обдува генератора наиболее слабыми оказались участки соединения лопаток с полотном диска.

У закрытого колеса компрессора при нечетном числе лопаток обнаружены колебания в межлоиаточных зонах, не совпадающих с секторами диаметральных колебаний классического диска. Резонансные колебания межлоиаточных зон и являлись причиной разрушения поло ша колеса.

Доработка конструкций деталей и коррекция рабочих режимов позволили устранить указанные разрушения.

Далее в главе приводятся результаты исследований но применению голографической интерферометрии для обнаружения трещин в лопатке турбины ГТД, по выявлению непронаев сотовых вставок (рис. 15, а), лопаток в колесе центробежного компрессора (рис. 15, б), непроваров проницаемых вафельных материалов, но контролю качества сварных швов, полученных ручной и автоматической сваркой.

Достоинством применения голографической интерферометрии с усреднением но времени в перечисленных примерах явилось то, что контроль дефектов проводился при вибрационном нагружении. Это позволило обнаруживать дефекты, невидимые при статических методах контроля.

Рис. 13. Крыльчатки обдуца генератора ГГД: а • ■ разрушенная и процессе эксплуатации; б иитерферограмма колебаний по форме /'оз при /- 4874 Гц

Рис. 14. Колебания колеса компрессора при /= 3208 1 'ц

Рис. 15. Определение псиронаев: а - в сотовых вставках; б в колесе компрессора

В процессе эксплуатации ГТД в ряде случаен происходит перегрей лопаток турбины выше расчетных температур. При этом материал лопатки теряет оптимальную структуру и прочностные свойства.

В настоящее время перегрев контролируется разрушающими методами.

Было высказано предположение, что изменение структуры жаропрочного сплава и его характеристик упругости могут изменить деформационное ноле пера лопатки турбины. Применение чувствительного метода топографической интерферометрии позволило выявить изменение деформационной картины материала после перегрева. По результатам исследований установлен частотный диапазон испытаний лопаток турбины | на перегрев.

Результаты исследований,' приведенные в главе, показывают, что I топографическая интерферометрия является достаточно универсальным и эффективным методом диагностики технического состояния, разрушения I деталей и узлов турбомапшн, а также неразрутающего контроля поверхностных, подповерхностных дефектов сварных, паяных соединений, структурных изменений материалов.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ опубликованных работ но исследуемой теме показан, что I голографическая интерферометрия является эффективным методом определения вибрационных характеристик, диагностики технического состояния, разрушения и неразрутающего контроля деталей турбомапшн. Поэтому работы по совершенствованию технологии его применения и расширению области использования этого метода являются актуальными.

2. Создан экспериментальный комплекс для исследования вибрационных характеристик деталей турбомашин методом голографической интерферометрии, реализующий методы усреднения по времени и стробо-голографический с применением компьютерных программ определения и анализа резонансных частот.

3. На основе обобщения и систематизации результатов экспериментальных и численных исследований собственных частот и форм колебаний разработана экспериментально-теоретическая база диагностики технического состояния, разрушения деталей и узлов турбомашин, включающая:

а) систематизированные по числу узловых линий таблицы резонансных форм и частот колебаний консольных прямоугольных (5x5) и закреплённых в центре круглых пластин (6*6) постоянной толщины, полученные методом голографической интерферометрии; построенные по данным таблиц графические и аналитические зависимости резонансных частот от чисел узловых линий, позволяющие определять пропущенные резонансные частоты и формы колебаний, а также их прогнозировать.

Полученные данные по пластинам являются базовыми при исследованиях колебаний реальных лопаток и дисков турбомашин;

б) систематизированные таблицы частотных коэффициентов, рассчитанные по результатам экспериментов с пластинами для первых 25...36 гармоник, позволяющие определять собственные частоты колебаний пластин и деталей, близких к ним по форме;

в) экспериментально-расчётные методики определения собственных частот колебаний пластин и деталей турбомашин: близких по форме к пластинам - с использованием частотных коэффициентов, деталей более сложной формы - с применением численного метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе АЫЗУБ, ориентированного по результатам голографических исследований;

г) установленные закономерности колебаний сложных деталей, узлов и сборочных единиц турбомашин, таких как диски монолитные с лопатками, диски с установленными лопатками, рабочие колеса закрытого типа центробежных компрессоров, шарикоподшипники;

д) разработанные методики диагностики технического состояния, разрушения и неразрушающего контроля деталей турбомашин: лопаток, дисков, крыльчаток, сотовых, вафельных и сварных конструкций, шарикоподшипников.

4. Проведённые исследования позволили усовершенствовать конструкции лопаток, дисков, крыльчаток и других деталей турбомашин, уточнить режимы их работы и в результате - устранить появляющиеся дефекты, определить наиболее эффективные условия эксплуатации и увеличить долговечность изделий.

5. Результаты исследований использованы на производстве и в учебном процессе.

Основные положения и научные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

Монография

1. Макаева Р.Х., Хабибуллин М.Г., Горюнов JI.B., Каримов А.Х. Исследование вибрационных характеристик деталей и узлов двигателей методом голографической интерферометрии при их диагностике. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 1998. - 55 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

2. Макаева Р.Х. Голографическая идентификация состояния лопатки при тепловом воздействии //Изв. вузов. Авиационная техника. - 1994. - № 4. -С. 72-75.

3. Макаева Р.Х., Хабибуллин М.Г., Каримов А.Х. Голографическая интерферометрия при конструкторской доводке лопаток компрессора ГТД //Изв. вузов. Авиационная техника. - 1999. - № 2. - С. 72 - 74.

4. Макаева Р.Х., Каримов А.Х., Царева A.M. Определение вибрационных характеристик деталей ГТД методом голографической интерферометрии //Изв. вузов. Авиационная техника. - 2007. - № 1. - С. 78- 80.

5. Макаева Р.Х., Царева A.M., Каримов А.Х. Исследование резонансных частот и форм колебаний диска постоянной толщины с применением голографической интерферометрии //Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2007.

- № 1. - С. 41-43.

6. Макаева Р.Х. Контроль качества неразъемных соединений методом голографической интерферометрии //Изв. вузов. Авиационная техника. - 2007.

- № 3. - С. 75 - 77.

7. Макаева Р.Х., Фомин В.М., Агачев P.C., Царева A.M., Каримов А.Х. Повышение акустической эффективности диспергаторов по результатам исследований резонансных частот и форм колебаний их роторов //Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2007. - № 4 . - С. 22 - 24.

8. Макаева Р.Х., Царева A.M., Каримов А.Х. Определение собственных частот и форм колебаний диска постоянной толщины, закрепленного в центре //Изв. вузов. Авиационная техника. — 2008. - № 1. - С. 41 — 45.

9. Макаева Р.Х. Использование голографической интерферометрии для диагностики технического состояния деталей турбомашин //Изв. вузов. Авиационная техника. - 2008. - № 2. - С. 72 - 74.

10. Макаева Р.Х., Царева A.M., Каримов А.Х. Голографическая интерферометрия для исследования собственных форм колебаний прямоугольных консольных пластин //Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. -2008. -№3.- С. 49-51.

11. Макаева Р.Х., Царева A.M., Каримов А.Х. Исследование резонансных форм и частот колебаний пластин применительно к лопаткам турбомашин //Изв. вузов. Авиационная техника.-2008.-№ 3. - С. 14-18.

Статьи в других журналах и материалы научно-технических конференций

12. Макасна Р.Х., Царева Л.М. Диагностика разрушений элементов авиационных двигателей методом топографической интерферометрии //Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем: процессы, модели, эксперимент. Российско - американский научный журнал. - 2002. - Т. 7, №2(14). -- С. 73 -83.

13. Мухин В.М., Щукин А.В., Макаева Р.Х. Разработка технологии диффузионной сварки деталей 1ШМ из жаропрочных листовых сплавов с контролем качества диффузионного соединения //Прогрессивные процессы сварки h машиностроении: Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. -Красноярск, 1991. С. 184- 186.

14. Макаева Р.Х. Диагностика разрушений деталей ГТД с помощью метода топографической интерферометрии //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика: Тез. докл. науч.-техн. ссмин. — Казань, КВВКИУ, 1993. С. 37 - 38.

15. Горюнов JI.B., Касумон Н.В., Макаева Р.Х., Черников С .К., Штырков НИ. Исследонапие спектра собственных частот и форм колебаний рабочего колеса радиально-осевой турбины //Технические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. - Казань, КГТУ им. A.II. Туполева, 1994. С. 17.

16. Горюнов JI.B., Макаева Р.Х. Исследование вибрационных характеристик авиационного подшипника методом голографической интерферометрии //Научно-техническая конференция но итотм работы за 1992-1993 г.г. Г1ИЧ-50 лет: Тез дою/. • - Казань, KI ТУ им. А.П. Туполева, 1994. С. 87.

17. Горюнов JI.B., Макаева Р.Х. Исследование вибрационных характеристик деталей роторов 1ТУ методом голографической интерферометрии //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика: Тез. докл. пауч.-техн. семин. - Казань, КВВКИУ, 1994. С. 25' -27.

18. Кугин Н.М., Макаева Р.Х., Штырков Н.И., Горюнов J1.B. Лазерно-акустичсский метод обнаружения трещин в литых лопатках ГТД //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диаг ностика: Тез. докл. иауч.-техн. семин. - Казань, КВВКИУ, 1994. С. 27 - 28.

19. 1'орюпов JI.B., Сагадеев Р.Г., Макаева Р.Х. Вибрационный анализ компрессорных колее с помощью голографической интерферометрии //Десятая Мсждуиар. науч.-техн. конф. но компрессорной технике: Тез. докл. - Казань, К1ТУ (КХТИ), 1995. С. 170.

20. Горюнов JI.B., Штырков В.И, Черников С.К., Касумов В.В., Макаева Р.Х. Анализ форм колебаний и собственных частот лопатки рабочего колеса турбины методами конечных элементов и голографической интерферометрии //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика: Тез. докл. науч.-техн. семин. - Казань, КВАКНУ, 1995. С. 72 -73.

21. Горюнов JI.В., Штырков Е.И., Макаева Р.Х. Диагностика деталей турбомашин методом голографической интерферометрии //Механика машиностроения: Тез. докл. Междунар. науч.-техн.конф. - Наб. Челны, КамПИ,

1995. С. 122.

22. Горюнов Л.В., Кутин Е.М., Такмовцев В.В., Макаева Р.Х., Бурлаков Л.И., Агачев P.C. Топографическая интерферометрия при анализе причин разрушений подшипников ГТД //Рабочие процессы в охлаждаемых турбомашинах и энергетических установках: Межвуз. сб. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 1995. - С. 121 - 128.

23. Гагай B.C., Горюнов Л.В., Бурлаков Л.И., Макаева Р.Х. Экспериментальное исследование вибрационных характеристик подшипников ГТД методом голографической интерферометрии. //Молодая наука - новому тысячелетию: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Наб. Челны, КамПИ ,

1996. С. 161-162.

24. Гагай B.C., Горюнов Л.В., Бурлаков Л.И., Макаева Р.Х. Экспериментальное исследование вибрационных характеристик деталей и узлов ГТД методом голографической интерферометрии //Динамика и прочность двигателей: Тез. докл. XXVI Междунар. науч.-гехн. совещ. гю динамике и прочности двигателей. - Самара. СГАУ, 1996. С. 417.

25. Горюнов Л.В., Штырков Е.И., Макаева Р.Х. Голографическая интерферометрия при вибродиагностике деталей и узлов ГТД //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика: Тез. докл. 8-й науч.-техн. семин. - Казань, КВАКИУ, 1996. С. 67 - 68.

26. Макаева Р.Х., Каримов А.Х., Фомин М.В. Использование метода голографической интерферометрии для определения вибрационных характеристик диска ротора диспергатора //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика: Тез. докл. 9-й науч.-техн. семин. - Казань, КВАКИУ, 1997. С. 78 - 79.

27. Макаева Р.Х., Кочергин A.B., Кондратьев А.Е. Определение информативной области изделия сложной формы методом голографической интерферометрии //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика: Тез. докл. 9-й науч.-техн. семин. - Казань, КВАКИУ, 1997. С. 77-78.

28. Макаева Р.Х., Норден П.А., Рыжманова A.B. Голографическая интерферометрия и ее применение в машиностроении //Актуальные проблемы научных исследований и вТысшего профессионального образования: ТеЗ. докл. Юбилейной науч. и науч.-метод. конф. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 1997. С. 49..

29. Макаева Р.Х., Фомин М.В., Каримов А.Х. Исследование вибрационных характеристик диска ротора диспергатора по голографическим интерферограммам //Механика машиностроения: Тез. докл. Междунар. науч.-техн.конф,- Наб. Челны, КамПИ, 1997. С. 99 - 100.

30. Макаева Р.Х., Каримов А.Х. Контроль непропая сотовых конструкций методом голографической интерферометрии //Технологические проблемы производства элементов и узлов изделий авиакосмической техники: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 1998. С. 43.

31. Макаева Р.Х., Хабибуллин М.Г., Каримов А.Х. Применение голографической интерферометрии при диагностике лопаток ГТД //Внутрикамерные процессы в энергетических установках. Акустика, диагностика: Тез. докл. 10-йнауч.-техн.семин.—Казань,КВАКИУ, 1998.С. 96-97.

32. Макаева Р.Х., Агачев P.C., Каримов А.Х. Диагностика контакта поверхностей сложных паяных конструкций методом голографической интерферометрии //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика и диагностика: Тез. докл. 11-й науч.-техн. семин. - Казань, КФ ВАУ, 1999. С. 108-109.

33. Агачев P.C., Ахтямов И.Ф., Макаева Р.Х., Фомин М.В., Щукин A.B., Фомин В.М. Роторно-пульсационный аппарат для приготовления водотошшвных эмульсий //Тепловые двигатели в XXI веке: Тез. докл. Всерос. науч. конф. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 1999. С. 76.

34. Агачев P.C., Макаева Р.Х., Орешина Л.Г., Щукин A.B., Фомин В.М. Утилизационный турбоагрегат для гомогенизации молока при перевозке на автомобиле //Тепловые двигатели в XXI веке: Тез. докл. Всерос. науч. конф. -Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 1999. С. 77.

35. Макаева Р.Х., Каримов А.Х., Агачев P.C. Вибрационная диагностика колеса компрессора методом голографической интерферометрии //Тепловые двигатели в XXI веке: Тез. докл. Всерос. науч. конф. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 1999. С. 75.

36. Агачев P.C., Макаева Р.Х., Фомин В.М., Фомин М.В., Щукин A.B. Применение роторно-пульсационного аппарата при переработке нефтепродуктов //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика и диагностика: Тез. докл. 11-й науч.-техн. семин. - Казань, КФ ВАУ, 1999. С. 109-III.

37. Макаева Р.Х., Царева A.M., Гайнеев Ф.И., Каримов А.Х. Применение голографической интерферометрии при диагностике деталей и узлов изделий машиностроения //Состояние и перспективы развития вакуумной техники: Тез. докл. 10-йМеждунар. науч.-техн. конф. - Казань, 2001. С. 144- 145.

38. Макаева Р.Х., Царева A.M., Каримов А.Х. Анализ форм колебаний однородного диска методом голографической интерферометрии //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология: Тез. докл XIII Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. -Казань, КВАКИУ, 2001. С. 280-281.

39. Макаева Р.Х. Применение голографической интерферометрии при анализе причин разрушений деталей //Материалы 23-й школы по голографии. Москва, www. http.//bsfp.media-security.ru/school23,2002 г.

40. Евгеньев С.С., Футин В.А., Каримов А.Х., Макаева Р.Х., Царева A.M. Определение резонансных частот вращения закрытых рабочих колес центробежных компрессоров // Рабочие процессы и технологии двигателей: Тез, докл. Мезвдунар. науч.-техн. конф. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2005. С. 198-200

41. Царева A.M., Макаева Р.Х., Каримов А.Х. Экспериментально-расчетный анализ вибрационных характеристик диска постоянной толщины

//Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий: Материалы XVIII Всерос. межвуз. науч.-техн. конф.. - Казань, 2006, Ч. 1. С. 270 - 272.

42. Макаева Р.Х. Применение топографической интерферометрии в машиностроении //Голография в России и за рубежом. Наука и практика: Сб. трудов четвертой Междунар. науч.-практич. конф. -М., 2007. С. 115 - 116.

43. Макаева Р.Х., Царева A.M., Каримов А.Х. Определение вибрационных характеристик дисков постоянной толщины экспериментально-расчетным методом с применением топографической интерферометрии //Голография в России и за рубежом. Наука и практика: Сб. трудов четвертой Междунар. науч.-практич. конф. - М., 2007. С. 116 - 118.

44. Макаева Р.Х. Диагностика разрушения, технического состояния и неразрушающий контроль деталей турбомашин методом топографической интерферометрии //Голография в России и за рубежом. Наука и практика: Сб. трудов пятой Междунар. науч.-практич. конф. - С-Пб., 2008. С. 105 - 109.

45. Макаева Р.Х. Голография и голографическая интерферометрия в учебном процессе //Совершенствование преподавания в высшей школе: Материалы науч.-метод, конф. - Казань: Изд-во Казан, ун-та, 2002. -С. 325 -328.

46. Макаева Р.Х., Царева A.M. Голография как одно из направлений научно-исследовательской работы студентов //Совершенствование преподавания в высшей школе: Материалы науч.-метод. конф. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2003. - С. 304 - 307.

47. Макаева Р.Х., Царева A.M. О факторах, влияющих на формирование интерференционной структуры при топографических исследованиях //Совершенствование преподавания в высшей школе: Материалы науч.-метод. конф. - Казань: Изд-во Казан.ун-та, 2004. - С.323 - 324.

Патенты на изобретения

48. Патент 2140813 Российская Федерация, 6B01F7/00. Способ акустической обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный акустический аппарат для его осуществления /В.М. Фомин, P.C. Агачев, Р.Х. Макаева и др. - № 98116660/12; заявл. 01.09.1998; опубл. 10.11.1999, Бюл. №31-18 е.: 4 ил.

49. Патент 2142843 Российская Федерация, 6B01F7/28. Способ обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный аппарат для его осуществления /В.М. Фомин, P.C. Агачев, Р.Х. Макаева и др. - № 98116659/12; заявл. 01.09.1998; опубл. 20.12.1999, Бюл. № 35 - 25 с: 8 ил.

50. Патент 2144423 Российская Федерация, 7B01F7/00. Способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате /В.М.Фомин, P.C. Агачев, Р.Х. Макаева и др - № 98116601/12; заявл. 01.09.1998; опубл. 20.01.2000, Бюл. № 2-24 с: 12 ил.

51. Патент 2145255 Российская Федерация, 7B01F7/00. Акустический способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате /В.М.Фомин, P.C. Агачев, Р.Х. Макаева и др.- № 98116661/12, заявл. 01.09.1998; опубл. 10.02.2000, Бюл. №4-35 с: 16ил.

52. Патент 2145517 Российская Федерация, 7B01F7/00. Способ обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный акустический аппарат для его осуществления /В.М. Фомин, P.C. Агачев, Р.Х. Макаева и др. -№ 98116608/12, заявл. 01.09.1998; опубл. 20.02.2000, Бюл. № 5 - 28 с: 16 ил.

53. Патент 2146170 Российская Федерация, 7B01F7/12, 7/28. Акустический роторно-пульсационный аппарат (варианты). /В.М.Фомин, P.C. Агачев, Р.Х. Макаева и др.- № 98116609/12, заявл. 01.09.1998; опубл. 10.03.2000, Бюл. № 7 - 22 с: 11 ил.

54. Патент 2146967 Российская Федерация, 7B01F7/12, 7/28. Роторно-пульсационный акустический аппарат (варианты) /В.М.Фомин, P.C. Агачев, Р.Х. Макаева и др.- № 98116610/12, заявл. 01.09.1998; опубл. 27.03.2000, Бюл. №9-32 с: 18 ил.

55. Патент 2162363 Российская Федерация, 7B01F7/00. Акустический способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате /В.М.Фомин, Р.С.Агачев, Р.Х. Макаева и др.- № 2000102238/12, заявл. 28.01.2000; опубл. 27.01.2001, Бюл. №3-48 с: 21 ил.

56. Патент 2288777 Российская Федерация, 7 B01F 7/00. Акустический способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате /В.М.Фомин, Р.Ш. Аюпов, Р.Х. Макаева, A.M. Царева и др. -№ 2005117678/15; заявл. 07.06.2005; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34 - 31 е.: 26 ил.

57. Патент 2305005 Российская Федерация, B01F7/00, B01F15/00. Роторно-пульсационный акустический аппарат /В.М.Фомин, Р.Ш. Аюпов, Р.Х. Макаева, A.M. Царева и др. - № 2005117679/15; заявл. 07.06.2005; опубл. 27.08.2007, Бюл. № 24 - 11 е.: 10 ил.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 2,25. Усл. печ. л. 2,09. Усл. кр.-отт. 2,09. Уч. изд. л. 2,11.

_Тираж 100. Заказ М85._

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

Введение

Глава 1. Анализ теоретических и экспериментальных работ по определению вибрационных характеристик деталей турбомашин. Голографическая интерферометрия как метод диагностики технического состояния деталей.

1.1. Обоснование выбора направления и объектов исследования.

1.2. Аналитические методы определения собственных частот и форм колебаний стержней, пластин лопаток, дисков турбин и компрессоров.

1.2.1. Свободные поперечные колебания призматических стержней.

1.2.2. Поперечные колебания прямоугольных пластин.

1.2.3. Поперечные колебания круглых пластин.

1.3. Численные методы расчета собственных частот и форм колебаний.

1.4. Определение резонансных частот и форм колебаний лопаток, дисков турбин и компрессоров.

1.4.1. Колебания лопаток.

1.4.2. Расчет колебаний дисков.

1.5. Экспериментальные методы исследований колебаний.

1.5.1. Акустико-топографический метод.

1.5.2. Тензометрический метод.

1.5.3. Голографическая интерферометрия.

1.5.4. Спекл - фотография.

1.5.5. Спекл - интерферометрия.

1.6. Голографическая интерферометрия как способ диагностики технического состояния, разрушения и неразрушающего контроля деталей машиностроения.

1.7. Выводы по главе. Цель и задачи исследований

Глава 2. Общая методика и оборудование голографического эксперимента.

2.1. Общая методика голографического эксперимента.

2.1.1. Выбор оптической схемы записи и восстановления голографических интерферограмм.

2.1.2. Исследование гармонических колебаний шлографическим методом усреднения по времени.

2.1.3. Исследование факторов, влияющих на формирование интерференционной структуры при голографических исследованиях.

2.1.4. Последовательность выполнения голографического эксперимента.

2.2. Техника голографического эксперимента.

2.2.1. Экспериментальные голографические установки.

2.2.2. Источники излучения, применяемые при экспериментах.

2.2.3. Способы крепления объектов исследования, система возбуждения колебаний и контроля резонансных частот с применением компьютерных программ.

2.2.4. Регистрирующие среды.

2.3. Оценка погрешности измерения резонансных частот исследуемых объектов.

2.4. Объекты исследований.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментально - теоретические исследования вибрационных характеристик прямоугольных пластин применительно к лопаткам турбомашин.

3.1. Экспериментальные исследования резонансных частот и форм колебаний прямоугольных консольных пластин постоянной толщины.

3.1.1. Методика исследований.

Систематизированные таблицы форм колебаний.

3.1.2. Исследование порядка появления резонансных форм колебаний прямоугольных пластин с различным соотношением сторон.

3.1.3. Исследование влияния материала, размеров и способа закрепления пластин на резонансные формы и частоты колебаний.

3.2. Экспериментально-аналитические и численные исследования собственных частот и форм колебаний прямоугольных консольных пластин постоянной толщины.

3.2.1. Определение частотных коэффициентов.

3.2.2. Численные исследования собственных частот и форм колебаний прямоугольных пластин.

3.3. Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментально-теоретические исследования вибрационных характеристик круглой пластины постоянной толщины применительно к дискам турбомашин.

4.1. Экспериментальное исследование спектра резонансных частот и форм колебаний круглой пластины постоянной толщины, закреплённой в центре.

4.1.1. Исследование порядка появления резонансных форм колебаний диска.

4.1.2. Исследование влияния размеров и материала диска на формы колебаний.

4.1.3. Кратные формы резонансных колебаний однородного диска.

4.1.4. Влияние способов возбуждения колебаний на частоты и формы колебаний диска.

4.2. Экспериментально-аналитические и численные исследования спектра собственных частот и форм колебаний однородного диска постоянной толщины.

4.2.1. Определение частотных коэффициентов.

4.2.2. Определение собственных частот и форм колебаний диска численным методом.

4.3. Экспериментально-расчетный метод определения резонансных частот и форм колебаний пластин.

4.4. Выводы по главе 4.

Глава 5. Экспериментально-теоретические исследования вибрационных характеристик рабочих лопаток компрессора ГТД, центробежного компрессора и радиально-осевой турбины.

5.1. Экспериментально-теоретические исследования вибрационных характеристик рабочих лопаток компрессора ГТД.

5.1.1. Экспериментальные исследования вибрационных характеристик рабочей лопатки компрессора ГТД.

5.1.2. Расчет собственных частот колебаний лопаток компрессора ГТД по данным прямоугольных пластин.

5.1.3. О влиянии вращения ротора на резонансную частоту колебаний лопаток.

5.2. Особенности колебаний колеса центробежного компрессора с крупными лопатками разной ширины.

5.3. Экспериментально-теоретический анализ вибрационных характеристик лопатки колеса РОТ.

5.4. Выводы по главе 5.

Глава 6. Исследование вибрационных характеристик дисков и рабочих колес турбомашин.

6.1. Исследование вибрационных характеристик облопаченного диска компрессора ГТД.

6.2. Исследование вибрационных характеристик диска ротора диспергатора.

6.3. Исследование вибрационных характеристик закрытых рабочих колес центробежных компрессоров.

6.4. Выводы по главе 6.

Глава 7. Применение голографической интерферометрии для диагностики технического состояния, разрушения и неразрушающего контроля деталей турбомашин.

7.1. Диагностика технического состояния авиационных подшипников качения.

7.2. Диагностика разрушения деталей и узлов авиационных ГТД и изделий машиностроения методом голографической интерферометрии.

7.2.1. Применение голографической интерферометрии при конструкторской доводке рабочих лопаток компрессора ГТД.

7.2.2. Диагностика разрушения крыльчатки обдува генератора авиационного ГТД.

7.2.3. Диагностика разрушения рабочего колеса центробежного компрессора.

7.3. Применение голографической интерферометрии при неразрушающем контроле деталей и узлов турбомашин.

7.3.1. Голографический контроль трещин.

7.3.2. Контроль качества неразъемных соединений методом голографической интерферометрии.

7.3.3. Голографическая идентификация состояния материала лопаток турбины при тепловом воздействии.

7.4 Выводы по главе 7.

Актуальность темы. В авиастроении применяется значительное число турбомашин. К ним в первую очередь относятся авиационные газотурбинные двигатели (ГТД), осевые и центробежные компрессоры, крыльчатки обдува, турбинки наддува и др.

В работающих турбомашинах практически все детали подвергаются вибрациям. При совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой колебаний детали наступает явление резонанса, приводящее к резкому увеличению амплитуды колебаний, переменных напряжений в детали и часто - к последующему разрушению. Поэтому у наиболее ответственных деталей турбомашин (лопаток и дисков) определяются их вибрационные характеристики - собственные частоты и формы колебаний в течение всех этапов создания изделий: проектирования, изготовления и доводки. По результатам определения резонансных (собственных) частот и форм колебаний конструкторскими и технологическими способами проводится отстройка от резонанса. Определение собственных частот и форм колебаний деталей турбомашин и отстройка их от резонанса являются ответственными и необходимыми операциями, от результатов которых зависит техническое состояние и работоспособность турбомашин.

Собственные частоты и формы колебаний определяются аналитическими, численными и экспериментальными методами. Первые два применяются в основном на стадии проектирования, третий - на стадиях изготовления и доводки.

Аналитические методы расчёта, развитые в 30 - 50-х годах прошлого столетия, используются для расчёта вибрационных характеристик тел простой геометрической формы, практически во всех случаях являются приближёнными и достаточно трудоёмкими. Кроме того, они не позволяют определять сложные комбинированные формы колебаний деталей.

Численные методы, особенно с появлением программных комплексов, позволяют определять собственные частоты и формы колебаний деталей сложной формы с меньшей трудоёмкостью. Но для подтверждения достоверности расчётов необходимы экспериментальные данные.

Экспериментальные методы обеспечивают большую точность и достоверность, но достаточно трудоёмкие и требуют специального оборудования.

Из известных экспериментальных методов определения резонансных частот и форм колебаний наибольшие точность и качество позволяют получить методы голографической интерферометрии.

Перспективными считаются комбинированные расчётно-экспериментальные методы определения вибрационных характеристик деталей, обеспечивающие требуемую точность при меньшей трудоёмкости.

Однако следует отметить малое число опубликованных работ по экспериментальным и расчётным исследованиям колебаний лопаток, дисков турбин и компрессоров, крыльчаток, рабочих колёс, по диагностике технического состояния и разрушения деталей методами голографической интерферометрии. Большинство работ описывают лишь отдельные примеры применения голографической интерферометрии, отсутствуют комплексные исследования. Мало опубликованных работ даже по колебаниям консольных прямоугольных и круглых закреплённых в центре пластин, которые могли бы быть опорными при исследованиях колебаний лопаток и дисков турбомашин. Практически отсутствуют работы по развитию комбинированных расчётно-экспериментальных методов.

Поэтому данная работа, посвященная комплексным экспериментально-расчётным" исследованиям собственных (резонансных) частот и форм колебаний деталей и узлов турбомашин с применением голографической интерферометрии и численного метода конечных элементов, является актуальной. На основе этих исследований рассматриваются методы диагностики технического состояния, разрушения и неразрушающего контроля деталей и узлов турбомашин, позволяющие повысить работоспособность изделий.

Исследования проводились в плане выполнения хоздоговоров с авиационными заводами, НИИ и гранта МАИ.

Цель работы: повышение надёжности и работоспособности деталей и узлов турбомашин на основе исследований резонансных (собственных) частот и форм колебаний экспериментально-расчётным методом, диагностики технического состояния, разрушения и неразрушающего контроля с применением голографической интерферометрии.

Задачи исследований:

1. Разработать экспериментальный комплекс для исследования вибрационных характеристик деталей и узлов турбомашин методами голографической интерферометрии усреднения по времени и стробо-голографическим с использованием компьютерных программ.

2. С применением голографической интерферометрии и численного метода конечных элементов провести исследования резонансных (собственных) частот и форм колебаний прямоугольных консольных пластин и закреплённых в центре круглых пластин постоянной толщины применительно к лопаткам и дискам турбомашин. Полученные результаты использовать при исследованиях колебаний лопаток, дисков, крыльчаток, рабочих колес турбомашин.

3. Разработать экспериментально-расчётные методики определения собственных частот и форм колебаний пластин и близких к ним деталей с использованием частотных коэффициентов, а также деталей более сложной формы с применением численного метода конечных элементов и метода голографической интерферометрии, обеспечивающие достаточную точность при уменьшении трудоёмкости.

4. Исследовать особенности колебаний сложных деталей, узлов и сборочных единиц турбомашин, таких как диски монолитные с лопатками, диски с установленными лопатками, рабочие колёса закрытого типа центробежных компрессоров, шарикоподшипники в сборе.

5. Разработать методики диагностики технического состояния, разрушения, неразрушающего контроля типовых деталей и узлов турбомашин: лопаток, дисков, крыльчаток, сотовых, вафельных и сварных конструкций, шарикоподшипников.

6. Результаты исследований применить на производстве и в учебном процессе.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились методами голографической интерферометрии с усреднением по времени и стробоголографическим на специальных голографических установках. Применялись современная регистрирующая аппаратура и компьютерная обработка результатов измерений.

Вычислительные эксперименты выполнялись методом конечных элементов с использованием специального программного комплекса.

Результаты измерений обрабатывались методами математической статистики.

Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях.

Автор защищает:

1. Созданный голографический комплекс для исследования резонансных частот и форм колебаний деталей и узлов турбомашин методами голографической интерферометрии с компьютерной обработкой результатов измерений.

2. Результаты исследований резонансных (собственных) частот и форм колебаний прямоугольных консольных и закреплённых в центре круглых пластин применительно к лопаткам и дискам турбомашин методами голографической интерферометрии и конечных элементов.

3. Экспериментально-расчётные методики определения собственных частот и форм колебаний пластин, лопаток, дисков.

4. Результаты экспериментальных и расчётных исследований резонансных частот и форм колебаний лопаток, дисков, моноколёс, диска компрессора с установленными лопатками, рабочих колёс компрессоров, шарикоподшипников, крыльчаток, диспергаторов.

5. Методики диагностики технического состояния, разрушения, неразрушающего контроля деталей и узлов турбомашин.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением точного когерентно-оптического метода голографической интерферометрии, современной регистрирующей аппаратуры, точных измерительных приборов, компьютерных технологий, применением методов математической статистики, а также хорошим совпадением с результатами измерения другими экспериментальными методами в лабораторных и производственных условиях.

Научная новизна:

1. Методом голографической интерферометрии получены систематизированные по узловым линиям таблицы собственных форм колебаний 5x5 для прямоугольных консольных пластин и бхб для круглых пластин, закрепленных в центре, применительно к лопаткам и дискам турбомашин. Установлены последовательности появления резонансных форм колебаний для 25. .36 первых гармоник.

Полученные таблицы и графические зависимости позволяют исключить пропуски резонансных частот и форм колебаний и служат базовыми при исследованиях вибрационных характеристик лопаток и дисков турбомашин. Предложенные аналитические зависимости расширяют диапазон исследуемых частот.

2. Установлено, что собственные формы колебаний прямоугольных и круглых пластин, последовательность их появления, частотные коэффициенты, резонансные частоты практически не зависят от материала пластин.

Экспериментально-аналитическим способом определены частотные коэффициенты для 25 мод консольных прямоугольных пластин и 36 мод круглых пластин.

Каждой форме собственных колебаний круглых пластин соответствует определённое значение частотного коэффициента, слабо зависящее от размеров и материалов пластин. Аналогичный вывод сделан для чисто изгибных колебаний прямоугольных консольных пластин.

Соотношение размеров сторон прямоугольных пластин не оказывает влияние на частотные коэффициенты при чисто изгибных колебаниях и существенно влияет при появлении крутильных колебаний.

Предложены экспериментально-расчётные методики определения собственных частот и форм колебаний прямоугольных, круглых пластин и близких к ним деталей, позволяющие обеспечить требуемую точность и уменьшить трудоёмкость экспериментальных и расчётных работ.

3. По результатам исследований 40 мод рабочей лопатки компрессора ГТД разработана методика расчёта собственных частот колебаний рабочих лопаток компрессора с использованием результатов исследований колебаний прямоугольных пластин. Построены таблицы, графики, получены аналитические зависимости, позволяющие определять пропущенные формы и частоты резонансных колебаний лопаток, а также их прогнозировать.

4. Экспериментальные исследования колебаний сложных деталей и сборочных единиц турбомашин, таких как диски монолитные с лопатками, диски с установленными лопатками, шарикоподшипники показали, что при одной возбуждающей частоте конструкция совершает сложные колебания: каждый элемент конструкции и конструкция в целом колеблются по своим формам и одновременно оказывают взаимные влияния.

5. Показана возможность применения голографической интерферометрии для диагностики технического состояния и разрушения шарикового подшипника в сборе.

6. Установлены формы колебаний дисков ротора диспергатора и резонансные режимы, увеличивающие степень акустического воздействия на жидкотекучие среды и повышающие качество диспергирования. Новизна разработанных конструкций дисков ротора диспергатора и резонансных режимов подтверждена патентами на изобретения.

7. Исследования колебаний рабочих колес закрытого типа центробежных компрессоров с нечётным числом лопаток позволили выявить возможность появления резонансных колебаний межлопаточных зон, не совпадающих с секторами классических диаметральных форм колебаний дисков.

8. Установлено, что голографическая интерферометрия колеблющейся рабочей лопатки турбины при частотах свыше 25 кГц позволяет определить изменение структуры материала вследствие его перегрева.

Практическая значимость:

1. Созданный голографический экспериментальный комплекс с использованием компьютерных программ позволяет определять резонансные частоты и формы колебаний деталей типа пластин, дисков и сборочных единиц с применением двух методов голографической интерферометрии: усреднения по времени для объектов размерами до 300x300 мм и стробоголографического - до 2х 2 м.

2. Полученные экспериментально таблицы форм колебаний прямоугольных и круглых пластин позволяют прогнозировать последовательность появления резонансных форм колебаний лопаток и дисков турбомашин.

3. Рассчитанные по результатам экспериментов с прямоугольными и круглыми пластинами частотные коэффициенты и графические зависимости могут быть применены при определении резонансных частот деталей, близких к ним по форме.

4. Отлаженные с учетом экспериментальных данных программы расчётов методом конечных элементов позволяют с требуемой точностью определять собственные частоты и формы колебаний пластин, лопаток, дисков и подобных деталей.

5. Подробные исследования вибрационных характеристик лопатки компрессора ГТД показали возможность использования для определения собственных частот и форм их колебаний результатов исследования колебаний прямоугольных консольных пластин.

6. Исследования колебаний сложных конструкций, таких как монодиски, диски компрессора ГТД с установленными лопатками, рабочие колёса закрытого типа центробежных компрессоров, шарикоподшипники и выявленные при этом особенности позволяют прогнозировать появление соответствующих дефектов.

7. Разработаны и апробированы методики применения голографической интерферометрии для диагностики технического состояния, разрушения и неразрушающего контроля деталей и узлов турбомашин: лопаток, дисков турбин и компрессоров, крыльчаток, шарикоподшипников, сварных и паяных соединений, структуры материала.

8. Отработанные по результатам исследований конструкции дисков диспергаторов и резонансные режимы позволили повысить качество диспергирования нефтепродуктов и других жидкотекучих сред.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы в ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ОАО КПП «Авиамотор», ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», ООО Научно-производственного центра «Ивента».

В ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» результаты исследований использованы при выявлении причин разрушения крыльчатки обдува генератора ГТД, определении перегрева материала рабочих лопаток турбины ГТД, неразрушающем контроле непропая сотовых вставок.

В ОАО КПП «Авиамотор» проведена диагностика разрушения уголков рабочих лопаток компрессора ГТД, даны рекомендации по отстройке от резонанса и устранению разрушений. Проведены голографические исследования по диагностике технического состояния шарикового подшипника опоры ГТД, установлены причины разрушения сепаратора подшипника.

В ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» результаты голографических исследований были применены для отстройки рабочих колес центробежного компрессора от резонансных колебаний, приводивших к разрушению, путем изменения их конструкции. Определены дефекты типа непропаев паяных рабочих колес, не обнаруживаемые другими методами.

Результаты исследований резонансных частот и форм колебаний рабочих колёс центробежных компрессоров использованы на производстве при доводке центробежных компрессоров мультипликаторного типа.

В ООО Научно-производственного центра «Ивента» использованы усовершенствованные по результатам голографических исследований диски роторов диспергаторов и установленные резонансные режимы обработки, позволившие повысить качество диспергирования жидкотекучих сред.

Результаты исследований используются в учебном процессе Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях:

Международных - «Механика машиностроения», г. Наб. Челны, 1995; «Десятая Международная научно-техническая конференция по компрессорной технике», г. Казань, 1995; «Динамика и прочность двигателей», г. Самара, 1996; «Молодая наука - новому тысячелетию», г. Наб. Челны, 1996; «Механика машиностроения», г. Наб. Челны, 1997; «Состояние и перспективы развития вакуумной техники», г. Казань, 2001; «Рабочие процессы и технологии двигателей», г. Казань, 2005; «Голография в России и за рубежом. Наука и практика», г. Москва, 2007, г. Санкт-Петербург, 2008;

Всероссийских - «Технические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей», г. Казань, 1994; «Технологические проблемы производства элементов и узлов изделий авиакосмической техники», г. Казань, 1998; «Тепловые двигатели в XXI веке», г. Казань, 1999; «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология», г. Казань, 2001; «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная- акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и I изделий», г. Казань, 2006; региональных - «Научно-техническая конференция по итогам работы за 1992 - 1993 г.г. НИЧ КГТУ им. А.Н. Туполева - 50 лет», г. Казань, 1994; «Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования», г. Казань, 1997; «Совершенствование преподавания в высшей школе» г. Казань, 2003, 2004.

На научно-технических семинарах: «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика» г. Казань, 1993, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999; «Проблемы моделирования и динамики сложных междисциплинарных систем», г. Казань, 2002.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одной монографии, 18 научных статьях (10 статей из Перечня ВАК), 29 тезисах докладов. Получено 10 патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 335 наименований, приложений - актов внедрения и содержит 312 страниц, 139 рисунков, 35 таблиц, 5 актов внедрения.

1.7. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Анализ опубликованных работ по исследуемому вопросу позволяет сделать следующие выводы.

1. При проектировании, изготовлении и доводке турбомашин актуальными вопросами являются определение собственных частот и форм колебаний деталей, позволяющие наметить пути устранения резонансных явлений и связанных с ними возможных разрушений конструкций. Для некоторых турбомашин актуальна обратная задача изыскания резонансных режимов, повышающих эффективность их работы.

2. Аналитические методы расчета собственных частот и форм колебаний развиты для простейших форм деталей, при значительных допущениях, достаточно сложны и требуют экспериментальной проверки.

Численные методы позволяют расширить область применения расчетов на детали сложной формы, однако необходима коррекция по результатам экспериментов.

Экспериментальные методы более точные, но требуют сложного оборудования и достаточно трудоемкие.

Из экспериментальных методов определения собственных форм и частот колебаний наибольшую точность и качество обеспечивают методы голографической интерферометрии.

Перспективными считаются комбинированные экспериментально-расчетные методы определения вибрационных., характеристик деталей на этапах проектирования и изготовления деталей.

3. Малое число работ посвящены расчетным и особенно экспериментальным исследованиям колебаний прямоугольных консольных пластин и круглых пластин, закрепленных в центре, являющимися основополагающими для рассмотрения колебаний лопаток и дисков турбин и компрессоров. В опубликованных работах имеются противоречивые сведения, определяющие необходимость продолжения исследований.

4. Мало опубликованных работ по экспериментальным и расчетным исследованиям собственных форм и частот колебаний лопаток, дисков турбин и компрессоров, крыльчаток и рабочих колес.

5. Практически нет работ, посвященных диагностике технического состояния, разрушения деталей турбомашин методами голографической интерферометрии. Требуют дальнейших исследований технологии применения голографической интерферометрии для неразрушающего контроля деталей.

6. Отсутствуют работы по применению резонансных режимов для повышения эффективности работы турбомашин.

По результатам критического анализа состояния вопроса по исследуемой теме поставлены следующие цель и задачи исследований.

Цель работы. Повышение надежности и работоспособности деталей турбомашин на основе исследований собственных (резонансных) частот и форм колебаний экспериментально-расчетным методом, диагностики технического состояния, разрушения и неразрушающего контроля с применением голографической интерферометрии.

Задачи:

1. Разработать экспериментальный комплекс для исследования вибрационных характеристик деталей и узлов турбомашин методами голографической интерферометрии усреднения по времени и стробо-голографическим с использованием компьютерных программ.

2. С применением голографической интерферометрии и численного метода конечных элементов провести исследования резонансных (собственных) частот и форм колебаний прямоугольных консольных пластин и закрепленных в центре круглых пластин постоянной толщины применительно к лопаткам и дискам турбомашин. Полученные результаты использовать при исследованиях колебаний лопаток, дисков, крыльчаток, рабочих колес турбомашин.

3. Разработать экспериментально-расчетные методы определения собственных частот и форм колебаний пластин и близких к ним деталей, обеспечивающие достаточную точность при уменьшении трудоёмкости.

4. Исследовать особенности колебаний сложных деталей, узлов и сборочных единиц турбомашин, таких как диски монолитные с лопатками, диски с установленными лопаткам, рабочие колёса закрытого типа центробежных компрессоров, шарикоподшипники в сборе.

5. Исследовать резонансные режимы работы диспергаторов с целью повышения эффективности диспергирования жидкотекучих сред.

6. Разработать технологии диагностики технического состояния, разрушения, неразрушающего контроля типовых деталей и узлов турбомашин: лопаток, дисков, крыльчаток, сотовых, вафельных и сварных конструкций, шаршсоподшипников.

7. Результаты исследований применить на производстве и в учебном процессе.

Глава 2. ОБЩАЯ МЕТОДИКА И ОБОРУДОВАНИЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Для определения вибрационных характеристик деталей турбомашин разработан голографический экспериментальный комплекс, включающий три голографические установки на базе лазеров непрерывного и импульсного излучения, приспособлений для крепления исследуемых объектов и возбуждения колебаний, приборного комплекса для контроля и анализа резонансных характеристик.

2.1. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1.1. ВЫБОР ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЗАПИСИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРОГРАММ

Для получения голографических интерферограмм в работе использовалась оптическая двухлучевая схема (рис. 2.1) регистрации интерферограмм Лейта-Упатниекса [315]. Принцип работы её заключается в следующем.

Луч от источника непрерывного когерентного излучения 1 разделяется светоделителем 2 на объектный и опорный. Объектный луч, расширенный короткофокусной линзой 3, освещает исследуемый объект 4. Отраженная от него волна попадает на фотопластинку 5. Одновременно на плоскость фотопластинки направляется опорный пучок, сформированный поворотными зеркалами 6, 8 и линзой 7. Этот пучок образует однородный когерентный фон, необходимый для записи интерференционной микроструктуры в фотослое. На поверхности фотопластинки 5 в результате интерференции устанавливается стационарное распределение освещенности в виде системы эквидистантных параллельных (в случае плоской волны) полос или концентрических колец (в случае сферической волны).

Клинообразный нейтральный светофильтр 9 используется для получения необходимого соотношения интенсивностей опорного и объектного пучков 10:1 (интенсивность света измерялась с помощью люксметра).

Выбор такой оптической схемы с минимальным количеством оптических элементов был определен по следующим соображениям: взаимные смещения элементов схемы во время экспозиции не должны превышать долей длины волны используемого света. Нарушение этого условия ведет к уменьшению контрастности или полному исчезновению интерференционной картины.

При голографировании сложного объекта рассеянное им волновое поле в соответствии с теоремой Фурье [240] представляется в виде совокупности плоских волн. Плоскую монохроматическую волну описывают формулой

E{rit) = A{r)cos[cot + (p0{r)'\, (2.1) где А(г) - амплитудное значение светового вектора Е в данной точке пространства; г- радиус-вектор, абсолютное значение которого- равно расстоянию от источника излучения до рассматриваемой точки волнового поля; СО - круговая частота, связанная с частотой V, периодом Т и длиной волны Л соотношением О) = 2лv = 2л /Т = 2ли / Я, где и - скорость распространения света в данной среде; \cot + (pQ (г)] - фаза колебаний; (р0 (г) — начальная фаза колебаний в данной точке пространства:

Po(r) = (8~kr), здесь д — фаза колебаний в начальный момент времени, к — волновой вектор, модуль которого равен к = 2п /Я.

Окончательно уравнение плоской волны (2.1) записывается в виде

E(r, t) = A(r) cos {со -t + S- кг). Интенсивность / света пропорциональна квадрату амплитуды » <А2>.

Каждая из плоских волн при интерференции с опорной волной создает на фотопластинке свою систему интерференционных полос с характерными для нее ориентацией и пространственным периодом. После проявления на голограмме образуется совокупность дифракционных решеток с синусоидальным пропусканием. На рис.2.2 показано распределение освещенности в виде полос, ориентированных перпендикулярно плоскости чертежа [33].

Зависимость интенсивности от координаты х выражается формулой х) = 1{+12+ 24Ц; cosЩх), (2.2) где I j и /2 - интенсивности предметной и опорной волн; A(x)=xsin#'разность их хода. Расстояние между соседними полосами равно

2л

1(х)

Рис.2.2. Получение интерференционной микроструктуры при записи голограммы плоской волны d = Я

2.3) к sin0' sin^'

Структура зарегистрированных на голограмме интерференционных полос содержит информацию о распределении фаз световых колебаний в предметной волне.

Регистрация голограмм осуществлялась на высокоразрешающих фотопластинках типа BPJI, Микрат ЛОИ-2 и ПФГ-003.

На стадии восстановления полученную голограмму освещали плоской волной, идентичной с опорной. Схема восстановления голограмм представляет собой схему записи с перекрытым объектным пучком. На рис. 2.1 ход лучей при восстановлении голограммы показан пунктиром.

Голограмма подобно дифракционной решетке с синусоидальным пропусканием образует три главных максимума т = 0, ± 1. Максимумы остальных порядков имеют малую интенсивность, поэтому ими можно пренебречь. Дифрагированные волны образуют мнимое и действительное изображения, хорошо разделенные в пространстве, что позволяет без помех наблюдать их. Восстановленное мнимое изображение, полностью идентичное с реальным объектом, фотографировалось фотоаппаратом Зенит TTL, позднее — цифровой камерой «Olympus» (позиция 10 на рис. 2.1).

Основные уравнения голографии и способы получения различных типов голограмм приводятся в работах [41, 56, 78, 108, 130, 169, 185, 186,187, 250, 298,309,314].

2.1.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

УСРЕДНЕНИЯ ПО ВРЕМЕНИ

В главе 1 рассмотрены различные методы голографической интерферометрии. Для исследования нормальных гармонических колебаний объектов, в основном, применяется метод усреднения по времени. Этот метод был применен и в наших исследованиях. Суть его заключается в следующем.

Во время голографической записи-вибрирующего объекта, как.правило, длительность экспозиции превышает период колебаний. На голограмме регистрируются волны, рассеянные этим объектом во всех состояниях, которые он последовательно проходит, при этом происходит усреднение комплексной амплитуды световой волны [83, 187]. Восстановленные голограммой волны образуют интерференционную картину, дающую представление о характере движения различных точек объекта.

Вклад в общую экспозицию различных положений объекта будет определяться скоростью, с которой объект проходит через эти положения.

В крайних амплитудных положениях объект останавливается и скорость вблизи этих положений мала (рис.2.3). Вклад этих двух состояний объекта в общую экспозицию будет максимален. Полученную голограмму можно рассматривать как соответствующую двум амплитудным положениям объекта. Одновременно восстанавливаясь, волны, являющиеся копиями

Рис.2.3. С увеличением амплитуды колебаний объекта уменьшается время, в течение которого он находится в крайних амплитудных положениях [187] объектных волн, существовавших в разное время, интерферируют. Восстановленное изображение объекта окажется перерезанным интерференционными полосами, объединяющими точки, колеблющиеся с одинаковой амплитудой.

Неподвижные участки объекта — узловые линии - будут иметь максимальную яркость, поскольку втечение всей экспозиции эти точки объекта были неподвижными. Точки, для которых разность хода волн, рассеянных объектом в его- амплитудных положениях составляет нечетное число полуволн, дадут минимумы интенсивности и будут соответствовать серединам темных полос. А точки, для которых разность хода составляет четное число полуволн, будут образовывать светлые полосы - максимумы интенсивности. Интенсивности этих максимумов будут убывать по мере увеличения амплитуды колебаний (рис. 2.3), поскольку с ростом амплитуды сокращается время, в течение которого объект находился в крайнем амплитудном положении.

Впервые эффект усреднения по времени световых волн, отраженных вибрирующей поверхностью, был использован [324] для интерферометрического анализа вибраций пьезокристаллов. Было показано, что распределение яркости по исследуемой поверхности, наблюдаемое на выходе интерферометра, описывается функцией = /0[1+У0(4я^/А)], (2.4) где J0 - функция Бесселя нулевого порядка, А - амплитуда колебаний, Л -длина световой волны. Теория метода голографической интерферометрии с усреднением по времени подробно описана в работах [41, 56, 104, 187, 188,214, 325].

Интерференционные полосы, наблюдаемые на восстановленном изображении, объединяют точки поверхности одинаковых смещений. По интерферограммам можно определять напряженно-деформированное состояние исследуемой детали. В таблице 2.1 [188] представлены значения амплитуд для первых 15 темных полос на голографических интеферограммах вибрирующих объектов, визуализированных методом усреднения по времени. Данные приведены при использовании лазера с длиной волны излучения Л = 0,63 мкм.

1. Анализ когерентных свойств источников света показывает, что только лазеры удовлетворяют всем условиям, необходимым для получения качественной голограммы. Поэтому голографическая установка оснащена оптическим квантовым генератором — лазером.

2. Известно, что в лазерном резонаторе устанавливаются поперечные стоячие волны, обозначаемые ТЕМ (transverse electro-magnetic).

3. Для голографических исследований крупногабаритных объектов на передвижной установке использовался импульсный рубиновый лазер в. Технические характеристики его приведены в табл. 2.2;

4. Применения данного лазера позволило исследовать вибрационные, характеристики крупногабаритных объектов, таких как облопаченные диски турбины и компрессора ГТД, корпусы летательных аппаратов и др.

5. Наименование параметра Значение параметра

6. Длина волны лазерного излучения, мкм 0,69

7. Энергия излучения в режиме ТЕМооь Дж/имп. 0,6

8. Длительность импульса на уровне 0,5, не 701. Диапазон регулировкимежимпульсного интервала, мке 50-100

9. Длина когерентности, м 2,5

10. Размер регистрируемой сцены, м 2x2

11. Вставки 1 жестко зажимали замок лопатки 2 с помощью клина 3 и рычага 4 с усилием Р\. Колебания возбуждались пьезоэлектрическим вибратором 5, подведенным к вставкам 1 с усилием Р2.

12. Рис. 2.9. Лопатка турбины ГТД в зажимном приспособлениии нт

13. Рис. 2.10. Схема приспособления

14. От вибратора колебания передавались последовательно к вставке и лопатке. На вибратор подавалось напряжение с выхода звукового генератора ГЗ-109.

15. Схема крепления рабочих колёс турбомашин представлена на рис. 2.11.

16. Колесо 1 насаживалось на стержень 2, приваренный к массивной станине 3, и зажималось гайкой 4. Пьезоэлектрический вибратор 5 подводился к стержню 2.

17. Если же смещения будут достаточно велики (порядка нескольких длин волн X), то такие смещения выходят за рамки чувствительности топографического метода. Поэтому при выполнении эксперимента необходимо жесткое крепление объектов исследования.

18. Настоящий аппаратурный комплекс, с помощью которого осуществлялось вибрационное нагружение деталей и контролировались параметры колебаний, представлен в виде блок схемы на рис. 2.12.

19. Рис. 2.12. Блок-схема возбуждения колебаний и контроля резонансных частот объектов

20. Рис.2.13. Демонстрация применения компьютерной программы

21. В работе использовались различные программы анализаторов спектра, предложенные на сайтах Internet.

22. Диапазон измеряемых частот составил 10 44000 Гц. Цена деления частотной шкалы регулировалась командой ZOOM. Значение частоты сигнала получали, подводя курсор мышки в выбранную точку кривой сигнала.

23. В голографии для записи интерференционной микроструктуры применяются различные среды: галогенидосеребряные фотослои (пластинкии пленки), фототермопластические носители, фоторефрактивные кристаллы 60, 164,216.

24. Подбор фотоматериала для проведения экспериментальных работосуществлялся таким образом, чтобы максимальная чувствительность фотоматериала была для длины волны лазерного излучения Я = 0, 6328 мкм.

25. Голограммы, зарегистрированные на фотопластинке, обрабатывались в проявителе Д 19 (контрастный проявитель).

26. В ходе выполнения экспериментов было проведено исследование воспроизводимости замеров резонансных частот колебаний эталонного диска постоянной толщины и лопаток турбины I ступени, по стандартным методикам 260. определены погрешности измерений.

27. Теория случайных погрешностей, основанная на математической статистике и теории вероятностей, позволяет по данным измерений вычислить наиболее вероятное значение измеренной величины и оценить погрешность измерений.

28. Было выполнено п — 25 измерений- значений частоты /.■ Среднее арифметическое значение частоты определялось по формуле:

29. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ1. ИССЛЕДУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ1 ^1. П /=I

30. Среднее квадратическое отклонение отдельного измерения от среднего арифметического1. Z О»-/,)ср

31. Средняя квадратичная погрешность среднего арифметического значения связана со средним квадратическим отклонением отдельного измерения соотношениемs ап

32. При доверительной вероятности р = 0,95 и числе измерений п 25 значение коэффициента Стьюдента t = 2,060 260. Случайная погрешность определялась по формулеs ~а''р-п -S -tf~ 4~п '

33. Систематическая погрешность измерения частоты, определяемая возможностями применяемой программы, составляет 0=1 Гц.

34. Полуширина доверительного интервала абсолютная погрешность измерения частоты - определялась по формуле1. А/* + Б/

35. Относительная погрешность измерений равна1. Sf = — -100%. f1. J ср

36. Результат измерения частоты /=(10607,6 ±18,88) Гц /7 = 0,95, и =25, <^=0,2%.

37. Рис. 2. 14. Голографические интерферограммы форм колебаний лопатки турбины 1-й ступени ГТД

38. В табл. 2.6 представлены результаты исследования воспроизводимости измерений резонансных частот лопаток.