автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка методики диагностики лопаток турбины газотурбинного двигателя методом свободных колебаний

НБ

А О ИЮП I"5

На правах рукописи

Ившин Игорь Владимирович

Разработка методики диагностики лопаток турбины газотурбинного двигателя методом свободных колебаний

Специальность 05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 1395

РсииТа ЕЫииЛКсНЗ Б КаЗЗНСКиМ ВЫСшвМ АрТИЛЛбрИПОКиМ КиМЗНДНО Инженерном Учшгкще имени маршала артиллерии М.Н.Чистякова

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Кочергин А.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Костерин В.А.

кандидат технических наук, Бурлаков Л.К.

Ведущая организация:- Казанское Моторостроительное Производственное Объединение.

Залдета состоится _ 1995 г. в

" /У" часов на заседании диссертационного совета К.063.43.01 Казанского гсгударственного технического университета имени А.Н.Туполева (420111, г.Казань, ул.К.Маркса,10).

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке КГТУ. Автореферат разослан " 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 063.43.С1

—у Л. Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Надежная и безопасная эксплуатация авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) во многом зависит от конструктивного совершенства, качества изготовления и поддержания в исправном состоянии основных его элементов, применения на всех стадиях их жизненного цикла высокочувствительных методов неразрушзще-го контроля. К наиболее ответственным элементам двигателя, от которых в значительной степени зависит его работоспособность относятся лопатки турбины, которые работают в жестких условиях высоких температур, испытывают воздействие агрессивных сред, напряжения растяжения, изгиба и кручения. Повреждение или разрушение лопаток турбины может привести не только.к потере работоспособности двигателя, но и к катастрофе. Ва^.но, используя методы неразрушащего контроля, выявить зарождение дефекта на ранней стадии изготовления лопатки, обеспечивая качество выпускаемой продукции и снижая её себестоимость, не менее важно обнаружить дефект в процессе эксплуатации и -предотвратить возможные аварии и катастрофы. Однако, применяемые в авиастроении, методы неразрушащего контроля не в полной мере отвечаю? возрастающие требованиям по чувствительности, трудоемкости, автоматизации процесса контроля, страдают субъективностью в принятии решения, а некоторые из них являются экологически вредными.

В настоящее время отсутствуют эффективные методы неразрушащего контроля способные однозначно еыявлять такие дефекты в заготовках лопаток турбины, как внутренние, нераскрытые и малораскрытые трещины. Из-за особенностей строения охлаждаемых и полых лопаток турбин не решена проблема определения дефектов кх внутренних поверхностей. Отсутствуют эффективные методы и методики контроля лопаток турбины непосредственно на двигателях в процессе производства и эксплуатации.

Разработка и применение более чувствительных.и совершенных методов контроля технического состояния, наряду с существующий методами, позволит решить имеющиеся проблемы и улучшить положение с обеспечением надежности авиационных двигателей.

Цель исследований. Целью исследований является разработка методики диагностики лопаток турбины ГТД методом свободных колебаний.

Цель достигается решением следующих задач:

1. Проведением теоретических исследований по выявлению наиболее эффективного диагностического признака для определения дефектов методом свободных колебаний.

2. Проведением теоретических исследований по влиянию изменения

-Ч-

мзссы заготовок турбинных лопаток и трещин различных рззмеров на АЧХ собственных колебании в двух контрольных точках.

3. Разработкой и созданием экспериментального акустического измерительного диагностического комплекса (ЭАИДК).

4. Получением экспериментальных данных об акустических характеристик; исправных и дефектных объектов исследований. •

5. Экспериментальным определением влияния изменения массы 'заготовок лопаток на результаты диагностики; разработкой предложений по учету з::к влияний. • ■

6. Получением экспериментальных данных об акустических характеристиках исправных и д?фе::тных лопаток в двух контрольных точках. Разработкой нового способа поиска дефектов и системы диагностирования лопаток турбины.

7. Разработкой . методики . контроля технического состоянш лопаток турбины ГТД. •

Метод исследований. Теоретическая часть работы выполнена с использованием теории колебаний упругих систем. Расчеты проводились методом конечных элементов в варианте метода перемещений. В основе экспериментальной части лежат акустические измерения. При анализе результатов исследовании применялись методы робастной обработки сигналов, спектрального анализа, математической статистики с использованием ЭВМ.

.Научная новизна результатов, полученных автором, заключается -в том, что:

- впервые произведены численные расчеты частот собственных колебаний заготовок лопаток методом конечных элементов и выявлено влияние изменен:« массы лопаток и дефектов на АЧХ;

- разработан новый способ определения дефектов;

- впервые методом свободных колебаний определено изменение структуры материала лопатки турбины;

- разработан экспериментальный акустический диагностический комплекс;

- разработана методика диагностики лопаток турбийы с использованием нового, более-.чувствительного способа определения дефектов.

Практическая ценность состоит в том, что разработанная /методика диагностики и созданный экспериментальный акустический диагностический комплекс позволяет выявлять:

-.трещины размером ст 1мм и более на выходной кромке пера лопатки турбины, каменейте геометрии пера-лопатки турбины;

- изменение структуры материала пера лопатки, дефекты внутренней полости сопловых лопаток и позволит улучшить положение в техни-

ческой диагностике ГТД на производстве и в эксплуатации..

Р'е а л и з а ц и я. Результаты работы были использованы в Конструкторско-производственном государственном предприятии "Авиамотор" и Казанском моторостроительном производственном объединен;:".. Имеются акты о реализации результатов исследовании, приведенные н приложении к диссертации. Величина экономической эффективности исследований будет установлена з процессе применения методики диегнсс-тики лопаток турбины методом свободных колебаний при производстве.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на конференции Международного конгресса "Экологически безопасные процессы в промышленности, строительстве и в тепловых энергоустановках" в 1994 г., на Всероссийской научно-технической конференции "Техническое обеспечение создания и развития воздухнс-транспортных средств" в 1994г., на 11 Поволжской конференции по нерззрусз:-:се.,<!у контролю и технической диагностики з 1994 г., на Всероссийском постоянно действующем семинаре Саратовского ВЕКИУ РВ, научных конференциях и научных семинара;'. Казанского БАККУ в 1993-1935 гг, на технических семинарах Казанского Моторостроительного Производственного Объединения , Казанского Проектного Государственного Предприятия "АВИАШТОР" в 1993- -1995 гг, на научно-техштческои конференции Казанского Инженерно-Строительного Института в 1995 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. Из'них 1 статья, 9 тезисов докладов, 1 авторское свидетельство нз полезную модель. Оформлен нзучно-технический отчет по НИР.

Структура и объем диссертации:

Диссертация с приложениями изложена на 184 листах мзсинописнс-го текста, в том числе основной текст на 126 листах. Она состоит из ьв&дения, 5 глав, заключения, спискз литературы, включающего 155 наименований и 4 приложений. В диссертации содержится 58 рисунксв и 14 таблиц.

Автор защищает:

- результаты математического моделирования, определяющие влияние изменение массы изделия и дефектов на амплитудно-частотные характеристики собственных колебаний лопаток;

- экспериментальные установки и экспериментальный, а^г/сг^ескпй измерительный диагностический комплекс;'

- способ определения дефектов е изделиях слолкой'фермы с использованием двух микрофонов;

- систему поиска и идентификации дефекта;

- методику диагностики лопаток турбины методом свободных ксле-5ачий; •

- результаты экспериментальных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность теш, излагается целе вал установка работы и её краткая характеристика. Первая глава. Состояние вопроса исследований.

Методы неразрушающего контроля в зависимости от физичесга явлений, положенных в их осноеу, подразделяются на акустические капиллярные, магнитные, оптические, радиационные, радиоволновьк тепловые, течеисканием, электрические, электромагнитные (вихретокс Еые). Основными требованиями, предъявляемыми к методам неразрушал щего контроля, являются точность, технологичность, простота и чувс твительность, объективность, максимальная автоматизация процесс; возможность регистрации результатов контроля в документальной фо] ме, экологическая чистота. Наиболее полно этим требованиям удовле' воряют акустические методы, а среди них, по мнению автора, наибол! приемлемым, привлекательным и перспективным для диагностики лопат« газотурбинных авиационных двигателей является метод свободных кол. баний. Сущность метода свободных колебаний заключается в возбувд нии в диагностируемом изделии упругих колебаний путем нормирован» го кратковременного механического воздействия, регистрации co6i твенных колебаний после снятия возбуждающей силы, сравнении пол; ченных колебаний с использованием целевых функций с колебания] эталонного исправного изделия, принятии решения о наличии или о сутствии дефекта. Наличие в изделии дефектов (трещин, ракови несплошностей материала, сколов, забоин и т.д.) приводит: к измен нип распределения колебательной энергии по частотным модам соб ТЕенных колебаний изделия; к изменению скорости затухания колебан из-за эффекта диссипации энергии на дефектах; к изменению соотнош ний амплитуд колебаний на собственных частотах в различны); точк изделия. Для реализации метода свободных колебаний в настоящее вр мл создана серия акустических дефектоскопов АД-21, АД-42, АД-50 АД-50УК, АД-бОС, приборы серии "ЗЕУК", "Допуск". Однако схемное р шение дефектоскопов, а также применяемые способы определения дефе тов не позволяют с достаточной чувствительностью выявлять распол женные на различной глубина дефекты в изделиях произвольной формы размеров при единообразной настройке приборов.

В акустической лаборатории КВАКИУ для диагностики издел сложной формы методом свободных колебаний создан акустический ди= костическ^й, разработаны программное обеспечение, методики диагнс тики рабочих лопаток компрессора ГТД и сварных швов камеры сгое

;ия. С применением данных методик определяются такие дефекта лопарок компрессора, как трещины на выходной кромке пера с размерами от .5 мм до 25 мм, нарушение геометрических размеров, обеспечивается ¡ыявление дефектов сварного ста камеры сгорания ГТД типа непровар ;о 10 мм, прорези глубиной до 1 мм и длиной 10 мм. Однако, возрастающие требования к чувствительности и надежности определения дефектов, расширен™ возможностей определения различных видов дефектов, а также некоторые особенности изделий, влияющие на применение ¡етода свободных колебаний, предполагают дальнейшее совершенствование этого метода, разработку и применение новых способов определения дефектов, более совершенных методик проведения диагностики. В зчестве объекта исследовании выбраны лопатки турбины ГТД "НК-3-2У. особенности конструкции лопаток, применяемые для изготовления жаропрочные материалы не позволяют традиционным методам неразрузающе-•о контроля гарантировать выявление всех возникающей дефектов и грогнозировать состояние изделий. Возникновение на начальных стадиях производства микродефектов типа нераскрыгк и мзлораскрьгтых тре-3/тны на выходной кромке пера лопатки, нарушение структуры материала 'ребует применения высокочувствительных методов неразрушающего интроля на стадии заготовок лопаток сразу после отливки.

Анализ уровня развития и применения известных методов нераз-)уиаощего контроля, проблем диагностики лопаток турбины ГТД позво-1ил определить цель и задачи исследований.

Вторая глав-а.

Численные исследования влияния параметров и дефектов лопаток турбины ГТД на их амплитудно-частотные характеристики.

Целью построения математической модели лопатки турбины и прошения численных исследований являлось:

1. Прс-зести теоретические исследования влияния отклонений массы ¡аготовки лопатки от номинального значения на частоты собственных 'пругих Форм колебаний.

2. Провести теоретические исследования по влиянию дефекта -типа трещина на выходной кромке пера лопатки 1-а частоту и амплитуду тобстзенкых колебаний, выявить наиболее чувствительный диагности-геский признак.

3. Провести теоретические исследования влияния дефектов типа трепцта на соотношение амплитуд собственных упругих форм колебанкй ! контрольных точках пера лопатки.

В качестве методз численного анализа был принят метод конечных ¡лементов (кэ) в варианте метода перемещений (на основе функционала 1агранжа). Дискретная модель лопатки строилась с использованием

-<У-

двух типов конечных элементов. Первый тип - трехугольный трехузло-еой плоский элемент оболочки постоянной толщины с шестью узловыми степенями свободы, второй тип - стандартный конечный пространственный брус такие с шестью -узловыми степенями свободы.

Расчеты проводились с~ помощью автоматизированной расчетной системы Суперэлементный Метод Расчета Авиационных Кон '.тру-щий (СУМРАК-ПК) в сотрудничестве с коллективом отраслевой НИЛ САПР вертолетных конструкции Казанского инженерно-строительного института.

Во Есех расчетах были приняты два вида расчетных моделей, отличающихся числом конечных элементов на выходной кромке пера лопатки. Расчетные характеристики модели первого вида следующие: число расчетных, узлов модели- 153, число конечных элементов оболочеч-ных- 224, КЭ брус,а- 50.

Расчетные характеристики модели второго гида ; число расчетных узлов модели- 533, число конечных элементов ободочечных- 933, КЭ бруса- 60.

Расчеты проводились для лопаток, находящихся в свободном состоят::! в полосе' частот от 1 до 20 кГц в три этапа.

На первом этапе расчетов использовалась модель первого вида. Численный анализ проведен при изменениях массы бандажной полки в пределах от 'ы до 100 г с шагом-в 5 г и при изменениях массы замка от 255 г до 285 г с шагом в 10 г. Определены значения частот упругих форм собственных колебаний при изменениях массы. ' -

На втором этапе расчеты проводились с использованием модели второго ввда. Рассмотрены три варианта положения трещины на выходной кромке пера лопатки под бандажем,- в центральной части и около гамкз. Размеры трещин задавались 0.729; 2.325; 3,985; 5.611; 7.219; Б.85мм. Трещины в расчетную модель вводились при помощи раздвоения уелоЕ, принадлежащих соответствующим сечениям. Для каждого варианта рассч-тывались собственные частоты колебаний лопатки.

На третьем этапе рзсчетов использовалась модель второго вида, авансировались амплитудно-частотные характеристики. Анализ амплитуд проводился на собственных частотах для двух контрольных, .точек, расположены« на расстоянии 6 мм от края пера лопатки : первая под ба-:дамем,' вторая, около замка.' Рассматривались модель исправной лопатки и модель с трещиной размером 0.729 мм на выходной кром.:е в различных местах пера лопатки. . Приведены расчеты отношения амплитуд на собственных частотах и их логарифмы для двух указанных . точек. Графики изменения характеристики сравнения амплитуд колебаний I двух контрольных точках для исправной дефектной лопатск представлень на рис.1. Из графиков видног что характеристики сравнения для исп-

равной и дефектной лопаток отличаются между собой на определенны;-: интервалах частот.

По результатам произведенных расчетов сделаны следующие выводы: 1. При проведен™ диагностики технтеского состояния заготовок лопаток турбины, имеющие различную массу, необходимо формировать выборку лопаток, отличающихся по массе между собой не более 10 г.

2. Возможно определение дефектов типа трещина от 5 мм и более методом свободных колебания, используя в качестве диагностического дензнака изменение частоты собственных колебаний.

3. Дефекты типа трещина размером более 1 мм изменяют амплитуду колебаний лопатки, что позволит использовать это изменение е кз-1естве диагностического признака при сравнении спектров исправной и ;ефектноп лопаток для обнаружения'дефекта.

4. Дефекты типа трещина размером от 1 мм к более оказывают ¡лияние на амплитудно-частотные характеристики лопатки турбины в голосе частот от 10 до 13 кГц, что позволяет выявить их, используя юотношение амплитуд в контрольных точках лопатки.

5. Амплитуда колебаний является более чувствительной характе-шстикой колебаний к дефектам типа трещина и её целесообразно ис-юльзовать в качестве диагностического признака при диагностике ло-;аток турбины. - ■

Третья глава.

Экспериментальный акустический измерительный диагностический омплекс (ЭАИДК) и способы определения дефектов.

Для достижения цели экспериментальных'исследований в акусти-еской лаборатории КВАКИУ был разработан и создан ЭАИДК в составе кспериментзльных установок (ЭУ), измерителько-диагнсстичесюто омплекса (ИДК), разработан комплект прикладных програ-.ii/ для персо-альной профессиональной ЭВМ (ПЭВМ) IEM PC/AT.

Разработанные и созданные экспериментальные установки сбеспе-ил'и необходимые условия для исследований акустических лзрактерис-як. лопаток турбины методом свободных колебаний, проведения диаг-эстики "одномикрофонным" способом, разработку и применение нового гособа с использованием двух микрофонов для поиска, обнаруж-япя и ;ентификзции дефектов турбинных лопаток.

На измеритель но-диагностический комплекс, разработанный к сое-1Н!шй коллективом акустической лаборатории, получено азтсрсксе шдетельство на полезную модель. Принципиальная блочная о/емз змллеюса. приведена .на рис. 2.

ИДК состоит иэ систем регистрации и сбрзСэтки скгнзлое, Огков-ми элементами системы регистрации является конденсаторные микро-

-/си-

фоны фирмы RFT и Брюль и Къер с размерами чувствительных элементе 1 и 2 дюйма 1,2, 14-ти канальный магнитограф 5, звуковой генератс 6, блок управления электроударником 7. Микрофоны'измерительного к; нала позволяют измерять звуковые давления до 172 дБ в частотном д1 ааааоне от 20 до 40 ООО Гц. Система обработки сигналов состоит i двух независимых систем (см. рис.2): автоматизированной с использ; ванием анализатора спектра СК-72 12, ПЭВМ "Искра" 15 и автоыатиче« кой с использованием 14-ти канального десятиразрядного АЦП 17 и К IBM PC/AT 18 с принтером 19.

ЭАИДК в целом позволил разработать и реализовать два cnocoi поиска дефектов в сложных изделиях, относящихся к методу свободн: колебаний:

1."Одномикрофонный" способ, основанный на сравнении амплитуды спектров контролируемых изделий с эталонным спектром заведомо ис равного изделия данного типа.

2."Двухмикрофонный" способ, "основанный на сравнении амплитудн спектров в двух контрольных точках исследуемого изделия. На данн способ подано заявление на патент и'получено положительное решен от отдела предварительной экспертизы.

Для сравнения спектров использовались следующие целевые фун ции сравнения и характеристики:.

1. Площадь спектрз. г

Оценка площади спектра производилась численным интегрировали амплитуды по дискретным частотам обобщенным методом парабол ( мет Симпсона ) с точностью до мультипликативной константы, равной шг дискретизации част'от: ,

frp • '

Scn - 5 &i(f) df,

О

где at -амплитуда колебайвд на i -частоте, f -частота колебаг

2. Корреляция между спектрами.

Корреляция между проверяемым и эталонным спектрами оценивав ся: - стандартной оценкой:■

Гст - (M(X3Xi)-MXs-.MXi) / бкэ-бх!, где МХэ -математическое ожидание величин эталонного спектр; MX,-» тематическое ожидание величин текущего спектра; 6xs,6xi -средне вадратические отглоненг-я величин эталонного и текущего спектров.

- непараыетрической.оценкой:'

гнп - 1-(б1(гапкХэ3 " rank Xi3)2/N '/(К£-1),

1-1 •••••-•

- и-

где rank Хэ3 -ранг числа в вариационном ряду эталонного спектра, галк'л!3 -ранг числа в вариационном ряду текущего спектра; Н -объем Выборга.

3. Статистика амплитуд.

Статистика амплитуд вычисляется как сумма логарифмов отношений амплитуды проверяемого спектра к амплитуде эталонного спектра на всех дискретных частотах:

п

Аст= £ lgfei/aa), 1-1

где at -амплитуда на i частоте текущего спектра; аэ -а1,;плнтудз на i частоте эталонного спектра.

4. Ранговая сумма Вилкоксона-Имана. ■ .

Вычисляется как суммз рангов амплитуд текущего спектрз в его

смеси с эталонным.

5. Знаковые ранги Вилкоксона-Иманз.

Вычисляется как сумма рангов положительных амплитуд разности :>-го спектрз в вариационном ряду модулей его амплитуд.

5. Статистика знаков (Фишера).

Вычисляется как количество чзстот положительной амплитуды рзз-ностного спектра.

.Четвертая глзв а.

Экспериментальные исследования и анализ акустических характеристик лопаток турбины и их диагностика методом свободных колебаний.

Перед проведением экспериментов проведена-оценка повторяемости экспериментов и сделан вывод, что' экспериментальные установки, система измерений и методика обработки сигналов обеспечивают воспроизводимость результатов. Среднеквадратическая погрешность результатов измрений звукового давления составила бцЭм.= 1.53 дб.

Экспериментальные исследования проводились сериями в соответствии с поставленными задачами.

Объектами первой серии экспериментов явились 150 равноосных заготозок лопаток 1 ступени турбины авиационного двигателя НК-8-2У, изготовленные из жаропрочной стали ЖС5УВИ методом литья псд давлением, имеющие различную массу. Заготовки лапзток прешли на paa'j-де-изготовителе все виды штатного нёрагрушающего контроля и пригнаны бездефектными. Эксперименты проводились с использованием ЗА/ЛК и "сдкомикрофонного" способа определения дефектов.

Анализ результатов экспериментов пскзгал, что прсцесса колебаний "легких" и "тяжелых" лопаток отличаются друг ст друга, как по

-■IS. -

основным модам колебаний, перераспределению энергии в процессе затухания колебаний, по времени затухания, так и отклонением частоты-собственных колебаний. При диагностике лопаток с массой, отличзю-цэйся от номинальной на ± 10 г, "одномикрофонным" способом, значения характеристик сравнения спектров выходят за границы доверительных интервалов, построенных с доверительной вероятностью ,0.95. Если не Формировать выборки лопаток определенной массы, то происходит бракование заведомо исправной продукции.

Вторая серия экспериментов проводилась с целью определения возможностей "одномикрофонного" способа к обнаружению дефектов типа трещина на выходной кромке пера, изменение структуры материале, изменение геометрии перз заготовок турбинных лопаток.

Объектом испытаний являлись 16 заготовок лопаток, 6 из которых заведомо исправны, 5 с трещинами на выходной кромке пера размерами 2 им, 4 мм, 5 мм, 6 мм, 8 мм, 2 лопатки с нарушением структуры материала пера, 2 с изменением гейметрии пера лопатки. При подборе лопаток по массовым характеристикам учтены выводы по первой серии экспериментов. Для сравнения текущих спектров с эталонным использо-взлись следующие характеристики сравнения:' статистика амплитуд, площадь спектра,' коэффициент корреляции, ранговая суша Вилкоксо-на-Ямана, знаковые ранги Вилко керна-Имана.

Результаты сравнительного анализа для ранговой суммы и. знаковых рангов Еилоксона-Имана представлены на рис.3. На графиках по оси абсцисс показаны порядковые номера контролируемых лопаток, по оси ординат значения характеристик сравнения, пунктирной линией обозначены границы-доверительных интервалов, построенные при доверительной вероятности 0.95. Из графиков видно', что спектры заготовок лопаток с трещиной 8 мм (1И2) и 6 мм ( №11), с изменением структуры материала пера лопзтки С >30,13) отличаются от эталонного спектра и при их сравнении значения функций еыходят за границы доверительных интервалов. Заготовка с трещиной 5мм (№14) определяется коэффициентом корреляции, знаковыми рангами Вилкоксона-Имана. Однако, "одно-микрофонным" способом не определяются лопатки с трещиной 4мм (№10), 2 мм (№5), с изменением геометрии'пера лопатки 08415,16)- • Спектры исправных лопаток '.(№41,2,4,6,7,8,9) идентичны и характеристики их сравнения с эталонным спектром находятся, в доверительном интервале значений всех целевых функций. \

В третьей серии экспериментов проведены исследования возможности "одномикрофонного". способа к.определению дефектов внутренней полости сопловых лопаток 2'ступени ГТД НК-8-2У.

Объектами йсследовеаш являлись 5 сопловых лопаток 2 ступени

-!Ъ

турбина, две из которых имели обширную коррозию внутренней охлаждаемой полости (дефектные), две на начальной стадии развития дефекта (переходные) и одна бездефектная. ■ По результатам анатаза экспериментов были сделаны выводы, что "одномикрофонный" способ не обладает достаточной чувствительностью для определения дефекта во внутренней полости сопловых лопаток и требует доработки в плаке повышения чувствительности.

По результатам экспериментов с использованием "однсмикрофоннс-го" способа поиска дефектов были сделаны следующие еыводы:

1. При использовании "однсмикрофонного" способа поиска дефектов з заготовках лопаток турбины необходило формировать выборки заготовок, отличающихся по массе не более чем на ±10 г от номинальной.'

2. "Одномикрофонный" способ поиска дефектов позволяет обнаруживать дефекты типа трещина размером более 5 ш на выходной кромке пера заготовки лопатки турбины, изменение структуры материала пера лопатки. 1

3. "Одномикрофонный" способ не позволяет определять дефекты типа трещина менее 5 мм и требует совершенства в плаче повышения чувствительности.

4. "Одномикрофонный" способ не обладает достаточной чувствительностью для однозначного определения дефекта во внутренней полости сопловых лопаток и требует доработки в плане повышения чувствительности.

Для повышения чувствительности метода свободных колебаний разработан новый "двухмикрофонньй" способ поиска дефектов. Структурная схемз системы акустического диагностирования "двухмикрофонным" способом приведена на рис.4, она включает в себя: объект диагностирования; блок измерения акустических сигналов в 2-х точках; блок преобразования сигналов и формирования амплитудных спектров; блок сравнения спектров; блок формирования пороговых значений; блек экспресс анализа технического состояния; блок распознавания дефекта; блок хранения контрольных спектров изделий с различными дефектами; блок формирования сигналов управления.

Блок измерения акустических сигналов фиксирует упругие колебания лопаток, возбужденные ударом, в двух контрольных точках пера лопатки и преобразует их'в-аналоговые электрические сигналы. В блоке преобразования сигналов и формирования а-шлитудных спектров амплитудно-временные сигналы преобразуются в цифровой код на определенном временном участке и формируются амплитудные спектры с применением процедуры быстрого преобразования Фурье. Полученные в кехт-рольных точках лопатки амплитудные спектры сравниваются между собой

з блоке сравнения спектров с привлечением целевых функций сравнения. для определения аномальных результатов, присуцж дефектным изделиям, применяется неравенство Чебышева. В блоке формирования пороговых значений рассчитываются среднее значение целевой функции для бездефектных изделий и среднеквздратическое отклонение, которые поступают в блок экспресс анализа, где проверяется невыпг лнекие пли выполнение неравенства Чебышева при доверительной вероятности 0.9. В первом случае ставится диагноз об исправности изделия, во втором случзе о дефектности и исходные спектры поступают на вход блока распознавания дефекта. На другой вход этого блока из блок хранения контрольных спектров изделий с различными дефектами поступают амплитудные спектры и происходит сравнение спектров с применением целевых функций. При максимальной сход1-мости спектров проверяемой лопатки со спектрам какой-либо дефектной лопатки, делается вывод о наличии в ней данного дефекта и предположительное место его нахождения. Блок формирования сигналов управления позволяет регулировать силу удара,- расстояние от микрофонов до поверхности пера лопатки, изменяя тем самым условия эксперимента.

В качестве объектов исследований приняты заготовки лоп~:ок 1 ступени турбины ГТД НК-8-2У с дефектами типа трещина размерами от 2 мм до 8 мм, изменение геометрии пера лопаток, изменение структуры материала и полые сопловые лопатки 2 ступени этого же двигателя.

Из теоретических расчетов- следует, что в диапазоне частот от 10 кГц до 13- кГц целевые функции сравнения спектров в контрольных точках исправных и дефектных лопзток имеют наибольшие отличия. Сравнения спектров в двух контрольных точках лопаток проведены в диапазоне частот от 10 кГц до 13 кГц.

Результаты экспериментов приведены в таблице 1, где знаке;,; 3* обозначен:-! значения статистики знаков, a Fis вероятность для оценки неравенством Чебышева, Js - статистика ранговой суммы Еилкоксо-на-З.'мана, Pis - ее вероятность, -тг - статистика знаковых рангов Еплксксона-Имана, ?ir - ее вероятность, А - статистика амплитуд и Fia - ее вероятность. Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что значения характеристик сравнения спектров в контрольных точкам исправных и'дефектных лопаток значительно отличаются между собой и по этим различиям можно однозначно определить заготовки лопаток с дефектами типа-трещина размером от 2 мм и более к; выходной кромке пера лопатки, '. с изменением структуры материала, с изменением геометрии перз. Информативными функциями при сравнени: спектров являются статистика знаков Фишера, ранговая сумма Вилкок-сона-Имзнз, знаковые ранги Вилкоксона-Имана, статистика амплитуд

испольеуемые для сравнения спектров на определенном узком интервале частот. Для сравнения полученных результатов и оценке их значений использовалось неравенство Чебышева при доверительной вероятности 0.9.

Эксперименты проведенные с сопловыми лопатка)® показали, что дефект внутренней полости типа коррозии однозначно определяется "двухмикрофонным" способом. По результата)/ экспериментов с использованием "двухмикрофонного" способа поиска дефектов были сделаны следующие выводы:

1. "Двухмикрофонкый" способ диагностики лопатск турбины Г7Д является более чувствительным к "мелким" дефектам и позволяет определять микротрещины на выходной кромке пера заготовки лопатки турбины, изменение структуры материала пера лопатки, изменение геометрии пера лопатки, коррозия полости соплоекх лопаток, позволяет идентифицировать дефект при использовании предложенной системы диагностики.

2. Указанные дефекты определяются такими целевыми функциям;:, как статистика амплитуд, статистика знаков (Фишера), ранговая сумма Еилкоксона-Имаиа, знаковые ранги Вилкоксонз-Имана при сценке их с применением неравенства Чебышева для доверительной вероятности 0.9.

3. Интервал частот от 10 кГц до 13 кГц рекомендован для поиска дефектов типа трещин на выходной кромке пера лопатки, структуры ма-. териала,' изменение геометрии пера турбинной лопатки при диагностике "двухмикрофонным" способом.

Пятаяглава.

Методика диагностики лопаток турбины методом свободных колебаний. Методика состоит из методики проведения измерений и методики анализа результатов измерений. Методика проведения измерений акустических характеристик разработана в соответствии с требованиями ГОСТа 8.476-82 и ГОСТа 19.301-79. Методика анализа устанавливает последовательность проведения обработки результатов измерений с постановкой диагноза технического состояния изделия и определение вида дефекта и ориентировочное место его нахождение. Анализ экспериментальных данных проводится с использованием ПЭЕ'М IEM PC/AT с помощью прикладных программ "ACUSTIC", разработанного в акустической лаборатории КВАКНУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Поставленная цель диссертационной работы достигнута. Б соответствии с задачами исследований в диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Проведены теоретические расчеты колебаний лспзток турбины

методом конечных элементов и определено влияние изменение массы лопатки на ее собственные частоты колебаний, различного рода дефекта на амплитудно-частотные характеристики колебаний. Определено, чт< дефекты типа трещина размером от 1 мм и Солее изменяют амплитудно-частотные характеристики лопатки турбины в полосе частот от 1( до 13 кГц , что позволяет выявить дефект, используя соотношени' амплитуд в контрольных точках лопатки на собственных частотах колебаний.

2. Созданы экспериментальные установки и экспериментальны) акустический измерительный диагностический комплекс для диагностик! лопаток турбины.

3. Практически определена чувствительность "одномикрофонного способа по выявлению дефектов лопаток турбины.

4. Разработан новый более чувствительный "двухмикрофонный способ определения дефектов.

5. Определены целевые функции сравнения спектров, позволяющи эффективно выявлять дефекты типа трещина на выходной кромке пер заготовок турбинных лопаток и дефекты внутренней поверхности сопло вых лопаток турбины.

6. Методом свободных колебаний получены новые экспериментальные данные, которыми являются акустические характеристики как исп равных заготовок лопаток турбины и сопловых лопаток, так и лопато, с различными типами дефектов. Создан банк данных контрольных спект ров исправных и дефектных лопаток.

7. Даны практические рекомендации по формированию выборок из делий в зависимости от массы.

8. Разработаны методики измерений ' и обработки акустически сигналов. Создана методика диагностики лопаток турбины двигател НК-8-2У в производстве.

9. Результаты диссертационной работы были использованы для ди агностики заготовок лопаток турбины 1 ступени и сопловых лопаток ступени двигателя НК-8-2У на Казанском Моторостроительном Произ водственном Объединении и Конструкторском Производственном предпри ятии "Авиамотор". Планируется использовать методику для определени ориентации кристалла в монокристаллических турбинкых лопатках, также в перспективе для определения технического состояния лопате турбины в колесе в процессе производства и на крыле самолета в про цессе эксплуатации. •

ОСНОВНСЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Белов Е.В., Ившин И.В., Кочергин A.B., 7унаказ А.П. Исследова-ше акустических характеристик заготовок лопаток ТРДЦ методом свободных колебаний. Сборник тез. докладов на 22 НТК КВВКИУ РВ. -Ка-?ань, 1993, с.51-52.

2. БелоЕ Е.В., Ившин И.В., Кочергин A.B. Контроль технического состояния заготозок лопаток турбины методом свободных колебаний, "боркпк научно-технических статей. -Казань, 1994, с.37-33.

3. Белов Е.В.,Ившин И.В..Кочергин A.B.K вопросу определения'структуры материала заготовок лопаток 1 ступени турбины ГТД методом сво-гадных колебаний. Сбор.тез. НТС.-Казань,1994, с.23-24.

4. Ившин И.В., Белов Е.В., Кочергин A.B. и др. Устройство для сонтроля изделий. Свидетельство на полезную модель й 003429, 1994.

5. Иешин И.В., Кочергин A.B. К вопросу определения дефектности ло-гаток турбины ГТД по соотношению амплитуд на собственных частотах. Яорник тез. науч.-тех.конференции. -Саратов, 1994, с.19-21.

6.' Иешин И. В. .Белов ё.В..КочергинА.В.Определение изменений в структуре материала рабочих лопаток турбин.: ГТД методом :вободных колеба-шй. Сборник тез. науч.-тех. докладов на НТК.-Саратов, 1994,с.22-23.

7. Ившин И.В., Кочергин A.B. Диагностика лопаток турбины ГТД мето-(ом свободных колебаний. Сборник тезисов докладов нз Всероссийской iTK.-Казань, 1994, с.61-62.

8. Ившин И.В.,Абдюшев A.A.",Кочергин А.В.Численное, исследовзние чув-:твительности метода свободных колебаний к дефектам типа трещина. :борник тез. докладов на НТС КВАКИУ. --Казань, 1995, с.60-52.

9. Ившин И.В.,Абдюшез А.А.,Кочергин A.B. Конечноэлементныи анализ элияния изменения массы изделия на его частотные характеристки.Сбор-шк тез.докл.ка НТС КВАКИУ., -Казань,1995, с.57-59.

10. Ившин И.В..Кочергин A.B..Калимуллина Р.Ф..Кондратьев А.Е. Исс-юдование акустических характеристик монокристаллических лопаток турбины ГТД. Сборник тез.докл. на НТС' КВАКИУ.-Казань, 1995, с.63-64.

11.- Ив-шин И.В., Кордончик Д.М., Абдюшев A.A. Численные исследовали влияния параметров и дефектов турбинных лопаток на их АЧХ. Сборник тез.докл.на НТК КИСИ.-Казань, 1995, с.31-35.

12.Абдюшев А.А, Белов Е.В.,Ваньков Ю.В., Иешин И.В., Первухин Д.Н. !сследозание возможности -применения методз сеоСодных колебаний для сонтроля технического состояния заготовок лопаток 1ст.турбины. НИР 8 0-93-540 шифр"Двигатель", г Казань, 1993,70с. .

>4'

'А;

Рис.1. График;: изменения характеристик сравнения колебаний

испраЕКой и дефектной лопаток.

.1___________________________|

Рис.2. Принципиальная блочная схема измерительно-диагностического .комплекса. 1,2- конденсаторные микрофоны, 3- осциллограф, 4- усилители, 5- 14-ти канальный магнитный регистратор, 6- звуковой генератор ГЗ-109, 7- блок управления, 8- электроударнпк, 9- коммутационный блок, 10- счетчик программный G5264, 11- блок управления, 12-ачзлпзатор спектра СК4-72, 13- графопостроитель Н-306, 14- блок передачи спектра, 15- ПЭВМ "Искра", 16- принтер, 17- АЦП, 18- ПЭВ1 IBM PC/AT, 19- принтер.

Рангсвгя сунна Еипкоксока-Инана

и дефектных лопаток турбины.

Результаты диагностики лопаток турбины "двухмикрофонным" способом

Таблица 1

1 [П Зав. № В* Р1Б ¿3 Рга -Ь- Р1г А Р1А

Бездефект; ке

10620 -1.7:305 0 _ О 002 0 -0 9370 0 -33.0 0

: 10537 -2.4399 0 -3 1289 0 -2 2100 0 -84.2 0

! 10533 -1.8940 0 -3 1367 0 -3 3478 0.56 -78.03 0

6970 -1.9876 0 -1 2129 0.32 1120 0 -32.1 0 32

Дефектные

1240 5.4325 0. 98 4 4378 0.97 2 9678 0.92 99.1 0 99

' 9104 3.1245 о. 97 2 1230 0.65 6.3213 0.97 41.3 0 95

1013 0.9325 0. 92 1 0210 0.92 0 625 0. "*7 15.4 0 91

1123 2.9258 0. 94 3 4250 0.97 1 5258 0.83 16.2 0 92

1010 0.9157 0. 92 0 8979 0.91 125 ¿.83 17.0 0 92

0 9121 0.8388 0. 91 0 9432 0.92 1 1213 0.33 23.2 0 54

8 X

й

к «

о

о к о

(Ч

2

S

>4

с.

-i

о

__;_Редактировал и корректировал автор ^

Подписано в печать 26.06.95 Формат бумаги 60x84 /16

Типографская № 2 Офсетная печать Усллеч.»1,25

Тираж 100 экз.-_За к.< 217-95 Бесплатно

Типография КВАКНУ Казань-25