автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка способов диагностики деталей и узлов турбомашин интерференционно-голографическими методами

РГ6 од

1 3 ПЮИ 1095

На правах рукописи

МАКАЕВА Розалия Хабибулловна

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ДИАГНОСТИК}! ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ТУРЕОМАШИН ИНТЕРФЕРЕНЦИОННО-ГОЛОГРАФИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 05.07.05-тепловые двигатели летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1995

Работа выполнена в Казанском научно-исследовательском инстит те технологии и организации производства двигателей;

Научные руководители: кандидат технических наук, профессор

Горюнов Л.В.

доктор физико-математических наук, профессор Штырков Е.й.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, академик АНТ, Коноплев Ю.Г.

кандидат технических наук, Хабибуллин М.Г.

Ведущая организация АО Казанского производственного предпри тия "Авиамотор"

Защита состоится ¿¿соил 1995 г. в "/Ь" ч. на заседай

диссертационного совета К 063.43.01 Казанского государственно технического университета имени А.Н. Туполева (420111, г. Казан ул. К. Маркса, 10)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им. А.Н. Туп лева

Автореферат разослан " ¿¿¿-ал 1995 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 063.43.01,

кандидат технических наук Каримова А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуаль ность. Подъем отечественного авиадвигате-лестроения на качественно новый уровень на базе использования достижений научно-технического прогресса, обеспечение надежности и безопасности при эксплуатации двигателей, экономия энергии и материалов являются важными государственными задачами.

В авиационных двигателях наиболее ответственными являются те объекты , которые подвергаются тепловому воздействию и вибрационным нагрузкам. К ним относятся рабочие лопатки турбины и компрессора, колеса центробежных машин, подшипники роторов. Ресурс этих деталей и узлов на машине должен быть гарантирован, так как от их технического состояния в процессе эксплуатации зависит безопасность полетов, а также экономичность, связанная с ремонтом. В этих условиях важное значение приобретают разработка и совершенствование методов и средств технической диагностики деталей и узлов турбомашин.

В настоящее время имеется большое количество различных систем диагностирования: ультразвуковые, токовихревые," радиография, виброакустическая диагностика и др. Однако для решения таких проблем, как объективный вибрационный анализ деталей и узлов турбомашин, необходима разработка новых более эффективных способов диагностики.

Анализ существующих достижений показывает, что наиболее универсальными экспериментальными методами для исследования объектов, заходящихся под воздействием вибраций, являются интерференционно-"олографические. Они обладают такими существенными преимуществами, <ак бесконтактность, высокая чувствительность, способность исследования объектов сложной геометрической формы. Возможность визуализации поверхности вибрирующего объекта позволяет анализировать и трогнозировать его техническое состояние. Поэтому разработка интерференционно- голографических способов для диагностики деталей турбомашин является актуальной задачей, решение которой значительно рас-иирит возможности по сравнению с существующими в настоящее время методами.

Цель работы - разработка способов и средств .техни-шской диагностики деталей и узлов турбомашин на базе интерференционно- голографических методов, позволяющих существенно сократить ;роки доводки авиационных двигателей, повысить надежность деталей и гзлов турбомашин.

Методы исследования основаны на теории го-

лографической интерферометрии с использованием элементов теории механических колебаний , теории'упругости и прочности. Расчетные исследования проводились методом конечных элементов с использованием ЭВМ.

Научная новизна работы.

1. Разработан и создан универсальный экспериментальный комплекс голографической интерферометрии на базе лазеров непрерывного i импульсного излучений для исследования вибрационных характерно™ деталей и узлов турбомашин.

2. С помощью комплекса получены вибрационные характеристики лопаток 5 и 7 ступеней компрессора, произведена отстройка от резонанса по собственным частотам и картинам форм колебаний , позволившая избежать дефекты, связанные с отрывом уголков кромок лопаток.

3. Проведен-сопоставительный анализ форм колебаний и собственных частот лопатки рабочего колеса малоразмерной центростремительной турбины методами конечных элементов и голографической интерферометрии, позволивший упростить расчетную модель колеса.

4. С помощью метода голографической интерферометрии выявлены причины разрушения деталей турбомашин.

5. Проведено исследование вибрационных характеристик авиационных радиально-упорных шариковых подшипников в области частот 200 -1300 Гц, найдены собственные частоты по сложным формам совместных колебаний элементов подшипников. На резонансных частотах, впервые п< лучены голографические интерферограммы колебаний подшипников.

6. Получены голографические интерферограммы колебаний лопатки турбины 1 ступени в диапазоне частот 9000 -36000 Гц. Выявлено, что перегрев вызывает изменение демпфирующих свойств материала,а также в диапазоне частот свыше 25 кГц - изменение картины форм колебаний

7. Разработаны лазерно-акустический стенд и методика неразру-шающего контроля захлопнутых трещин в литых лопатках ГТД.

Достоверность результатов работы подтверждена данными апробации разработанных рекомендаций в производственных условиях соответствием полученных результатов с теоретическими и эксплуатационными данными.

Практическая ценность состоит в том, что использование результатов работы позволяет сократить сроки доводки авиационных двигателей, проводить диагностику разрушения натурных конструкций, осуществлять неразрушающий контроль деталей турбомашин.

Реализация . Результаты работы были использованы на Казанском моторостроительном производственном объединении, АО НИИ Турбомпрессор, учебном процессе на кафедре турбомашин КГТУ им. А. Н. Туполева.

Апробация . Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно - техническом совете НИИтурбокомпрессор в 1991 г., Всероссийских научно - технических семинарах Казанского ВВКИУ РВ имени М.Н. Чистякова в 1993 -1994 г .г., научно - технических конференциях КГТУ им. А.Н. Туполева в 1994 г., Международной научно - технической конференции в Набережных Челнах в 1995 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ: 1 статья, 6 тезисов докладов. .

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, включающего 105 наименований, приложения, и содержит 145 страниц машинописного текста, включая 14 таблиц и 61 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы в целом, кратко охарактеризованы цель, структура и основные результаты работы.

" В первой главе дано обоснование выбора направлений исследований. Представлен обзор существующих методов неразрушающего контроля, дан анализ современного состояния диагностики интерфе-ренционно-голографическими методами, из которого вытекают -следующие основные выводы.

1. Интерференционно-голографические методы благодаря своим возможностям являются одними из наиболее универсальных экспериментальных методов при диагностике деталей и узлов турбомашин.

2. Однако для решения некоторых практических задач голографи-ческий метод недостаточно разработан, а именно:

- нет исследований вибрационных характеристик натурных объектов в высокочастотном диапазоне;

- голографический метод не используется при анализе причин разрушений, возникших в эксплуатации;

- не проводились исследования колебаний авиационных подшипни-. ков качения как единой деформируемой системы;

- нет определенных методик голографического неразрушающеп контроля реальных объектов'.

В результате проведенного анализа определились основные направления исследований:

Задачи настоящей работы формулируются следующим образом:

- разработать способы диагностики деталей и узлов турбомашин по вибрационным характеристикам с применением интерференционно голографических методов;

- разработать и изготовить экспериментально - исследователь ский комплекс для реализации методик.

Вторая глава посвящена описанию аппаратуры и мете дики экспериментальных интерференционно-голографических исследован Рассмотрены основные положения теории голографического метода ус реднения по времени при анализе вибраций. Описана применяемая в рг боте оптическая схема записи и восстановления голограмм. Обосновг выбор, приведены технические характеристики основных приборов экс периментального голографического измерительного комплекса. Тудг входят разработанная и изготовленная автором стационарная гологрг фическая установка на базе лазера непрерывного излучения для иссле дования объектов (до ¡6 300 мм).передвижная импульсная голографичес кая установка для исследования крупногабаритных объектов (2 х 2 м) система возбуждения колебаний и контроля резонансных частот и ря приспособлений для крепления деталей и узлов турбомашин.

Экспериментальный комплекс позволяет проводить исследования 5рационных характеристик лопаток турбин и компрессоров ГТД, колес , авиационных подшипников и других деталей и узлов турбомашин, а ■оке крупногабаритных объектов.

Для дефектоскопии трещин, залегающих внутри материала литой татки ГТД разработан и изготовлен макет лазерно-акустической ус-товки, включающий нагружающее устройство и лазерный интерферометр.

Третья глава посвящена вибрационному анализу дета-1 и узлов турбомашин с помощью метода голографической интерферо-?рии.

Для оценки достоверности полученных результатов на голографи-:ком стенде была исследована воспроизводимость замеров собствен: частот колебаний трех лопаток турбины 1 ступени. Лопатки крепи-ъ консольно в специальном приспособлении. Колебания возбуждались :омощью пьезоэлектрического вибратора. Голографическая регистация >м колебаний на резонансных частотах производилась методом усред-ия по времени. Каждая лопатка устанавливалась заново по 5 раз и ледовалась по девяти формам колебаний.

лиз полученных результатов показал, что флуктуация собственных тот при многократных идентичных закреплениях каждой лопатки не вышает 0,7 % относительно среднеарифметического значения пара-ра. Разброс значений собственных частот различных лопаток при этапных колебаниях, обусловленный конструкторскими допусками при этовлении деталей, составил 3,5 %. Результирующая погрешность зрений с учетом систематических погрешностей приборов составляет ,17 %.

Вибрационный анализ деталей и узлов турбомашин позволяет оце-> прочность и надежность их в условиях эксплуатации. ■ Голографи-сая интерферограмма - картина форм колебаний вибрирующего объек-• помогает идентифицировать его состояние при изменении хара-шстик (массы, геометрии и т.д.).

При эксплуатации ГТД имеются случаи разрушений в виде сколов ков входных кромок у периферии рабочих лопаток 5-ой и 7-ой сту->й компрессора высокого давления (КВД). Результаты заводских ¡ометрических испытаний выявили зоны максимальных напряжений, лопатки 5 ступени - вторая пластиночная форма на рабочих оборо-п = 4280 об/мин. (Г=9700 Гц). Одним из мероприятий по повышению сов прочности лопатки было отстройка от резонанса путем измене-геометрии по толщине Сл.

Методом голографической интерферометрии был исследован спен собственных частот и форм колебаний лопатки компрессора 5 ступени Найдена вторая пластиночная форма колебаний на частоте Г = 9780 ■ (рис.1.а). Была произведена идентификация 10 лопаток с различны толщинами сечения (от 1,2 до 2,12 мм) по второй пластиночной форм Диапазон полученных частот - 8900 - 10300 Гц. Частотная отстройка вниз на режим ниже малого газа была получена счет уменьшения С до значения на периферии до 1,2 мм. Голографич кие исследования показали (рис.1.6), что доработка лопатки приве к изменению формы колебаний. Узловая линия слева укрепила уголе лопатки.

При тензометрировании лопаток 7 ступени КВД были получек максимальные величины переменных напряжений в районе малого газа Г = 7630 Гц) и на оборотах,близких к номинальному режиму (Г = 14400 Гц). Для устранения этого вида дефекта были введены рекомендации по увеличению толщины по торцу пера лопатки и скосы в зоне уголков. Для визуализации уголковых форм колебаний лопатки и идентификации их до и после доработок применялся ме^ голографической интерферометрии.

Исследовались лопатки до и после окончательной доработки. Были на]? дены формы колебаний с двумя узловыми линиями (Г= 7740 Гц) и с тремя узловыми линиями вдоль лопатки (Г= 14635 Гц, рис.2а).Результаты исследований показали, что доработка лопатки привела к с

Рис. 1

Рис.2

тройке от резонанса (стало { = 8830 Гц). Следует отметить, что ысокочастотные колебания пере-:естились с оборотов номинала а взлетный режим, однако в ре-ультате изменения геометрии величилЬя запас вибрационной рочности лопатки в 2 раза, олографические интерферограммы олебаний лопатки показали, то доработка изменила картину орм колебаний: не стало ярко вы-аженного резонанса по форме с ремя узловыми линиями и колеба-ия уголков незначительные рис.2б, Г= 14460 Гц).

Предварительная оценка уровня переменных напряжений в объектах вляется сложной технической задачей, требующей специальных расчетах методик. С целью отработки математических расчетов вибрационных арактеристик были проведены теоретические и экспериментальные исс-эдования спектра собственных частот и форм колебаний лопатки коле-а радиально - осевой турбины турбокомпрессора наддува ДСВ машины ШАЗ. Расчет проводился методом конечных элементов без учета влия-га газовых и центробежных сил (работа была выполнена в КФТИ). Экс-гримент - методом голографической интерферометрии.

Вследствие того, что жесткость диска значительно выше жесткос-1 лопаток было предположено, что низаие формы колебаний проявятся 1 лопатке без учета колебаний диска. Это предположение позволило фостить расчетную модель и рассмотреть колебания лопатки изолиро-шно от диска для исследования первых 3-5 собственных форм и час->т. В расчетной методике был использован метод итераций в подп-гстранстве в постановке метода конечных элементов, позволяющий ре-1ть большие системы уравнений и вычислять Р наименьших значений и ютветствующих собственных векторов, удовлетворяющих соотношению:

[к1т -- [мзтш

(1)

[К] - матрица жесткости; Ш] - матрица масс; СЛ] - сИа£. 1Я1; [Ф] -

Аг собственные значения;

Ч*р - собственные векторы.

Расчетная область представляет собой оболочку сложной форм имитирующую срединную поверхность лопатки.Граничные условия пред тавляют собой защемление лопатки по линии стыка с поверхностью ди ка. При моделировании был использован треугольный плоский элемент оболочки. Такие элементы при большом их количестве более точно моделируют поверхность сложной кривизны.

Деформации в слое, удаленном на расстоянии г от срединной п верхности оболочки, записанные для перемещений произвольной точ 'этого слоя, представляются следующими соотношениями:

1и ¿И.//^ С2)

где - перемещения, К,, К^ - кривизны оболочки в направ

лении X и У соответственно. Полные деформации произвольной точки

толщине £ , ^ складываются из мембранных деформаций в срединн

поверхности уР.

Л. А с3)

9 ~ Ту ¿Л и изгибных деформаций $;?

тг* ' (4)

Мембранные деформации зависят от прогиба V. Для пластины кр визны/^становятся равным нулю, и соотношения для мембранных дефс маций приобретают вид:

СР _ ¿и, р? - ,р ¿¿с ^ ¿V

' ¿>х ' у ^ ' 0 ~ ¿у ¿X (5)

Исходя из этого можно сделать вывод ,что перемещения, вызывг мые изгибающими усилиями и моментами, не влияют на мембранные д формации в пластине и наоборот.

Таким образом, плоский элемент оболочки можно рассматривс как совокупность элемента мембраны и изгибного элемента пластины Рассматриваемый элемент оболочки имеет 6 степеней свободы в уз! три перемещения и.у.ю и три поворота ,¿^.относительно ос

Х.У.г соответственно (рис.3), где 1-номер узла.

Рис.3

Узловые перемещения представляются вектором Ш - £и1 Ъ V % Ч И/, # /9У£Ь, ¿ъ 6>^]Г

Матрица жесткос-и ансамбля элементов ляа получена суммиро-анием матриц элементе оболочки

сю - ¿кП (6)

Матрица масс: /^--//Л/^К (7) <еет такой же порядок структуру, как и мат-ща жесткости.

В работе использо-шась программа,предназ-1ченная для анализа на-»яженно-деформированного

'стояния машиностроительных конструкций при статических и динами-ских нагрузках.В расчете количество конечных элементов было 3504, :сло матричных уравнений -10596.Анализ полученных даных показал,

0 значения расчетных частот выше соответствующих эксперименталь-х. Максимальное расхождение результатов составляет 4%. Идентифи-ция форм колебаний, полученных расчетным путем, с голографически-

интерферограммами показала хорошее совпадение.

Сопоставительный анализ форм колебаний и собственных частот патки показал хорошую согласованность теоретических результатов с спериментальными, что подтверждает возможность получения расчет-х вибрационных характеристик лопаток без учета диска. Это значи-льно упростит расчетные методы и позволит использовать их при льнейшей доработке колеса.

В двигателестроении актуально стоит проблема исследования ко-Заний групп сопряженных сложных элементов как единой деформируе-

1 системы. К одной из наиболее сложной и напряженной системе от-зятся диски компрессоров ГТД с лопаточным венцом. Использование /химпульсного лазера позволяет получать интерферограммы крупнога-зитных объектов. В работе был проведен виброанализ колеса комп-;сора 4 ступени ГТД. Из полученных резонансных форм колебаний на->лее информативным оказались колебания диска с лопатками по форме гебаний с двумя узловыми диаметрами на частоте 1050 Гц (рис.4).

Формы колебаний лопаток изменяются переменно от узловой лини] к пучности: максимальная ампли туда колебаний лопаток-в пучно< тях, минимальная-в узлах. Лоп; тки совершают, в основном,крути, ные колебания, близкие к 3 фо] ме колебаний. В районе пучнос исследуемой системы наблюдает! искажение форм колебаний в вид' дополнительных линий перемещен; параллельных основанию лопатки Это объясняется смещением (про: бом) диска в пучностях.

В четвертой главе представлены результаты исследований возможностей голографической интерферометрии при ан лизе разрушений деталей и узлов турбомашин.

При диагностике разрушения крыльчатки обдува генератора Г были исследованы годные детали по спектру собственных частот и п лучены формы колебаний, анализ которых позволил предположить, ч разрушение произошло на частоте 4870 Гц (рис.5).

Рис.4

Рис. 5

При исследовании причин разрушения колеса центробежного ком рессора были получены голографические интерферограммы колебани . годного колеса по формам двух узловых диаметров (Г=622 Гц), тр

зловых диаметров (Г= 1259 Гц), а также-форма колебаний полотна окрывного диска в пролете между лопатками на частоте 3208 Гц.

Анализ показал, что разрушение произошло при резонансных коле-аниях на частоте 3208 Гц , так как максимальные напряжения, приво-ящие к образованию трещин имеют место вблизи узловых линий, а при той частоте узловые линии совпадают с расположением лопаток под окрывным диском. Это предположение было подтверждено тем обстоя-ельством, что на рабочих режимах в процессе эксплуатации частота ынуждающих колебаний равна 3197 Гц.

В этой главе приведены результаты диагностики технического остояния авиационного подшипника качения.

В процессе эксплуатации ГТД возникают проблемы с разрушением эковых перемычек сепаратора подшипника. Одной из возможных причин, взывающих поломку сепаратора, является угловой перекос внутреннего наружного колец узла. Для выяснения причин поломки сепаратора на аводе были проведены испытания, результаты которых показали, что аксимальные вибрации на опорах происходят с частотой 1200 Гц' в :евом направлении при п=5000 об/мин. Однако проведенный анализ не эзволил выявить источник вибрации на опорах.

В работе исследовались подшипники качения новый, ресурсный и ;фектный ( разрыв боковой перемычки сепаратора), а также отдельно ( сепараторы.'

Для имитации условий установи подшипника на натурном валу ГТД мо разработано и изготовлено спе-¡альное приспособление (рис.6).

При исследовании вибрационных фактеристик подшипников и их [ементов кроме оценки качественен картины по формам колебаний, юизводилась количественное сравне-;е объектов по резонансным час->там и основному отзвуку. г-

Были получены голографические ^ терферограммы и значения резо-лсных частот исследуемых объек- Рис.6

в по четырем тонам критических

лебаний . На рис. 7 представлена интерферограмма колебаний под-пника на частоте 1208 Гц.

г // к /

Р-

Ж; 1 !

щ, Щ

Качественный анализ интерферограмм подшипников,проведенный п> следующим элементам подшипников: система "вал"- внутреннее кольцо сепаратор, наружное кольцо, позволил установить следующее.Независи мо от сроков службы и технического состояния всего подшипника в целом его внутреннее кольцо в натурных условиях совершает гармонические колебания с различной амплитудой во всем исследуемом диапазоне С увеличением срока службы подшипника или с появлением дефекта происходит изменение закона колебаний сепаратора в системе подшипника Количественный анализ проводился на основании опытных данных представленных в виде изменения резонансных частот подшипника

основного отзвук и амплитуды колебаний по тонам критических колебаний. Сравнение исследуемых подшипников по резонансным частотам показало, что на всех ' тонах критической чаете ты в исследуемом диапазоне резона] ные частоты ресу] сного подшипника выше, чем у ново] и дефектного. Основной отзвук у I вого и ресурсногс подшипников с ув< личением тона кр! тических колебаш

также возрастает. Величина основного отзвука дефектного подшипнике (рис.8) на 1 тоне критических колебаний превышает остальные величины. Наличие разрушения в подшипнике приводит к снижению основногс отзвука, начиная с 3-го тона колебаний. Это возможно объясняет« тем, что на 1-м и 2-м тонах вклад в основной отзвук вносят внутреннее и наружное кольца подшипника как объекты, обладающие больше* массой по сравнению с другими деталями подшипника,а на 3-м и 4-м тс

Рис.7

нах вклад в основной отзвук вносят тела качения и сепаратор,частота которых выше.Однако колебания шарико] демпфируются, попадая на место разрушения в сепараторе, что приводит к снижению основного отзвука, и объясняет негармонический закон колебаний дефектного сепаратора в системе подшипника.

0 1 2

Тон критических коле£ании-*

Анализ виброхарактеристик сепаратора показал следующее.

Увеличение времени наработки

Рис.8

епаратора приводит к уменьшению

его резонансной частоты (величина основного отзвука была задана постоянной). Амплитуда колебаний сепаратора вне системы подшипника возрастает по мере его износа.

Проведенное голографическое исследование радиапьно-упорных шариковых подшипников качения ГТД показало, что подшипник представляет собой сложную подвижную систему: внутреннее кольцо - тела качения - сепаратор - наружное кольцо. Причем каждый элемент этой системы имеет собственную форму колебаний.

В результате действия поперечных колебаний сепаратора возникает разрушение его боковых перемычек как наиболее слабых мест в системе подшипника. Причем этот процесс усугубляется перекосом колец тодшилника, действием осевых сил на подшипник со стороны турбины и компрессора, величины которых достигают несколько тонн.

Достоверность результатов, полученных с помощью метода голог-эафической интерферометрии была подтверждена практически полным их ювпадение с результатами замера вибрационных характеристик подшип-шка на действующем двигателе. Биброперегрузки объясняются резо-1ансными колебаниями подшипника на 4 тоне критических колебаний (£= .208 Гц).

Пятая глава посвящена разработке способов дефектоско-гии с применением интерференционно-голографических методов.

Возможность метода голографической интерферометрии распозна-¡ать дефекты по их локальному влиянию на общий вид перемещений по-¡ерхности исследуемого объекта легла в основу разработанных спосо-юв. Для осуществления неразрушающего контроля деталей турбомашин

применялось вибрационное нагружение объектов на резонансной моде.

В заводской практике существует проблема контроля непропая на сотовых вставках. Исследовались годная и дефектная детали. В результате была найдена форма колебаний, чувствительная к дефекту.

При возбуждении колебаний на резонансной частоте 20505 Гц годная вставка проявила форму колебаний с яркой вертикальной центральной узловой линией (рис.9). На интер-ферограмме второй вставки (Г=20048 Гц) четко выделяются' зоны дефек та, возникновение которых обусловлено отсутствием связи между пластиной и сотовыми уплотнениями (рис.10).

Такое расслоение ведет к образованию локальной гибкой структуры, имеющей свои резонансы в высокочастотной области.

По тому же принципу, то есть при вибрационном возбуждении объекта на резонансной моде, было исследовано паяное колесо центробежного компрессора 4 ступени. Результаты исследования показаны нг рис. 11.

Интерферограмма колебаний исследуемого объекта на резонансной частоте 7410 Гц позволила выявить дефект.В левом секторе колеса дополнительная пучность "нарушила" колебания по форме пяти узловых диаметров.

Таким образом, при го-лографическом контроле паяных деталей необходимо:

1) жесткое крепление детали на голографическом столе;

2) возбуждение объекта пьезоэлектрическим вибратором; Рис.11

Рис. 9 Рис. 10

3) съемки голографических интерферограмм по спектру собственных частот;

4) анализ полученных интерферограмм.

Дефект имеет место, если:

1) в зоне узловых линий появляются локальные пучности;

2) наблюдается нарушение закономерных форм колебаний;

3) наблюдается аномальный изгиб узловых и интерференционных полос.

Голографические интерферограммы чувствительны не только к механическим дефектам, но и деформационным свойствам материала. Перегрев , сопровождаемый изменением механических свойств материала, изменяет картину поля деформации на объекте. Наиболее информативными являются голографические интерферограммы колебаний на высоких частотах. В работе приведены результаты исследования лопатки турбины 1 ступени ГТД, изготовленной из жаропрочного сплава КС6УВМ. Получены голографические интерферогаммы детали в диапазоне частот 9000-36000 Гц. Амплитуда колебаний лопатки подбиралась таким образом, чтобы на интерферограмме было достаточное количество разрешенных интерференционных полос.При этом фиксировались уровень нагрузки (В) и уровень возбуждения колебаний по отклику микрофона (дб). Затем лопатка подвергалась термическому воздействию путем нагревания ее в печи при температуре 1150°С в течение 30 минут. Металлографические исследования показали изменение состояния металла в связи с разупрочнением сплава. В охлажденной лопатке возбуждались резонансные колебания тем же способом. Посредством регулировки подающего сигнала вибратор генерировал тот же уровень возбуждения колебаний лопатки, что и при регистрации в исходном состоянии. Это позволило получить те же самые амплитуды колебаний и сравнивать формы колебаний в исходном состоянии и после термического воздействия. При этом было установлено, что перегретый материал обладает более высокими демпфирующими свойствами, так как для получения идентичного - отклика необходимо было усиливать сигнал уровня нагружения.

Анализ частотных характеристик показывает,что в перегретом материале происходит изменение значений резонансных частот в сторону уменьшения.Сравнение форм колебаний лопатки до и после теплового воздействия показало,что интерферограмйы низкочастотных колебаний не отражают изменение деформационных свойств материала. В частотном диапазоне свыше 25000 Гц картины резонансных форм колебаний чувствительны к изменению деформационных, свойств. Это проявилось в из-

менении рисунка форм колебаний лопатки в перегретом состоянии по сравнению с начальным (рис. 12)

} -т?гц }.югхп, f^sesn,

Рис.12.

I-исходное состояние; II- лопатка после термического воздействия

Понижение прочностных характеристик сплавов при перегреве лопаток приводят к образованию трещин, которые, как правило, образуются по границам зерен в районе приложения наибольших статических напряжений от внешних сил. Часто встречаются и другие виды изломов, например, связанные с нарушением технологии литья лопаток турбины. Традиционные методы неразрушающего контроля лопаток турбины оказались нечувствительными при контроле литых трещин.

Для дефектоскопии трещин, залегающих внутри материала , был разработан метод, представляющий собой комбинацию лазерно-интерфе-рометрического и акустико-эмиссионного методов. В основу этого метода положен фотоэлектрический принцип регистрации изменения интенсивности интерференционной картины.Эти изменения вызываются высокочастотными перемещениями поверхности исследуемой лопатки, обуслов-

ленными импульсами акустической эмиссии. Волны эмиссии испускаются в результате раскрытия трещины при механическом нагружении пера лопатки. Параметры импульсов измеряются при помощи лазерно-акустичес-кого стенда, куда входят Не-№ лазер, интерферометр по принципу Майкельсона, система автоподстройки разности плеч интерферометра и регистраторов акустических импульсов.

Стенд позволяет производить измерения в частотном диапазоне 5 кГц-150 МГц. Диапазон измеряемых амплитуд порядка 10 м. Были исследованы 10 лопаток 1 ступени ГТД. На двух лопатках были зафиксированы сигналы акустической эмиссии.

ОСНОВНЫЕ'ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработан и создан универсальный экспериментальный комплекс голографической интерферометрии на базе лазеров непрерывного и импульсного излучений для визуализации и исследования вибрационных характеристик деталей и узлов ГТД от малых турбин до колес диаметром более 1 метра с различными конструктивными свойствами.

2. Проведены исследования вибрационных характеристик лопаток сомпрессора, позволившие выполнить их вибрационную доводку с учетом сартины форм колебаний.

3. Выполнены экспериментальные и расчетные исследования для "ласса малоразмерных радиальных турбин с развитыми лопатками, поз-юлившие упростить расчетную модель благодаря введению более [ростых граничных условий.

4. Проведены исследования центробежных колес по спектру собс-'венных частот и форм колебаний, установлены причины разрушений.

5. Получены голографические интерферограммы для трех вариантов адиально-упорных шариковых подшипников ГТД. Найдены собственные астоты подшипников и замерены их основные отзвуки. Установлено, то величины основных отзвуков нового и ресурсного подшипников воз-астают с увеличением тона колебаний; а в дефектном подшипнике -нижается.

6. Результаты голографических исследований показали, что при ерегреве лопатки ГТД картины форм колебаний изменяются в высоко-астотной области.

7. Разработан и создан лазерно-акустический стенд, позволяющий 5наруживать захлопнутые литые трещины в лопатках ГТД.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих pai

тах:

1. Горюнов Л. В.', К а с у м о в Е.В., М а к а е в < Р.Х., Черников С.К., Ш т ы р к о в Е.И. Исследование

спектра собственных частот и форм колебаний рабочего колес; радиально-осевой турбины // Технические проблемы производства лег тельных аппаратов и двигателей: Тез.докл. Всерос.науч.-техн.конф, Казань, 1994. С. 17.

2. Горюнов Л.В., Панаева Р.Х. Исследование i брационных характеристик авиационного подшипника методом голограс ческой интерферометрии // Научно-техническая конференция НИЧ-i Тез.докл. - Казань: Изд-во Казане.гос.техн.ун-та, 1994. С. 87.

3. Г о р ю н о в Л.В., М а к а е в а Р.Х. Исследование i брационных характеристик деталей роторов ГТУ методом голографичес кой интерферометрии // Внутрикамерные процессы, струйная акустикг диагностика: Тез.докл. науч.-техн.семин. - Казань, 1994. С. 25-21

4. Горюнов Л.В., Штырков Е.И., М а к а е в Р.Х. Диагностика деталей турбомашин-методом голографической инте ферометрии // Механика машиностроения: Тез.докл. Международной е уч.-техн.конф. - Набережные Челны, 1995. С. 122.

5. Кутин Е.М., Макаева Р.Х.-, Штырков Горюнов Л. В. Лазерно - акустический метод обнаружения тр в литых лопатках ГТД // Внутрикамерные процессы, струйная акустк и диагностика: Тез.докл. науч.-техн.семин. - Казань, 1994. 27-28.

6. Макаева Р.Х. Диагностика разрушений деталей ГТД помощью метода голографической интерферометрии // Внутрикамерн процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагне тика: Тез.докл. науч.-техн. семин. - Казань, 1993. С. 37-38.

7. Макаева Р.Х. Голографическая идентификация состоя лопатки при тепловом воздействии // Авиационная техника.- 1994.- С. 72-75.