Спосіб вібродіагностики турбомашин

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при диагностике вращающихся лопаток роторов турбомашин. Известен способ спектрального анализа вибраций вращающихся машин [1], основанный на том, что контролируемой машине задают частоту оборотов, изменяющуюся по закону степенной функции, виброакустический сигнал преобразуют в электрический и осуществляют магнитную запись сигнала с частотой вращения турбомашины, затем воспроизводят магнитную запись с постоянной скоростью и анализируют амплитудный спектр вибрации. Недостатком данного способа является сложность задания степенного закона изменения частоты вращения турбомашини, а также отрицательное влияние процесса магнитной записи и воспроизведения на результаты диагностирования. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ виброакустической диагностики (вибродиагностики) машин (в частности турбомашин), заключающийся в том, что контролируемой машине задают частоту оборотов, меняющуюся во времени по линейному закону с угловым ускорением в сторону увеличения (разгон), виброакустический сигнал от данной машины преобразуют в электрический, определяют спектр мощности, по которому судят о техническом состоянии машины, причем перед определением спектра мощности сигнал квантуют, а угловое ускорение выбирают из соотношения где - коэффициент, зависящий от частотного диапазона спектра мощности; - логарифмический декремент затухания колебаний; - круговая частота; - требуемое отношение мощности полезного виброакустического сигнала к мощности помех. Для вибродиагностики турбомашин согласно известному способу во время разгона турбомашини до выхода на номинальный режим работы виброакустический сигнал с корпуса турбомашины преобразуют в электрический, определяют спектр мощности, по которому фиксируют амплитуду и частоту резонансных колебаний лопаток по первой форме колебаний, по изменению которых в процессе эксплуатации судят о техническом состоянии турбомашины. Недостатком данного способа является то, что выбор в качестве информативного параметра спектра мощности не дает однозначных оценок изменения технического состояния лопаток турбомашины, При сравнении амплитуд колебаний, полученных по спектру мощности, большое значение имеет адекватность условий измерений (выбор места измерения, степень прижатия датчика, а также использование одного и того же комплекта аппаратуры). Для уменьшения влияния данного фактора необходимо проводить сравнения не абсолютных значений, а приведенных (отношение сигналов, разность сигналов). Кроме этого, наложение амплитудных характеристик нескольких однотипных узлов снижает эффективность нормирования сигналов, поскольку одновременное незначительное изменение амплитудной характеристики каждой в отдельности лопатки турбомашины в сумме может значительно превысить установленную норму превышения амплитуды колебаний одной лопатки, что приведет к преждевременной остановке турбомашины. Оценка технического состояния лопаток турбомашины по изменению резонансной частоты колебаний лопаток, определяемой по спектральной плотности распределения по мощности является более помехозащищенным информативным параметром, однако также не позволяет получить однозначного ответа о структурных изменениях, происходящих в исследуемой системе. Уменьшение резонансной частоты в процессе эксплуатации турбомашины может быть связано как с уменьшением жесткости системы, так и с увеличением демпфирования, что характеризует различные дефекты и, соответственно, требует различных подходов к обеспечению безопасности работы турбомашины. Наряду с этим, использование зависимости углового ускорения от декремента затухания также имеет недостаток, поскольку в процессе эксплуатации декремент затухания изменяется в соответствии с изменениями технического состояния объекта диагностирования (в том числе возможны существенные изменения при появлении трещин лопаток). Поэтому использование постоянного значения декремента затухания в формуле для сводит положительные аспекты применения к минимуму, а постоянное отслеживание изменения в процессе эксплуатации затруднительно и не позволяет сравнивать предыдущие результаты с последующими, поскольку при различном амплитуда спектра будет меняться. В основу изобретения поставлена задача разработки способа вибродиагностики турбомашин, в котором определение спектра мощности вибрации турбомашины в режимах разгона и торможения с одинаковым угловым ускорением позволяет сформировать спектр разностей резонансных частот колебаний узлов турбомашины, по которому фиксируют собственные частоты колебаний лопаток по первой форме колебаний и вычисляют значения собственных частот и коэффициентов затухания колебаний лопаток для оценки изменения жесткости и массы лопаток, за счет чего достигают повышения достоверности оценки технического состояния турбомашины. Поставленная задача решается тем, что в способе вибродиагностики турбомашин, заключающемся в том, что контролируемой машине задают частоту оборотов, меняющуюся во времени по линейному закону с угловым ускорением в сторону увеличения (разгон) до выхода на номинальный режим работы, виброакустический сигнал с корпуса турбомашини преобразуют в электрический и определяют спектр мощности при разгоне, по которому фиксируется частота резонансных колебаний лопаток по первой форме колебаний. Согласно изобретению после достижения номинального режима работы турбомашины включают режим торможения, при этом число оборотов турбомашины изменяют по линейному закону с отрицательным угловым ускорением, равным по абсолютной величине ускорению при разгоне, определяют спектр мощности при торможении и формируют спектр разностей резонансных частот колебаний узлов турбомашины и усредненный спектр, по которому вычисляют коэффициенты затухания и значения собственных частот колебаний лопаток для случая консервативной системы, степень изменения их в процессе эксплуатации и судят о техническом состоянии турбомашины. Для получения вибродиагностических оценок технического состояния лопаток турбомашины по предлагаемому способу используют одновременно информацию о резонансных частотах колебаний узлов турбомашины, полученную как при разгоне, так и при торможении. Для получения вибродиагностических оценок технического состояния лопаток турбомашины по предлагаемому способу используют одновременно информацию о резонансных частотах колебаний лопаток по первой форме, полученную как на этапе разгона исследуемой турбомашины, так и на этапе ее торможения. В этом случае изменяется частота вращения ротора турбомашины и на его элементы (лопатки, подшипники и пр.) действует переменная по частоте возмущающая сила, которая во многих случаях вызывает переходные резонансные колебания элементов. Особенностью данного режима работы турбомашины является то, что: - максимум амплитуды имеет место не в момент совладения частоты возмущающей силы с собственной частотой системы и уменьшается при увеличении скорости изменения частоты; - значения амплитуд и частот резонансных колебаний при фиксированной скорости изменения частоты возбуждения в случае разгона и торможения будут различны (при разгоне максимум амплитуд смещается в сторону больших частот, а при торможении - в сторону меньших частот). В процессе эксплуатации турбомашин возможно как изменение жесткости лопаток (появление усталостных трещин), так и изменение массы лопаток (увеличение массы лопаток рабочих колес вентиляторов за счет загрязнения, уменьшение массы лопаток насосов, компрессоров и др. за счет абразивного и коррозионного износа). И в том, и в другом случае происходит изменение собственной частоты колебаний и, следовательно, диагностическая оценка на основе изменения резонансной частоты будет неоднозначна. Для исключения неоднозначных оценок необходимо использовать дополнительный информативный параметр, получаемый в процессе диагностирования в режимах разгона и торможения непосредственно или расчетным путем. Таким параметром может быть коэффициент затухания, величина которого обратно пропорциональна массе колебательной системы. Если колебания лопаток турбомашины в процессе разгона или торможения описываются уравнением вида [3] где - координата, определяющая положение системы; - время; - коэффициент затухания; - демпфирование системы; - масса системы; собственная частота системы; - жесткость системы; - амплитуда возмущающей силы; - угловое ускорение; - начальная фаза, то частота возмущающей силы возбуждается максимальная определяется выражением: при которой амплитуда, Знак имеет место при возрастании, при убывании частоты возмущающей силы. Если частота возмущающей силы, при которой возбуждается максимальная амплитуда, определяется при фиксированном значении углового ускорения последовательно при разгоне и торможении, то разность частот выражением согласно (2) будет определяться откуда Взяв сумму резонансных частот при разгоне и торможении, получим Отсюда собственная лопаток будет равна частота колебаний Таким образом, оценка изменения собственной частоты колебаний в процессе эксплуатации позволяет судить об изменении жесткости системы, при этом изменение массы системы может быть выявлено за счет оценки изменения коэффициента затухания. В отличие от прототипа предлагаемый способ позволяет получать оценки технического состояния лопаток турбомашин не по косвенным диагностическим параметрам, а непосредственно по изменению динамических характеристик колебательных систем, которые составляют исследуемые лопатки. На фиг.1 изображена блок-схема устройства для осуществления предложенного способа вибродиагностики турбомашины; на фиг.2 диаграмма спектра мощности при разгоне; на фиг.3 - диаграмма спектра мощности при торможении; на фиг.4 - спектр разностей резонансных частот. Устройство для осуществления предложенного способа (фиг.1) содержит турбомашину 1 с лопатками 2, на корпусе которой установлен вибропреобразователь 3, связанный через усилитель 4 со спектроанализатором 5. Датчик 6 оборотов соединен с валом турбомашины 1. Устройство также снабжено блоком 7 управления частотой оборотов турбомашины 1. Способ вибродиагностики турбомашины осуществляют следующим образом. Блоком 7 управления частотой оборотов турбомашины 1 осуществляют пуск и задают частоту оборотов, изменяющуюся во времени по линейному закону с угловым ускорением в сторону увеличения (разгон) до момента выхода на номинальный режим работы. Датчиком 6 оборотов контролируют частоту вращения турбомашины 1. Виброакустический сигнал вибропреобразователем 3, установленным на корпусе турбомашины 1, преобразуют в электрический, усиливают усилителем 4, подают на спектроанализатор 5 и определяют спектр мощности при разгоне, по которому фиксируют частоту резонансных колебаний лопаток 2 по первой форме колебаний. После выхода на номинальный режим работы турбомашины 1 блоком 7 управления частотой оборотов турбомашины 1 включают режим торможения, при этом число оборотов турбомашины 1 изменяют по линейному закону с отрицательным угловым ускорением, равным по абсолютной величине ускорению при разгоне, определяют спектроанализатором 5 спектр мощности при торможении и формируют спектр разностей резонансных частот колебаний узлов турбомашины 1; а также усредненное значение резонансной частоты при разгоне и торможении. На основании полученных данных и выбранного значения углового ускорения по формулам (4) и (6) определяют значения собственной частоты колебаний и коэффициента затухания а также по предыдущим измерениям этих параметров определяют степень их изменения в процессе эксплуатации, по которой судят о техническом состоянии турбомашины 1. Оценка изменения и позволяет судить об изменении жесткости и массы лопаток 2, что позволяет судить о техническом состоянии турбомашины 1.