Спосіб визначення частот і форм резонансних коливань лопаток газотурбінного двигуна методом спекл-інтерферометрії

Реферат: Спосіб визначення форм резонансних коливань лопаток газотурбінного двигуна (ГТД) включає розміщення лопатки в затискному пристрої, збудження коливань лопатки на резонансних частотах, реєстрацію спекл-інтерферограми в реальному часі. В режимі реального часу аналізують сигнал з камери, визначають вібруючі спекли та на основі цієї інформації поновлюють форми коливань лопаток ГТД. UA 103068 U (12) UA 103068 U UA 103068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки та може бути використана для дослідження резонансних коливань лопаток газотурбінного двигуна (ГТД) методом спеклінтерферометрії. Відомий інтерферометр з гладеньким осьовим опорним пучком, що містить джерело когерентного випромінювання, канал формування предметного пучка, канал формування опорного пучка, світлодільник для накладення предметної та опорної хвилі і трубку телекамери, кореляційні смуги, в якому отримують в результаті обробки зображення з використанням телевізійної техніки (Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спеклинтерферометрия - М.: Мир, 1986. - с. 186). В такому інтерферометрі центр опорної хвилі повинен співпадати з центром діафрагми об'єктива телекамери, що суттєво ускладнює юстировку оптичної схеми. Окрім того, наявність просторово розділених трактів опорного та предметного пучків робить інтерферометр дуже чутливим до зовнішніх збурень, вимагає створення віброзахищеного стенда і унеможливлює його використання в умовах виробничого цеху. Також відомо про пристрій для дослідження власних частот і форм коливань (див. патент на корисну модель RU71429 "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМ КОЛЕБАНИЙ"), що містить джерело когерентного випромінювання, канал формування предметного пучка, канал формування опорного пучка, світлодільник, відеокамеру, з'єднану з ПК. При цьому канали формування предметного та опорного пучків об'єднані, а світлодільник виконаний у вигляді слабкого дифузора з можливістю малих періодичних переміщень вздовж оптичної осі і малих поступальних переміщень в площині дифузора. Дифузор розташований перед досліджуваним об'єктом на відстані не більше половини довжини когерентності використовуваного лазерного випромінювання. Інтерференція предметного та опорного дифузних пучків створює на світлочутливій матриці відеокамери результуюче спекл-поле, яке при нерухомих лопатці та дифузорі має по всій поверхні зображення сталий контраст. Явище зміни контрасту спеклкартини на зображенні вібруючої поверхні використовується тільки для налаштування на резонанс. Визначення форми коливань здійснюється методом кореляційної спеклінтерферометрії шляхом віднімання зображень з інвертованою спекл-картиною. Але налаштування на резонанс та спостереження за мерехтінням спеклів, внаслідок слабкої контрастності картини, досить складна операція, а проводити по кілька зйомок для кожної резонансної частоти досить затратно за часом. Запропонований спосіб дозволяє скоротити час дослідження динамічних параметрів об'єкта та поліпшити візуалізацію й зображення форми коливань за допомогою комп'ютерної обробки. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення пристрою для визначення частот і форм резонансних коливань лопаток ГТД, з метою зменшення часу та вартості на проведення експериментів при визначенні динамічних параметрів лопаток ГТД. Поставлена задача вирішується тим, що у способі для визначення частот і форм резонансних коливань лопаток ГТД, що полягає в розміщенні лопатки в затискному пристрої, збудженні коливань лопатки на резонансних частотах, реєстрації спекл-інтерферограми в реальному часі, згідно з корисною моделлю, в режимі реального часу аналізують сигнал з камери, визначають вібруючі спекли та на основі цієї інформації поновлюють форми коливань лопаток ГТД. Принципова блок-схема апаратурного комплексу та оптична схема голографічного інтерферометра для визначення резонансних коливань наведена на кресленні. Як джерело когерентного випромінювання використаний напівпровідниковій лазер з довжиною хвилі   0,532 мкм , потужністю випромінювання 50 мВт та довжиною когерентності близько 5 см. Пристрій містить наступні складові частини: 1 - ОКГ; 2 - розширювач пучка; 3 - дифузор; 4 лопатка; 5 - віброперетворювач; 6 - підсилювач низької частоти (ПНЧ), який посилює сигнал від звукового генератора на віброперетворювач; 7 - звуковий генератор (ЗГ); 8 - діафрагма, 9 відеокамера, 10 - ПК. На кресленні представлено пристрій, який реалізує спосіб визначення форм резонансних коливань лопаток ГТД працює наступним чином. Промінь лазера 1, який проходить через розширювальну лінзу 2 та дифузор 3, висвітлює вібруючу лопатку 4. Віброзбудження дослідної конструкції здійснюється п'єзокерамічним віброперетворювачем 5, на який подається синусоїдальний сигнал звукового генератора 7, посилений підсилювачем низької частоти 6. Дифузор 3 виконаний з листового матеріалу, характеризується слабкою дифузністю. Деяка частина (10-20 %) випромінювання розсіюється дифузором 3, що призводить до утворення опорного спекл-поля на матриці відеокамери 9. Інша частина випромінювання йде на освітлення вібруючого об'єкта 4, внаслідок чого формується предметна спекл-картина, утворена розсіяним світлом від шорсткої поверхні лопатки 4. Внаслідок чого на світлочутливий матриці виникає інтерференція цих спекл-полів. Просторове 1 UA 103068 U 5 10 поєднання опорної та предметної хвиль дозволяє відмовитись від застосування спеціальних заходів віброзахисту вимірювально стенда. Діафрагма 8 встановлюється таким чином, щоб середній розмір спеклів займав кілька пікселів матриці камери 9. Відстань між дифузором 3 і досліджуваним об'єктом 4 не повинна перевищувати половини довжини когерентності джерела лазерного випромінювання. Камера 9 з'єднана з ПК 10 і повинна бути розташована якомога ближче до оптичної осі. При коливаннях лопатки контраст спекл-картини та кореляція спеклів на переданому в комп'ютер зображенні є функцією амплітуди коливань. Якщо в дану точку зображення на матриці камери від нерухомої поверхні дифузора приходить світло інтенсивністю IR і фазою R , а від нерухомої досліджуваної поверхні світло інтенсивністю IS і фазою  S , то інтенсивність цієї точки в стаціонарному результуючому спекл-полі складе: I  IR  IS  2 IR  IS cosR  S  . При гармонійній вібрації даної точки об'єкта відповідно до закону u  u0 sin t інерційний сенсор камери усереднить цю інтенсивність по проміжку часу експонування кадру    2  ,     тобто [2] 15 I  IR  IS   2 4   IR  IS  cos R  S   U0 sin t  dt .     0 Або 2  4U0  I  IR  IS  2 IR  IS  J0   cosR  S  ,    (1) 2 де J0 - квадрат функції Бесселя першого роду нульового порядку. 20 2 Контраст спеклів також буде змінюватися при зміні функції Бесселя. Якщо в (1) J0  0 , то інтенсивність змінюється тільки при зміні величин IS і IR , тоді як при максимальному значенні 2 J0 інтенсивність змінюється при зміні величин IS , IR і 2 IRIS cosR  S  . Таким чином мінімальний контраст відповідає умові [2]: U0  n  n  1,2,3,... , 4 (2) 25 30 35 40 Якщо згідно з [3] дифузор 3 привести в коливальний рух в нормальному до нього напрямку з амплітудою приблизно 0.5 , що б яскравість спеклів інвертувати з частотою 1-2 Гц, то мерехтливі спекли дозволяють спостерігати смуги нульового і в кращому разі першого порядків. Поліпшити візуалізацію й отримати фотозображення форми коливань з розподілу контрасту в спекл-картині вдалося за допомогою комп'ютерної обробки. Комп'ютерна програма виділяє мерехтіння спеклів, шляхом попіксельного аналізу декількох кадрів, і накладає відповідну їм маску, в результаті чого ми отримуємо форму коливань. Визначення мерехтливих спеклів здійснюється на основі зміни яскравості відповідних пікселів. Відношення розмаху яскравості пікселя до всього діапазону складає Imax  Imin 100 % . Оптимальний розмір буфера склав 6 255 кадрів, що дозволяє оновлювати картину форм коливань близько чотирьох разів на секунду, використовуючи побутову відеокамеру. Методика отримання форм коливань дозволила проводити експерименти на базі низькокогерентного лазеру та спостерігати в режимі реального часу картину спеклів на моніторі ПК. Економічний ефект від використання запропонованого технічного рішення можна порівняти з коштовністю наслідків аварії ГТД, що може мати катастрофічні наслідки. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Спосіб визначення частот і форм резонансних коливань лопаток газотурбінного двигуна (ГТД), що включає розміщення лопатки в затискному пристрої, збудження коливань лопатки на резонансних частотах, реєстрацію спекл-інтерферограми в реальному часі, який відрізняється 2 UA 103068 U тим, що в режимі реального часу аналізують сигнал з камери, визначають вібруючі спекли та на основі цієї інформації поновлюють форми коливань лопаток ГТД. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3