Диагностика технического состояния, разрушения деталей и узлов турбомашин по их вибрационным характеристикам с применением голографической интерферометрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.03, доктор технических наук Макаева, Розалия Хабибулловна

• Макаева, Розалия Хабибулловна
• доктор технических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор технических наук Макаева, Розалия Хабибулловна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностика технического состояния, разрушения деталей и узлов турбомашин по их вибрационным характеристикам с применением голографической интерферометрии»

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.

Заключение диссертации по теме «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов», Макаева, Розалия Хабибулловна

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.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Макаева, Розалия Хабибулловна, 2009 год

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.