Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

физическая частота вращения ротора низкого давления nôíä на этом режиме может принимать зна- чения из диапазона ∆nôíä . Это приведет к различ- ным реализациям гироскопических свойств колебательной системы двигателя, к некоторому изменению положения резонансных режимов и, как следствие, к изменению уровня вибрации на режиме, соответствующем nôâä. На двигателях средней тяги (R = 10...16тс) со степенью двухконтурности m = 2...4 величина ∆nôíä может превышать 700 об/мин. В условиях высокой плотности спектра резонансных режимов изгибных колебаний системы роторов и корпусов двигателя этого оказывается достаточным, чтобы изменение положения резонансных режимов вследствие изменения гироскопических свойств системы сказалось на уровне вибрации (см. Рис. 14.5.8.2_4).

Необходимо, однако, отметить, что не для всех резонансных режимов в одинаковой степени сказывается изменение гироскопических свойств колебательной системы двигателя. Наиболее чувствительными оказываются такие резонансные режимы, на которых, при изгибе роторов по соответствующей форме колебаний, в наибольшей степени проявляется поворот участков ротора, содержащих узлы с большими моментами инерции. Вибрация изменяется не только вследствие смещения частоты резонанса, но также и вследствие некоторого изменения формы прогибов на этом резонансе, поскольку при этом несколько изменяется демпфирование в системе и уровень возбуждения колебаний неуравновешенностью роторов (14.5.93).

Рисунок 14.5.8.2_4 - Линии скольжения 1 - первая линия скольжения

(МГ - 0,37 Ne); 2 - вторая линия скольжения (МГ - Взлет); 3 - третья линия скольжения (Ne - МГ); 4 - четвертая линия скольжения (0,38 Ne - реверс);

Помимо факторов, связанных с условиями полета и тепловыми процессами, происходящими в двигателе, на уровень вибрации может влиять увеличение эксплуатационной наработки двигателя. Причины изменения вибрации с ростом наработки связаны как с разбалансировкой роторов, так и с изменением параметров колебательной системы двигателя. По мере износа элементов проточ- ной части двигателя изменяются такие параметры, как соотношение частот вращения (скольжения) роторов и значения температур в газовоздушном тракте. Это ведет к некоторому изменению тепловых потоков в узлах двигателя и гироскопических свойств системы. Оба фактора были рассмотрены выше.

14.5.8.3 - Статистические характеристики вибрации

При изучении вибрации авиационного двигателя практически не удается при поворотных измерениях получить совпадающие или достаточно близкие значения измеряемых величин. Это происходит даже в том случае, когда вибрографирование производится на одном и том же экземпляре двигателя, казалось бы в одинаковых условиях, и фиксируется вибрация только с частотами первых роторных гармоник. Причина такого поведения связана с влиянием на уровень вибрации крайне широкого набора внешних и внутридвигательных факторов, некоторые из которых обсуждались в предыдущем параграфе.

Учесть все факторы при выполнении измерения невозможно. Например, атмосферные условия можно контролировать, но ими нельзя управлять. О характере разбалансировки роторов на рабочих режимах - основном источнике роторной вибрации - имеется лишь весьма приближенное представление. Характер разбалансировки будет зависеть как от последовательности и длительности работы двигателя на рабочих режимах, так и от длительности стоянки двигателя перед запуском и положения ротора, в котором он находился при остывании.

Существенное влияние на упругие и диссипативные свойства силовой схемы двигателя и, соответственно, на уровень вибрации оказывают нестационарные тепловые поля в деталях и узлах двигателя. Учесть их воздействия на величину вибрации оказывается невозможным в виду отсутствия в настоящее время достаточно адекватных моделей теплового состояния для двигателя в целом. Наконец, в зависимости от множества внешних и внутренних факторов в колебательной системе двигателя будут в различной степени проявляться

1102

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

Рисунок 14.5.8.3_1 - Случайный разброс вибарации одного экземпляра двигателя за серию пол¸тов

нелинейные эффекты (например, в контактных взаимодействиях во фланцевых соединениях корпусов или тел качения в подшипниках), которые приведут к различной степени взаимовлияния и модуляции гармонических составляющих спектра вибрации. Ввиду сложности конструкции двигателя и множества причин, влияющих на его вибрацию, перечисление всех возможных причин и их учет при измерении вибрации вряд ли возможен. Нестабильность амплитуды, фаз и частот составляющих вибрации заставляет рассматривать вибрацию как случайный процесс. Примеры случайного поведения вибрации показаны на Рис. 14.5.8.3_1 и 14.5.8.3_2.

Несмотря на случайный характер отдельных измерений вибрации, по множеству измерений, полученных при многократно повторенных опытах, можно определить средние величины, которые с некоторой вероятностью будут характеризовать конкретную реализацию измеренной вибрации. При статистическом подходе результат измерения вибрации õ рассматривается как случайная вели- чина. Для ее описания применяется функция плотности вероятности распределения ее значений ð(õ). Эта функция принимает значения, равные вероятности попадания значения вибрации õ в бесконеч- но малый интервал dx (ñì. Ðèñ. 14.5.8.3_3), ïðè- ÷åì

. (14.5.8.3-1)

В качестве характеристик случайной величи- ны õ вибрации используют среднее значение

(14.5.8.3-2)

Рисунок 14.5.8.3_2 - Изменение вибрации двигателя на одном и том же режиме за серию пол¸тов

Рисунок 14.5.8.3_3

и среднеквадратичное отклонение

(14.5.8.3- 3)

Среднее значение mõ характеризует величину, около которой группируются измеренные величи- ны вибрации, а среднеквадратичное отклонение σõ показывает степень разброса возможных значений вибрации относительно средней величины mõ.

Если имеется набор из n измеренных значе- ний вибрации õi , i=1,...,n, то среднее значение mõ оценивается величиной

, (14.5.8.3-4)

1103

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

а среднеквадратичное отклонение - величиной

(14.5.8.3-5)

Для оценки разброса значений вибрации применяется также коэффициент вариации амплитуды вибрации

(14.5.8.3-6)

Для первых гармоник роторов величина η составляет примерно 0,15...0,25. С ростом вибрации коэффициент вариации несколько падает, а при малых уровнях - несколько увеличивается.

пе освоения серийного производства, определяются виброхарактеристики двигателя - зависимости амплитуды вибросмещения, виброскорости или виброускорения от частоты вращения ротора. Уточ- няются штатные места расположения вибропреобразователей, по которым в дальнейшем будет контролироваться вибрация, назначаются диапазоны частот вращения роторов для проведения эффективного контроля вибрационного состояния двигателя на приемо-сдаточных испытаниях, при длительных стендовых испытаниях и в эксплуатации. При определении размещения штатных вибропреобразователей необходимо стремиться к тому, чтобы вибрация в этих точках была наиболее четко связана с возбуждающими силами и имела наиболее характерный для двигателя спектральный состав

14.5.8.4 - Измерение и нормирование вибрации

Вибрация двигателей измеряется с помощью специальных датчиков вибрации - вибропреобразователей - индукционного или пьезоэлектрического типа (см. Рис. 14.5.8.4_1). Измерение вибрации силовых корпусов выполняется при всех видах испытаний двигателей и при эксплуатации. При этом вибрация двигателя рассматривается с двух точек зрения. С одной стороны, высокий уровень вибрации может стать причиной усталостных поломок элементов конструкции двигателя и размещенных на нем агрегатов и обвязки. По этой причине должен быть определен допустимый уровень вибрации, с превышением которого работа двигателя не допускается. С другой стороны, повышение или изменение вибрации может рассматриваться как признак появившейся или развивающейся неисправности какого-либо узла двигателя. В этой связи разрабатываются методы вибродиагностики - методы, позволяющие по характеру изменения вибрации определить тип неисправности двигателя.

Допустимые уровни вибрации и общие требования к контролю вибрации двигателей определяются нормативными документами. При определении виброхарактеристик двигателя в опытном производстве проводят подробное вибрографирование, при котором вибропреобразователи устанавливают на корпусах двигателя в плоскостях расположения опор роторов, имеющих непосредственную связь с корпусом, на узлах крепления самолетных подвесок. По результатам вибрографирований двигателя, выполненных в процессе доводки и на эта-

Рисунок 14.5.8.4_1 - Устройство вибропреобразователей 1 – кольцевой магнит; 2 – мас-

са; 3 – катушка индуктивности; 4 – пьезокристалл; 5 – масса; 6 – корпус вибродатчика; 7 – электрический разъем

1104

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

(причем величина вибрации при этом не обязательно должна быть самой максимальной). Крепление вибропреобразователя к корпусу должно быть таким, чтобы собственная частота вибропреобразователя, размещенного на корпусе, лежала вне исследуемого диапазона частот вибрации.

Для эксплуатационных условий допустимый уровень вибрации назначается, исходя из требования обеспечения динамической прочности элементов конструкции двигателя. Однако, это требование, являясь основным, может быть не единственным. Вибрация, передаваясь по самолетным конструкциям, может приводить к снижению комфортности в салоне самолета, например, по уровню шума. Это также может учитываться при назначении допустимого уровня вибрации в эксплуатационных условиях. В целом, в качестве нормы принимаются такие значения вибрации, при которых достаточно мала вероятность вибрационных дефектов, а меры обеспечения заданной нормы остаются приемлемыми для конструкции, технологии и эксплуатации.

При назначении допустимого уровня вибрации в производстве (на приемо-сдаточных испытаниях) учитываются данные о статистическом разбросе значений вибрации, полученные при доводке и освоении двигателя, а также ожидаемое влияние эксплуатационных факторов на величину вибрации. Производственное ограничение вибрации должно выбираться более жестким, чем эксплуатационное, так чтобы обеспечить в эксплуатации достаточно малую вероятность превышения допустимого уровня. Если при этом окажется, что производственное ограничение может быть с большой вероятностью превышено, разрабатываются мероприятия по снижению вибрации двигателя. Снижения вибрации можно достичь технологическими (качество изготовления, сборки, технология и качество балансировки) и конструктивными (отстройка резонансов и демпфирование колебаний) мерами. Анализ статистического распределения величин вибрации двигателей на приемо-сдаточ- ных испытаниях дает оценку стабильности производства и позволяет выявить резкие выпады, обус-

Рисунок 14.5.8.4_2 - Диагностические признаки вибрации а) тренд; б) скачок; в) выброс; г) повышение разброса

1105

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

ловленные снижением качества изготовления двигателей.

В эксплуатационных условиях контроль вибрации используется не только для оценки допустимости ее уровня, но и для вибродиагностики технического состояния двигателя [14.8.30]. Диагностирование изменения технического состояния двигателя связано с анализом тенденций изменения параметров вибрации. Для этого выполняется регистрация вибрации и построение графиков зависимости параметров вибрации от времени эксплуатации. С целью уменьшения влияния эксплуатационных факторов регламентируются участки полета и режимы работы двигателя, на которых выполняется регистрация вибрации. Анализ тенденций изменения вибрации выполняется по результатам ее регистрации в 10...40 полетах в сходных высотно-скоростных и режимных условиях работы двигателя. Опыт показывает, что можно выделить несколько основных типов поведения вибрации, которые могут быть связаны с появлением и развитием неисправностей в роторной части двигателя: тренд, скачек, выброс (см. Рис. 14.5.8.4_2).

Появление тренда вибрации может указывать на относительно медленное развитие неисправности, связанной с износом элементов проточной ча- сти или опор ротора. В практике отмечались слу- чаи появления тренда в связи с поломками подшипников.

Скачек параметра вибрации представляет резкое изменение ее среднего значения. Это может быть связано с мгновенным изменением неуравновешенности ротора вследствие повреждения лопаток посторонними предметами или, например, обрыва болтов крепления деталей в роторе.

Выброс представляет скачкообразное увели- чение уровня вибрации с последующим возвращением к исходному уровню. Чаще всего такое поведение наблюдается при неисправности виброаппаратуры, что выявляется ее проверкой. Возможной причиной также может быть дефект в двигателе, когда при определенном сочетании теплового состояния и нагруженности ротора с режимом работы двигателя возникает раскрытие стыков сопрягаемых деталей вследствие недостаточной затяжки или потери натяга. В этом слу- чае происходит резкое изменение жесткости узла и неуравновешенности ротора. Однако, при снижении нагрузки или изменении режима работы двигателя это явление пропадает.

Появление повышенного разброса параметра вибрации может быть связано с нестабильностью возмущающих сил, изменениями параметров (например, диссипативных) колебательной системы

двигателя или с изменением характера влияния на вибрацию внешних эксплуатационных факторов.

В целом, при решении задач вибродиагностики наиболее важным является умение различать изменения вибрации исправного двигателя, находящегося под воздействием внешних и внутренних эксплуатационных факторов, от изменений вибрации, вызванных появлением и развитием неисправности в двигателе. Повышение достоверности алгоритмов вибродиагностики может быть достигнуто на основе обобщения обширных данных о возможных типах вибрационного поведения исправных двигателей в сочетании с тщательным анализом неисправностей, обнаруженных при эксплуатации, и их влияния на вибрацию.

Наибольшей эффективности вибродиагностики можно достичь сочетанием ее с другими видами бортового и наземного контроля и диагностики параметров двигателя. Здесь следует использовать сигнализаторы наличия стружки в масле, результаты анализа содержания металлов и примесей в масле, результаты измерения температуры в различных точках маслосистемы и других параметров двигателя.

1106