Удержание резонанса лопаток с помощью микрофона

Стандартная процедура испытаний по удержанию резонанса лопаток турбин подразумевает использование в качестве контрольных каналов преобразователей виброускорения, виброскорости или виброперемещения.

При испытаниях миниатюрных образцов остро встаёт вопрос о возможности механического крепления контрольных датчиков на объекте испытаний. В большинстве таких случаев используются бесконтактные вибрационные датчики оптического типа: лазерные виброметры на основе эффекта Доплера или лазерные триангуляционные измерители. Однако, пользователи могут столкнуться с рядом трудностей при выборе и использовании датчиков данного типа:

• лазерные виброметры, работающие на основе эффекта Доплера, достаточно точны и способны охватить широкий частотный диапазон, но цена одного такого вибометра слишком высока, в силу чего не каждый испытательный центр сможет позволить себе его приобретение; так же к минусам можно отнести: большой вес устройства, трудности при его монтаже, необходимость жесткой фиксации, наличие светоотражающей поверхности, соотношение сигнал-помеха на высоких частотах при высоких ускорениях;
• лазерные триангуляционные измерители доступнее по цене, но способны качественно регистрировать виброперемещение только в диапазоне частот до 1 кГц; также для получения наиболее достоверных результатов необходим определенный опыт при установке датчика.

Учитывая эти особенности, нашими специалистами было принято решение провести исследования для поиска более доступных бесконтактных средств измерения параметров вибрации.

При исследовании лопаток газовых турбин на поиск резонансов было отмечено, что в большинстве случаев первые моды колебаний располагаются на частотах выше 100 Гц, вызывая при этом звуковые вибрации.

Звуковые вибрации в лоптках вызывают смещения частиц окружающего воздуха, расположенного в непосредственной близости от их поверхности, что приводит к передаче энергии колебания лопатки частицам воздушной среды, и как результат образованию звуковых волн.

Совокупность распространяющихся звуковых волн образует акустическое поле источника звука, основными характеристиками которого являются:

• звуковое давление p (Па);
• колебательная скорость частиц среды υ (м/с).

Если рассматривать звуковые волны, распространяющиеся от резонирующей лопатки как квазиплоские, то в отрытом пространстве на небольшом расстоянии от источника будет справедливо следующее равенство:

p = k·υ·ρ·c,

где ρ (кг/м³) — плотность среды; для воздуха при температуре 20°С = 1,21 кг/м³;
c (м/с)  — скорость звука в газах и жидкостях; для воздуха при температуре 20°С = 344 м/с;
k — безразмерный коэффициент, зависящий от отношения удвоенного растояния от микрофона до источника звука к длине волны (диапазон занчений от 0,3 до 0,8).

Соответственно, колебательную скорость лопатки турбины на собственных частотах можно рассчитывать по звуковому давлению при помощи измерительных микрофонов.

Порядок действий при исследовании был следующий:

• расчет частот собственных колебаний (ЧСК) лопатки на сигналах слабого уровня, с помощью программной функции «Предтест и поиск резонансов»;
• анализ результатов и определение 1, 2 и 3-й мод колебаний лопатки по результатам предтеста;
• запуск профиля испытаний по удержанию резонанса лопатки на 1й моде колебаний по звуковому давлению;
• теоретический расчет колебательной скорости лопатки по уровню измеренного звукового давления;
• анализ соотношения рассчитанного значения колебательной скорости лопатки и фактически полученных значений.

Исследования проводились на 2й моде колебаний — 1153 Гц с уровнем звукового давления 10 Па.

Согласно расчетным данным, скорость лопатки должна находиться в пределах 0,01 м/с.

Экспериментальное значение скорости, рассчитанное программным путем на основе перемещения лопатки составило 0,01 м/с, что соответствует теоретически рассчитанному значению.

Эксперимент показал, что использование микрофонов в качестве бесконтактного косвенного метода определения параметров вибрации действенный и имеет ряд преимуществ перед оптическими датчиками:

• легкость установки и регистрация звукового давления даже в труднодоступных областях изделий;
• частотный диапазон измерений от 20 Гц до 20 кГц;
• согласованная фильтрация позволяет выделять полезный сигнал на уровне сторонних шумов и помех;
• приемлемая стоимость.