Р.Х. Макаева

Детали турбомашин (крыльчатки, колеса, облопаченные диски) являются наиболее нагруженными объектами во время эксплуатации двигателей. При совпадении частоты вибрационных нагрузок с величиной собственных частот объектов последние испытывают интенсивные колебания, приводящие к образованию усталостных трещин, их развитию и даже обрыву, в результате чего машина выходит из строя.

Получение информации о резонансных частотах, картина узловых линий, или форм колебаний, по всей поверхности объекта является главной задачей вибрационных исследований. Такую информацию можно получить, применяя метод голографической интерферометрии [1].

В данной работе представлены результаты исследования вибрационных характеристик двух объектов: крыльчатки обдува генератора газотурбинного двигателя (ГТД) и колеса центробежного компрессора (ЦК) турбодетандерного агрегата; сделан анализ разрушений методами голографической интерферометрии.

Объекты крепились жестко при помощи специального приспособления в вертикальном положении. Колебания возбуждались посредством пьезокерамического вибратора, подведенного к зажимному устройству. Механические колебания передавались от зажимного устройства к объекту. На вибратор подавалось напряжение с выхода звукового генератора. Положение резонанса контролировалось с помощью импульсного шумометра, собственные частоты измерялись частотометром. Регистрация голограмм производилась методом усреднения по времени. В процессе восстановления голограмм получали интерферограммы амплитудного распределения колебаний, которые были затем сфотографированы и отпечатаны на фотоснимках.

Были получены голографические интерферограммы колебаний годной крыльчатки. Первая изгибная форма колебаний была зафиксирована на частоте 877 Гц. Значения резонансных частот по формам двух-, трех-, четырех- и семи узловых диаметров представлены в таблице 1.

Анализ голографических интерферограмм по вариантам состояний и частот показал, что "выходы" узловых линий на кромках полотна крыльчатки и профиль разрушения совпадает с траекторией линии равного смещения на интерферограмме колебаний по форме с тремя узловыми диаметрами (¦ = 4870 Гц).

На рис.2 представлены разрушенная крыльчатка и голографическая интерферограмма аналогичной годной детали, колеблющейся на частоте 4870 Гц. Доработка полотна (был произведен съем металла) на другой крыльчатке позволила изменить собственные частоты объекта, сохранив те же формы колебаний (табл.1). Форма колебаний с тремя узловыми диаметрами была зафиксирована на частоте 4740 Гц.

а) б) Рис.3. Сектор колеса центробежного компрессора: в состоянии покоя (а), интерферограмма колебаний колеса на частоте 3208 Гц (б)

На рис.3 а показан сектор дефектного колеса ЦК в состоянии покоя, то есть при ¦ = 0. Штрихами обозначены расположения выходных кромок лопаток под покрывным диском. Стрелкой указан обрыв полотна, который произошел во время эксплуатации.

Было исследовано годное колесо ЦК, получены голографические интерферограммы колебаний объекта по форме двух узловых диаметров

Проанализировав полученные данные, можно предположить, что разрушение при резонансных колебаниях на частоте 3208 Гц (рис.3 б), так как максимальные напряжения, приводящие к образованию трещин имеют место вблизи узловых линий [2], а при этой частоте узловые линии (светлые полосы) совпадают с расположением лопаток под покрывным диском. Именно в этом месте произошло выкрашивание участка полотна в процессе эксплуатации.

Результаты исследований показали, что анализ вибраций и разрушений методом голографической интерферометрии нагляден и несложен. Простота реализации метода заключается в возбуждении исследуемого объекта, получении голограммы и наблюдении восстановленного изображения. По полученным интерферограммам можно проводить качественную диагностику разрушений, дополняя существующие традиционные методы.

1. Вест Ч. Голографическая интерферометрия, М.: Мир, 1982.