Автор: Пользователь скрыл имя, 24 Марта 2014 в 21:23, курсовая работа
Стремление к улучшению показателей двигателей приводит к увеличению скоростей, повышению энергонапряженности, усложнению рабочих процессов и конструктивных схем двигателей, к применению легких и тонкостенных конструктивных элементов. Вследствие этого усложняется характер вибрации и увеличиваются вибрационные нагрузки на детали двигателей, т.е. увеличивается интенсивность и опасность вибрации.
Существенное влияние на изменение уровня вибрации двигателя оказывает появляющаяся в эксплуатационных условиях дополнительная неуравновешенность роторов. Ее появление может быть вызвано как увеличением массового дисбаланса в связи с разбалансировкой роторов в рабочих условиях, так и воздействием на роторы аэродинамических сил и тепловых потоков, с которыми связано появление аэродинамического и теплового дисбалансов.
Появление теплового дисбаланса в роторах авиационных двигателей возможно в различных условиях эксплуатации. В частности, это происходит при остановке двигателя, когда в элементах роторов реализуются градиенты температуры в вертикальном направлении (см. Рис. 3), что вызывает изгиб роторов вследствие тепловых деформаций. Величины возникающих тепловых дисбалансов зависят от времени охлаждения двигателя и могут изменяться в зависимости от регламента его прогрева при последующем запуске. Помимо времени охлаждения перед запуском и регламента прогрева двигателя определенное влияние на формирование теплового дисбаланса оказывают условия на входе в двигатель в полете. В этом случае основную роль играет термоупругая деформация статора (при высоких скоростях полета характерных для военных самолетов), приводящая к взаимному смещению опор ротора.
Рисунок 3 - Возникновение теплового дисбаланса при остывании двигателя вследствие неосесимметричнности температурных полей (стрелками показаны конвективные потоки воздуха)
В связи с тем, что в современных авиационных двигателях развитие теплового дисбаланса происходит за время, сравнимое со временем разгона самолета и временем набора высоты, необходимо различать изменение вибрации, происходящее вследствие теплового дисбаланса, и изменения вибрации, обусловленные изменением параметров полета. Влияние параметров полета на величину вибрации двигателя можно пояснить следующим образом. В различных участках высотно-скоростной области полета самолета (см. Рис. 4а) при различных реализациях широтно-климатических условий (см. Рис. 4б) параметры воздуха на входе в двигатель могут существенно изменяться. В силу термогазодинамических свойств двигателя это вызывает изменения скольжения роторов (см. Рис. 5). Таким образом, если на двигателе реализуется режим с физической частотой вращения ротора высокого давления nфвд , то физическая частота вращения ротора низкого давления nфнд на этом режиме может принимать значения из диапазона ∆nфнд. Это приведет к различным реализациям гироскопических свойств колебательной системы двигателя, к некоторому изменению положения резонансных режимов и, как следствие, к изменению уровня вибрации на режиме, соответствующем nфвд. На двигателях средней тяги (R = 10...16тс) со степенью двухконтурности m = 2...4 величина ∆nфнд 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. 6).
Рисунок 4 - Высотно-скоростные и широтно-климатические условия эксплуатации двигателя
а) область полета двигателя пассажирского самолета; б) диапазон высотных и широтно-климатических изменений температуры на входе в двигатель
Рисунок 5 - Изменение скольжения роторов в различных условиях полёта.
Рисунок 6 - 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)
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.
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 проточной 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.
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.
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 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. 7 и 8.
Рисунок 7 - Случайный разброс вибарации одного экземпляра двигателя за серию полётов
Рисунок 8 - Изменение вибрации двигателя на одном и том же режиме за серию полётов
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 рассматривается как случайная величина. Для ее описания применяется функция плотности вероятности распределения ее значений р(х). Эта функция принимает значения, равные вероятности попадания значения вибрации в бесконечно малый интервал dx (см. Рис. 9), причем
(2)
Рисунок 9
В качестве характеристик случайной величины вибрации используют среднее значение
(3)
и среднеквадратичное отклонение
. (4)
Среднее значение характеризует величину, около которой группируются измеренные величины вибрации, а среднеквадратичное отклонение показывает степень разброса возможных значений вибрации относительно средней величины .
Если имеется набор из n измеренных значений вибрации , i=1,...,n, то среднее значение оценивается величиной
(5)
а среднеквадратичное отклонение – величиной
Для оценки разброса значений вибрации применяется также коэффициент вариации амплитуды вибрации
(7)
Для первых гармоник роторов величина п составляет примерно 0,15...0,25. С ростом вибрации коэффициент вариации несколько падает, а при малых уровнях - несколько увеличивается.
Коэффициент вариации используют для сравнения рассеивания двух и более признаков, имеющих различные единицы измерения. Коэффициент вариации представляет собой относительную меру рассеивания, выраженную в процентах.
График плотности вероятности нормального распределения и процент попадания случайной величины на отрезки, равные среднеквадратическому отклонению.
Правило трёх сигм ( ) - практически все значения нормально распределённой случайной величины лежат в интервале . Более строго — не менее чем с 99,7 % достоверностью значение нормально распределенной случайной величины лежит в указанном интервале (при условии, что величина истинная, а не полученная в результате обработки выборки).
Если же истинная величина неизвестна, то следует пользоваться не , а (стандартное отклонение - оценка среднеквадратического отклонения случайной величины x относительно её математического ожидания на основе несмещённой оценки её дисперсии). Таким образом, правило трёх сигм преобразуется в правило трёх .
Вибрация двигателей измеряется с помощью специальных датчиков вибрации - вибропреобразователей - индукционного или пьезоэлектрического типа (см. Рис. 10). 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 этапе освоения серийного производства, определяются виброхарактеристики двигателя - зависимости амплитуды вибросмещения, виброскорости или виброускорения от частоты вращения ротора. Уточняются 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 (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.
Рисунок 10 - Устройство вибропреобразователей
1 - кольцевой магнит; 2 - масса; 3 - катушка индуктивности; 4 - пьезокристалл; 5 - масса; 6 -корпус вибродатчика;
7 - электрический разъем
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-сдаточных испытаниях дает оценку стабильности производства и позволяет выявить резкие выпады, обусловленные снижением качества изготовления двигателей.