Контроль вибраций турбомашин. типы и теория вибродатчиков

Основные источники вибраций турбомашин: неуравновешенность роторов; автоколебания роторов НЧВ; неустойчивость течений внутри проточных частей (срывные явления), особенно при нерасчетных режимах; вибрации при кинематическом возбуждении (например, возбуждение через опору, через фундамент от соседней турбомашины).

Необходимость контроля вибраций турбомашин возникает в связи с превышением допустимых амплитуд колебаний. Такое превышение может приводить к усталостным поломкам элементов турбомашин, то есть приводит к аварийным ситуациям. Поэтому все турбины снабжаются системами контроля вибраций. В первую очередь, эти системы представляют собой системы контроля вибраций подшипников.

Рис 1. Схема установки датчиков вибраций

Датчики вибрации могут быть одно- и двухкомпонентными (могут измерять вибрацию в двух направлениях).

Существуют три основных типа вибродатчиков:

· Вибрографы (измеряют перемещение при вибрации).

· Велосиметры (измеряют скорость колебаний при вибрации).

· Акселерометры (измеряют ускорение при вибрации).

Наиболее широко используются акселерометры.

Рассмотрим пьезоэлектрический датчик (акселерометр)

Рис. 2. Устройство пьезоэлектрического датчика: 1 – корпус датчика, 2 – пьезоэлементы, 3 – масса, 4 – упругая пластинка, 5 – выводы, 6 – корпус подшипника.

Основные элементы датчика: масса 3 и пьезоэлементы 2.

Пластина 4 относительно малой жесткости как бы поддерживает в корпусе 1 сборку пьезоэлементов и массы. Жесткость акселерометра определяется жесткостью самих пьезоэлементов. При деформации пьезоэлементов на обкладках возникает электрический заряд уровень которого прямо пропорционален величине виброускорения. Снимаемый электрический сигнал затем усиливается. Особенностью этих датчиков является их высокая надежность и высокая собственная частота колебаний.

Рассмотрим электромагнитный датчик (велосиметр), схема которого изображена на рис.3.

Рис. 3. Устройство электромагнитного датчика: 1 – корпус датчика, 2 – кольцевой магнит, 3 – катушка, 4 – масса, 5 – плоские пружины, 6 – выводы, 7 – корпус машины.

Датчик предназначен для регистрации горизонтальной составляющей скорости вибраций. В данной конструкции электрический сигнал прямо пропорционален скорости вибрации: U ~ B×dx/dt, где U - разность потенциалов на выводах катушки, B - магнитная индукция, x - виброперемещение, t – время.

Рассмотрим основы теории вибрографа, воспользовавшись принципиальной схемой его колебательной системы, представленной на рис. 4.

Рис. 4. Схема вибрографа

На невесомой пружине 1 жесткостью c (н/м) закреплена масса 2. Колебательная система имеет 1 степень свободы, характеризуемую смещением y относительно перемещения опоры. Действие силы сопротивления на схеме моделируется демпфером 3. При этом сила сопротивления полагается пропорциональной скорости. При вибрации конструкции, характеризуемой перемещением z(t) вибрирует и сама масса. Примем гармонический закон изменения смещения конструкции при вибрации

, (1)

где - амплитуда колебаний конструкции, м.

Тогда дифференциальное уравнение движения датчика в абсолютной системе координат можно записать в виде

; (2)

Подставим выражение (1) в (2) и получим

; (3)

Вынужденное движение будет также гармоническим. Соответственно изменение перемещения массы датчика относительно конструкции характеризуемое частным решением представим в виде

, (4)

где - комплексная амплитуда колебаний датчика, ( , здесь А - амплитуда колебаний датчика, м; g - угол отставания по фазе колебаний массы датчика от колебаний самой конструкции, рад).

; (4)

Используя обозначения - удельная жесткость, - удельный коэффициент сопротивления, - относительная частота возмущения и - относительный удельный коэффициент сопротивления. Далее перепишем выражение (4) в виде

; (5)

Модуль комплексной амплитуды можно найти по формуле

; (6)

Тогда выражение (6) можно переписать в виде

; (7)

Амплитудно–частотная и фазово–частотная характеристики рассматриваемой колебательной системы показаны на рис. 5.

Рис. 5. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики

Полученные характеристики позволяют выделить области частотных характеристик, соответствующих рабочим процессам вибрографов и акселерометров.

Отметим важную особенность. В зарезонансной зоне (w >> р, поэтому , в соответствии с (7) ) и колебания массы и конструкции находятся в противофазе ( ), следовательно соответствует этой зоне масса остается неподвижной в абсолютной системе координат. Таким образом, создается модель искусственно неподвижной точки. Относительные перемещения массы прибора равны по амплитуде перемещениям машины, но относительное движение массы происходит в противофазе по отношению к движению машины. Таким образом, регистрация относительного движения массы прибора при режимах, соответствующих зарезонансной области характеристики, позволяет реализовать принцип вибрографа – прибора для измерения перемещений. Все вибрографы характеризуются относительно большой массой колебательной системы и относительно малой жесткостью ( так как w > р, то нужно стремится уменьшить собственную частоту колебаний р, для этого можно уменьшать жесткость вибрографа с и увеличивать массу вибрографа m, так как ).

Акселерометры работают в области малых a (w << р), что соответствует ( - измеряемая амплитуда ускорения машины). Таким образом, амплитуда колебаний датчика прямо пропорциональна амплитуде ускорения машины, хотя она будет зависеть в некотором масштабе от отношения . Акселерометры обладают высокой собственной частотой колебаний р, поэтому они характеризуются относительно малой массой и относительно большой жесткостью. В основном на практике используются акселерометры, с помощью которых мы получаем сведения о значениях виброускорения. С помощью интегрирующих цепочек, используя выходные сигналы, мы можем аппаратно получить информацию по виброскорости и виброперемещениям.

С точки зрения опасности колебаний наиболее информативными являются виброускорения, т. к. инерционные силы прямо пропорциональны величинам . В настоящее время контроль вибраций турбомашин проводится по виброскорости. Отметим, что величины скоростей лучше характеризуют инерционные нагрузки, чем переменная ( ) и нормирование вибраций турбомашин по виброскорости довольно удобно, так как, например, излучение шума машинами прямо пропорционально скорости вибрации.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ

Известны виды датчиков давлений:

· Тензодатчики;

· Индуктивные;

· Пьезодатчики.

Для более высокого диапазона измерений следует иметь более высокую собственную частоту датчика, величина которой зависит от толщины пластинки и максимального модуля упругости (в данном случае лучше сталь, чем титан). Чем выше объем камеры и соединительной трубки, тем ниже частота. Можно измерить пульсации до 1500-2000Гц.

Тензодатчики (температура 100-200⁰С)

Индуктивный

Емкостной датчик. Между пластинами емкость. Меняется зазор – меняется емкость (но влияет температура).

Пьезодатчики (температура до 300⁰С). При самой высокой температуре способен работать кварцевый, но он обладает слабым пьезоэффектом.

На основе измеренных давлений можно определить в большинстве случаев действие силы. Если много датчиков, то применяют многоканальный АЦП.

Добавить! И рисунки!