Разработка и совершенствование методов и средств голографической интерферометрии для исследования колебаний деталей и узлов газотурбинных двигателей Шапошников, Юрий Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы. Повышение .удельных параметров современ-ых газотурбинных двигателей (ГТД} рост их мощностных характерис-ик при одновременном снижении веса и расхода топлива приводят к еобходимости существенного .усложнения конструкции, а также к воз-астаншэ напряженности деталей и узлов. Статистика прочностных афектов, возникающих в процессе доводки, и эксплуатации современ-ых ГТД показывает, что более 70 #'всех прочностных дефектов меют усталостаую природу и связаны с вибрационным нагружением. аличие такого большого процента дефектов усталостного характера бусловлено тем, что в настоящее время еще недостаточно развиты ак теоретические, так и экспериментальные метода исследования и рогнозирования колебании деталей и узлов в процессе эксплуатации, дной из главных задач, по многом определяющей выбор характерных ероприятий, направленных на устранение усталостных повреждений деталях ГТД, является исследование вибрационных характеристик аталей и узлов, и в первую очередь, собственных частот и форм олебаний, а такжэ распределения вибросмещений, деформаций и наряжений при резонансных колебаниях даталай.

Уровень развития расчетных методов оценки вибрационных ха-актеристик в настоящее время таков, что позволяет прогнозировать обственные частоты для тел неканонической геометрии только для арвых нескольких низших форм колебаний. При этом достоверность асчетной оценки этих параметров не очень высока.

В ряде случаев эти вопросы решаются методами песчаных фигур тензометрии. Однако наиболее полную информацию о колебаниях еталей дают методы топографической интерферометрии (ГИ). Это бусловлено принципиальными возможностями ГИ в области исследова-ия динамики конструкций: бесконтактностью, безинерционностью, изким порогом чувствительности, большой информативностью и на-лядноотью получаемых результатов. Важным достоинством ГЛ являет-я возможность одновременного получения информации о вибрационном остоянии всей поверхности детали сколь угодно сложной констр.укции.

Несмотря на интенсивное развитие ГИ в последнее время многие спекти практического приложения методов ГИ к исследованию колеба-ий реальных объектов остаются не достаточно изученными. В первую чзредь это относится к проблеме исследования параметров сложных ространственннх колебаний крупногабаритных деталей.

Другой малоизученной задачей является проблема экспериментально-^j го исследования колебаний объектов, обладающих конструктивно-поворотной симметрией в условиях вращения и в неподвижном "состоянии, для которых наблвдаегся эффект расслоения собственных частот. Таким образом тема диссертации, посвященная разработке и созданию экспериментальных методови средств IM для исследования колебаний деталей ГТД является несомненно актуальной.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является.разработка и совершенствование методов и средств ГЙ и применение их для исследования колебаний деталей и узлов ГТД.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать универсальную оптическую схему топографического интерферометра для регистрации трех компонент вектора смещений поверхности трехмерных объектов и создать на ее основе ряд интерферометров для исследования всей номенклатуры деталей и узлов двигателя.

2. Разработать методики расчета полей смещений, деформаций и напряжений по интерференционным картинам вибрирующего объекта.

3. Разработать методы и средства топографической регистрации колебаний объектов в процессе вращения.

4. Исследовать влияние временных и частотных параметров двухимпульсного излучения на картину интерференционных полос колеблющегося трехмерного объекта.

5. Исследовать особенности регистрации и интерпретации интерференционных картин колеблющихся поворотно-симметричных объектов и систем.

Научная новизна,выполненных в диссертации разработок, состоит в следующем:

6. Предложена и реализована оптическая схема топографического интерферометра с совпадающими направлениями освещения и наблюдения точек поверхности, позволяющая одновременно на одну голограмму регистрировать с различающимися векторами чувствительности колебания трехмерных объектов.

7. Получена зависимость картины интерференционных полос при двухимцульсной регистрации вибрирующих трехмерных объектов от смещения генерации лазера за время¹импульса, частотного сдвига предметного пучка в усилительном каскаде лазера и различия частот

лазерных импульсов. Экспериментально исследовано влияние разно-частотности лазерных импульсов, формирующих интерферограмму, на фазу интерференционных полос.

3. Предложена и реализована методика автоматизированного расчета полей вибросмещэний,трехмерных объектов по интерференционным картинам собственных колебаний.

4. Показано, что при соответстаущих допущениях распределение относительных напряжений вдоль кромок лопаток высоконапорных компрессоров может быть получено из интерференционных картин двукратным дифференцированием данных вибросмещений.

5. Установлена эффективность использования, полученных в результате расшифровки интерференционных картин вибрирующих объектов, полей смещений в качестве исходных данных при расчете напряженно-деформированного состояния деталей методами конечных элементов.

6. Исследованы особенности регистрации колебаний систем с конструктивно-поворотной симметрией. Получены тестовые интерференционные картины, на основании которых однозначно идентифицированы формы собственных движений и типы волн деформаций. Установлено, что метод усреднения во времени не позволяет однозначно идентифицировать колебания таких систем по формам с узловыми диаметрами.

7. Исследован процесс регистрации бегущих волн деформаций в поворотно-симметричной системе различными методами ГИ. Экспериментально зарегистрированы интерферограммн бегущих волн деформаций как в неподвижной, так и во вращающейся системе.

8. Разработан способ исследования колебаний вращавшихся объектов дутем совмещения изображений, зарегистрированных в различных фазах вращения, на стадии восстановления голограмм.

Практическая ценность

Г. Разработана и внедрена методика исследования колебаний деталей и узлов ГТД, позволяющая выделять и регистрировать все собственные частоты и формы колебаний в исследуемом частотном диапазоне по одной голограмме.

2. Разработан и создан ряд голографических интерферометров, позволяющих проводить исследования напряженно-деформированного состояния всех деталей и узлов в процесса вибрационной доводки двигателя.

9. Разработана и внедрена методика автоматизированного расчета полей вибросмэщений лопаток компрессора ГТД по интерферо-граммам собственных колебаний.

10. Разработана и внедрена методика расчета относительных нормальных напряжений вдоль кромок лопаток высоконапорных компрессоров по данным интерферометричесвих измерений.

11. Разработаны и созданы экспериментальные установки для исследования колебаний вращающихся объектов, основанные на методах синхронизации запуска лазера и совмещении изображений на стадии восстановления голограмм.

№ защиту выносятся:

1. Универсальная оптическая схема и конструкции лазерных топографических интерферометров для исследования колебаний трехмерных объектов, в том числе объектов с конструктивно-поворотной симметрией при вращении.

2. Метод исследования колебаний объектов стробоскопической регистрацией в реальном времени, позволяющий по одной голограмме проводить исследования колебаний во всем частотном диапазоне возбуждающих сил.

3. Метод исследования колебаний вращающихся объектов, базирующийся на совмещении и интерференции изображений, зарегистрированных в разных фазах вращения, при помощи вспомогательной голограммы на стадии восстановления двухэкспозиционной голограммы.

4. Результаты расчета зависимости фазы интерференционных полос и их видности при двухэкспозиционной регистрации колебаний трехмерных объектов от смещения частоты лазера за время генерации импульса, разночастотности лазерных импульсов, формирующих интерферограмму, и параметров колебательного процесса.

5. Разработанная методика расшифровки интерференционных картин собственных колебаний лопаток компрессора, позволяющая получать полное поле смещений поверхности.

6. Созданная методика расчета относительных напряжении вдоль кромок лопаток высоконапорных компрессоров двукратным дифференцированием данных, полученных из интерференционных картин собственных колебаний.

7. Метод и результаты исследования бегущих волн деформации в поворотно-симметричном объекте как в неподвижном состоянии, так и при его вращении.

Апробация работы. Ооновные результаты работы докладывались а Всесоюзных конференциях по конструкционной прочности двигате-ей (Куйбышев 1974,1976,1977,1980,1981,1987,1988гг.), на Всесоюз-ом семинаре "Геометрические методы исследования деформаций и наряжений" (Челябинск, 1975),, на Всесоюзной конференции⁰ "Автомати-ация исследований несущей способности и длительной прочности ле-ательных аппаратов" (Харьков, 1975г.), на Всесоюзных семинарах Оптическая голография и ее применение в промышленности" (Ленин-рад 1976, 1979гг.), на Всесоюзном семинаре "Применение лазеров промышленности" (Ленинград, 1975г.), на Всесоюзном симпозиуме о механике твердого деформируемого тела^-: (Куйбышев, 1977г.), на сесоюзной школе по когерентной оптике и голографии (Куйбышев, 985г., Баку, 1987г.), на Всесоюзной конференции по голографии Ереван, 1982г.), на Всесоюзной конференции по высокоскоростной отографии и метрологии, быстропротекапзих процессов (Москва, 983г.), на Всесоюзном семинаре "Применение лазеров в науке и ехнике" (Миасс, 1988г.), на Всесоюзной конференции по аэроупру-'ости (Ужгород, 1987г.), на Совете по голографии при Президиуме Н СССР (Ленинград, 1987г.).

Публикации; По теме диссертации опубликовано 39 печатных pa-. от, в том числе получены авторские свидетельства на 4 изобретения.

Структура диссертации и ее объем. Диссертационная работа осгоит из введения, пяти разделов и заключения. Она изложена на 7 страницах машинописного текста, иллюстрирована 70 рисунками на 17 страницах. Список цитируемой литературы включает 161 наименова-