Система для испытаний турбинных лопаток на усталостную прочность

Испытание лопаток на усталостную прочность является важным этапом в механическом проектировании, будь то турбины, компрессора или даже лопасти воздушного винта. Повторяющиеся циклические нагрузки могут со временем нарушить структурную целостность лопатки, приводя к снижению общей прочности и в результате ее поломки, это известно как усталостное повреждение. Программное обеспечение ODM BFT в комплекте с аппаратурой многоканальной управляющей измерительной ONYX, позволяет инженерам получить важные данные, которые могут быть проанализированы для определения того, как определенная лопатка ведет себя при циклическом воздействии. 

Программное обеспечение ODM BFT - это уникальное и хорошо подходящее решение для аэрокосмической, автомобильной, энергетической и гражданской отраслей промышленности. ПО ODM BFT обеспечивает возможность поиска резонансных частот турбинной лопатки с помощью генератора качающейся частоты и одновременного анализа сигналов поступающих от акселерометров, тензорезисторов и бесконтактных лазерных измерителей параметров движения. Резонансные частоты отображаются вместе на одном графике, с соответствующими амплитудами, частотой, фазой также добротностью резонанса. У пользователей есть несколько вариантов проведения испытания на усталость: базовая выдержка на фиксированной частоте, удержание резонанса по пик-детектору (по амплитуде), удержание резонанса по фазовому детектору (по фазе). ПО ODM BFT также включает в себя возможность ручного управления частотой, амплитудой и фазой выдержки задавая в качестве управляющего канала, любой из измерительных каналов в системе будь то акселерометр, лазерный датчик параметров движения ( скорость, перемещение) или тензорезистор.

Установка для испытания лопатки на усталость

Рисунок 1. Схема испытательной системы

Типичная испытательная установка для испытания лопаток на усталость показана на рисунке 1. Лопатка устанавливается в специально разработанное приспособление, которое полностью имитирует закрепление лопатки в основном изделии, затем крепится либо к расширительному столу, либо к арматуре вибростенда. При разработке и изготовлении изделий важно понимать добротность и свойства материала испытуемой лопатки. Материалы с низкой добротностью, как правило, имеют высокий коэффициент демпфирования, что требует большей мощности вибростенда для возбуждения образца с желаемой амплитудой отклонения. Такие свойства материала, как добротность, масса и жесткость, всегда важно учитывать при выборе правильного вибростенда для проведения испытаний лопатки на усталость. Используемые датчики обычно включают лазерный датчик перемещения (сфокусированный на кончике лопатки) и акселерометр (размещенный на расширительном столе или арматуре), дополнительно может применяться тензорезистор наклеенный в критические точки лопатки . Для испытания с генератором качающейся частоты, при первичном поиске резонансов, лазерный датчик перемещения устанавливается в качестве следящего, а акселерометр - в качестве обратной связи управления. При выполнении испытания на удержание резонанса ( по любому из методов) датчик перемещения устанавливается в качестве обратной связи управления, а акселерометр - в качестве следящего. Прямое управление, без интеграции сигналов и другой пост обработки, амплитудой размаха пера лопатки обеспечивает получение максимально точных данных и значений деформации. Лазерные датчики перемещения обычно устанавливаются над испытуемой лопаткой с помощью регулируемой подставки-штатива. Однако также могут использоваться специальные крепления датчиков, в зависимости от размера вибростенда и лопатки. Датчики, используемые в приложениях ODM, включают акселерометры, лазерные измерители скорости, перемещения, тензодатчики и любые другие датчики с выходным сигналом по напряжению, заряду или мостовые ( давление, частота вращения, температура, акустическое давление и т.д). Для управления виброгенератором чаще всего используют акселерометры IEPE, из-за того, что им не требуется преобразователь заряда. Фольговые тензорезисторы обычно используются для измерения прогиба и деформации лопатки; могут использоваться различные конфигурации, такие как линейные, полумостовые, полномостовые или розеточные. Лазерные датчики служат для  точного измерения параметров движения чувствительных изделий ( турбинные лопатки, электронные платы, компоненты) где закрепление даже миниатюрного «контактного» датчика изменит развесовку и характеристики коллебаний образца.

ODM BFT - Основные функции программного обеспечения

Рисунок 2. пользовательский интерфейс ODM BFT

Специализированная таблица входных каналов. 
Таблица входных каналов включает два дополнительных столбца, в которых настраивается статус канала при первичном качании частоты и поиске резонансов, и при удержании резонанса.

Многие стандарты требуют, чтобы в ходе испытаний при резонансе контролировалась именно амплитуда перемещения пера лопатки, поэтому необходимо иметь возможность предварительно настроить отдельные типы каналов, чтобы исключить необходимость переключений каналов управления и слежения после поиска резонансов.

Рисунок 3. Таблица входных каналов

Поиск резонанса
После выполнения поиска резонанса, пользователи могут выбрать требуемый резонанс ( или резонансы), оценить их собственные частоты, амплитуды, фазы и добротности при помощи полученной передаточной функции. Затем выбранные резонансы, с выдержкой на фиксированной частоте, удержанием резонанса по пик-детектору или фазовому детектору  могут быть быстро настроены и добавлены в график испытания.

Рисунок 4. Поиск резонанса

Удержание резонанса по фазовому детектору (по фазе)

Управление по фазе позволяет автоматически отслеживать фазу колебаний во время выдержки резонанса. В области резонанса, в то время как амплитуда имеет нарастание и спад очень большой крутизны на очень узком участки частоты (турбинные лопатки имеют очень большую добротность), фаза сохраняет линейное нарастание или спад, что позволяет стабильно удерживать максимальное возбуждение образца на самом пике резонанса, даже по  мере того, как собственная частота будет смещаться (в материале лопаткии начинают развиваться усталостные повреждения). Алгоритм управления с отслеживанием фазы отслеживает это изменение и соответствующим образом корректирует частоту возбуждения.

Начальный профиль выдержки может быть сконфигурирован и включает в себя такие параметры, как собственная частота, фаза, наклон фазы, время выдержки / число циклов, уровень амплитуды и уровень развертки.

Рисунок 5. Запись с отслеживанием фазы

Ручное управление выдержкой
Ручное управление выдержкой позволяет постепенно изменять частоту, амплитуду и / или фазу. Дополнительные параметры, такие как циклы выдержки, время выдержки и скорость отслеживания, также можно регулировать вручную. Ручное управление выдержкой может обеспечить более точную резонансную частоту и дает пользователю больше гибкости в отношении того, как выполняется выдержка.

Рис. 6. Ручное управление выдержкой

Диаграмма цифровых показаний
ODM BFT позволяет отображать цифровые значения амплитуды, частоты, количества циклов, времени и многих других параметров, как на одном рабочем окне, так и в режиме много оконности, что позволяет настроить комфортное отображение всей необходимой при испытаниях информации.

Рисунок 7. Цифровая диаграмма и таблица выдержки

Измерение деформации
В ODM BFT предусмотрена возможность измерения деформации как для слежения, так и для управления. Различные тензометрические датчики совместимы с оборудованием ONYX и обеспечивают простую настройку.

Рисунок 8. Тензометрические датчики, прикрепленные к лопатке и оснастке

Программное обеспечение ODM BFT по сравнению с ODM RSTD
Испытание лопатки на усталость (BFT) и поиск  и удержание резонанса (RSTD) - два похожих программных модуля. Однако использование BFT по сравнению с RSTD имеет несколько важных преимуществ. ПО ODM BFT упрощает настройку испытания и датчиков. В отличие от RSTD, BFT предоставляет пользователям предустановленные настройки входных каналов для испытаний качающейся частотой и выдержку; это устраняет необходимость переключать каналы слежения и управления при выполнении различных испытаний. Еще одним преимуществом BFT является возможность одновременной настройки профиля качания частоты и профиля выдержки; в то время как в RSTD имеется только одна таблица точек профиля, которую необходимо обновлять в зависимости от типа выполняемых испытаний. Дополнительные преимущества BFT включают цифровые показания и таблицы для измерений в режиме реального времени. Наконец, BFT предоставляет улучшенные алгоритмы DSP для отслеживания амплитуды и фазы лопаток с высокой добротностью.