ZASTOSOWANIE ANALIZY WIDMOWEJ SYGNAŁU POMIAROWEGO Z MIKROFALOWEGO CZUJNIKA RUCHU DO MONITOROWANIA PRACY TURBINY SILNIKA LOTNICZEGO

Transkrypt

1 VI Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna Diagnostyka Procesów Przemysłowych, DPP 03 Władysławowo k/gda ska, wrze nia, 2003 ZASTOSOWANIE ANALIZY WIDMOWEJ SYGNAŁU POMIAROWEGO Z MIKROFALOWEGO CZUJNIKA RUCHU DO MONITOROWANIA PRACY TURBINY SILNIKA LOTNICZEGO Radosław PRZYSOWA, Edward DZI CIOŁ, Andrzej SZCZEPANKOWSKI, Ryszard SZCZEPANIK Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych ul. Ksi cia Bolesława 6, Warszawa, radoslaw.przysowa@itwl.pl Streszczenie. W artykule zamieszczono wyniki bada, których celem jest opracowanie metody diagnozowania stanu technicznego maszyn wirnikowych pracuj cych w wysokich temperaturach z zastosowaniem mikrofalowego czujnika ruchu. Do analizy zjawisk wibroakustycznych zwi zanych z prac turbiny silnika SO-3 wykorzystano cyfrowe metody przetwarzania sygnału pomiarowego. 1. WST P W Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych kontynuowane s badania zwi zane z zastosowaniem bezdotykowej metody diagnozowania stanu technicznego łopatek wirnikowych turbiny silnika lotniczego z wykorzystaniem mikrofalowego czujnika ruchu. Budow, zasad jego działania oraz sposób formowania sygnału i metody wyodr bnienia poszczególnych składowych ruchu piór łopatek pracuj cego silnika opisano w [1]. Przedstawione wyniki s kontynuacj tego tematu. Amplituda sygnału elektrycznego wytworzonego w układzie pomiarowym okre la jaka cz mikrofal, wyemitowanych przez anten, wraca do niej po odbiciu od powierzchni wierzchołkowych wiruj cych piór łopatek turbiny. Stwierdzono, e sygnał rejestrowany podczas prób naziemnych turbinowego silnika odrzutowego typu SO-3 zawiera informacj o: ruchu i postaciach drga łopatek, ruchu i drganiach zespołu wirnikowego, pulsacjach ci nienia strumienia przepływaj cych gazów. Celem analizy widma sygnału generowanego przez czujnik była próba przyporz dkowania jego składowych poszczególnym zjawiskom wibroakustycznym. 2. WIDMO SYGNAŁU POMIAROWEGO Pracy ka dego zespołu wirnikowego nieodł cznie towarzysz drgania. Monitorowanie ich poziomu i struktury widma umo liwia ocen stanu technicznego maszyny. Wyst pienie nieprawidłowo ci w funkcjonowaniu urz dzenia objawia si w postaci przekraczania okre lonych poziomów wibroprzeci enia oraz znacz cych zmian w strukturze widma drga. Stwierdzono, e czujnik mikrofalowy mo e zosta wykorzystany w badaniach wibroakustycznych maszyn, i to pomimo tego, e nie mierzy si nim bezpo rednio amplitudy drga. W sygnale wytworzonym przez układ pomiarowy odwzorowywane s zmiany poło enia palisady łopatek wirnikowych wzgl dem apertury anteny wynikaj ce z ruchów ich tarczy no nej. Podobnie bicie wału oraz innego rodzaju drgania zespołu wirnika turbiny spowoduj przesuni cie łopatek wzgl dem czoła czujnika, nie wynikaj ce z ruchu obrotowego palisady. Zmodyfikuje to odpowiednio kształt impulsów generowanych przez kolejne łopatki. Efektem oddziaływania zjawisk wibroakustycznych na warunki wykonywania pomiaru przez anten jest wprowadzenie do widma otrzymywanego sygnału składowych odpowiadaj cych poszczególnym ródłom drga. Nale y pami ta, e czujnik mikrofalowy zamontowano sztywno na korpusie turbiny. Drgania korpusu przesuwaj anten wzgl dem łopa-

2 Rys. 1. Zmiany widma sygnału generowanego przez mikrofalowy czujnik ruchu podczas próby naziemnej silnika SO-3. Czujnik zamontowano w korpusie turbiny silnika. tek wirnikowych, co wpływa na przebieg sygnału i jest odwzorowywane w jego widmie. Wyznaczenie struktury jego widma umo liwia analiz zjawisk wibroakustycznych, jakie wyst puj podczas pracy silnika. Poniewa charakteryzuj ce je cz stotliwo ci zale na ogół od pr dko ci obrotowej wirnika, korzystne jest zobrazowania zmian widma w czasie. Wymaga to wykorzystania trzech wymiarów. Zało ono, e dany sygnał mo na potraktowa jako quasistacjonarny. Do oblicze jego widma zastosowano algorytm szybkiej transformaty Fouriera z przesuwanym oknem analizy - Short Time Fourier Transform (STFT). Metoda ta umo liwia wyznaczenie widma sygnału jako funkcji czasu i cz stotliwo ci z rozdzielczo ci okre lon przez cz stotliwo próbkowania, długo, rodzaj i sposób przemieszczania okna transformaty. Wi kszo składowych widma sygnału zarejestrowanego podczas próby naziemnej silnika SO-3 charakteryzuje si cz stotliwo ciami proporcjonalnymi do pr dko ci obrotowej wirnika. Mo na wyró ni w widmie dwa zakresy: 1) wysokich cz stotliwo ci łopatkowy, 2) niskich cz stotliwo ci obrotowy. Pierwszy z nich oprócz cz stotliwo ci łopatkowej f ł obejmuje jej wielokrotno ci i podwielokrotno ci. Podstawowa harmoniczna opisuje przej cie kolejnych piór łopatek pod czołem czujnika. Jej cz stotliwo równa jest: nk f ł = (1) 60 k - liczba łopatek w wie cu wirnikowym, n - pr dko obrotowa [obr/min]. Podstawowej harmonicznej towarzysz wst gi boczne f ł ± f w, poniewa moduluje ona wolnozmienne składowe f w sygnału pomiarowego. Jest to efekt nakładania si dwóch zjawisk, których cz stotliwo ci ró ni si o rz d wielko ci. Poniewa mikrofale odbijaj si równie od chwilowych obj to ciowych zag szcze spalin, to w mierzonym sygnale odwzorowane s równie fale akustyczne. Propaguj si one w przestrzeniach mi dzyłopatkowych. Ze wzgl du na krótkie odcinki jakie przebywaj, charakteryzuj si one stosunkowo wysokimi cz stotliwo ciami rz du kilkudziesi ciu khz (powy ej podstawowej harmonicznej).

3 sie sie Ω 2Ω Ω Rys. 2. Widmo sygnału uzyskane metod peak hold z wykorzystaniem algorytmu FFT [4]: okno Hanna, rozmiar ramki 32k, cz stotliwo próbkowania 96 khz. Wykres przedstawia w skali decybelowej najwi ksz dla poszczególnych linii widmowych warto modułu transformaty Fouriera amplitudy sygnału z 9 kolejnych ramek, obejmuj cych trzy sekundy pracy silnika SO-3 ze stał pr dko ci obrotow a) zakres biegu jałowego, b) zakres 95% (n = obr/min). Opis składowych widma: Ω obrotowa, f ł łopatkowa, f w drgania generowane na 3 podporze silnika. Zakres niskich cz stotliwo ci obejmuje obrotow wirnika turbiny oraz jej wielokrotno ci. Odpowiadaj one ró nym ruchom wirnika powoduj cym przesuwanie palisady łopatek wzgl dem czujnika i zmiany sygnału pomiarowego. Obserwowane jest wi c bicie wału i drgania tarczy. Mo liwe jest wykorzystanie sygnału pochodz cego z czujnika mikrofalowego do monitorowania stanu wirnika i ostrzegania o jego nadmiernym niewywa eniu, o przycieraniu łopatek o uszczelnienia czy zu yciu ło ysk. W widmie sygnału wyst puj równie linie, których cz stotliwo jest stała w czasie. Harmoniczne 50 Hz i jej wielokrotno ci pochodz z pewno ci od oddziaływania sieci elektrycznej. f w f w a) b) f ł f ł 2f ł 3f ł 2f ł W widmie wyró nia si składowa o stałej cz - stotliwo ci f w 1040 Hz oraz amplitudzie zale - nej od pr dko ci obrotowej wirnika. Kiedy silnik pracuje na zakresie maksymalnym, wnosi ona du moc, tylko o ok. 10 db mniejsz od podstawowej harmonicznej. Składowa ta jest ródłem najbardziej wyra nych wst g bocznych cz stotliwo ci łopatkowej oraz znacznej zmienno ci obwiedni sygnału. Najprawdopodobniej ródłem tej linii widmowej s drgania generowane na trzeciej podporze zespołu wirnika silnika SO-3. Przenosz si one na jego korpus, na którym zamontowano czujnik mikrofalowy i wpływaj na pochodz cy z niego sygnał. Wskazuj na to wykonane wcze niej pomiary drga na trzeciej podporze wirnika [2]. Charakterystyczna jest dla nich składowa widma o własno ciach zbli onych do linii f 1040 Hz, obserwowanej w sygnale pochodz cym z czujnika mikrofalowego. Cz stotliwo drga mierzonych na trzeciej podporze wirnika nie jest charakterystyczna dla konstrukcji lecz zale y od k ta umieszczenia czujnika wzgl dem tej podpory, co wynika z asymetrii silnika SO-3. Czujnik mikrofalowy pozwala zebra podobne informacje o drganiach turbiny jakie daje przyspieszeniomierz zamontowany na jej korpusie. Celowym jest przeprowadzenie eksperymentu polegaj cego na równoległym wykorzystaniu obu czujników w celu porównania wskaza i ewentualnego wyskalowania czujnika mikrofalowego do pomiarów drga. Do badania widma zjawisk wibroakustycznych optymalna b dzie próba silnika uzupełniona o przeszukiwanie cz stotliwo ci (scanning). Polega to na powolnym, stopniowym przechodzeniu przez stany ustalone od biegu jałowego do zakresu maksymalnego i z powrotem. Taki sposób badania silnika umo liwia wyszukiwanie cz - stotliwo ci rezonansowych jego podzespołów, które nie ujawniaj si podczas standardowej próby. 3. TŁUMIENIE MIKROFAL Podczas pracy silnika w zakresie maksymalnym stosunek sygnału do szumu podstawowej cz - stotliwo ci łopatkowej znacznie zmniejsza si. Warto amplitudy maleje, a wzrasta poziom tła. Na zjawisko to składaj si dwa czynniki: tłumienie mikrofal w wysokich temperaturach i

4 rednie maksymały U max U zp U lop zmiany amplitudy U zp U max U r U min U amb U DC a b c d Rys. 3. Obraz charakterystycznych zmian struktury sygnału otrzymywanego podczas eksperymentu: a zimny silnik (rozruch), b ogrzewanie si konstrukcji po zapłonie paliwa, c równowaga termiczna (bieg jałowy), d zakres maksymalny (wysoka temperatura, wahania obwiedni pod wpływem drga ), Uxy umowne warto ci napi. wzrost poziomu drga silnika dla wy szych pr dko ci obrotowych. Zaobserwowano te pewn bezwładno zjawisk wibroakustycznych. Pomimo zmniejszenia pr d- ko ci obrotowej drgania przez wiele sekund nie wracaj do tego poziomu, jaki miały przed wej- ciem na zakres maksymalny. Zwi zane jest z oddawaniem energii przez zespół wirnikowy d cy do nowego, ustalonego zakresu pracy. Amplituda sygnału pomiarowego zale y od temperatury czynnika roboczego, co wynika z tłumienia mikrofal. Najwi ksza jest w zimnym silniku (rys. 4 zakres a), zmniejsza si przeci tnie dwukrotnie po osi gni ciu biegu jałowego (zakres c), a czterokrotnie na zakresie maksymalnym (zakres d). Po podaniu paliwa w czasie rozruchu zimnego silnika amplituda sygnału zmniejsza si powoli ze wzgl du na jego bezwładno ciepln i chłodzenie strumienia gazów przez elementy konstrukcji. Zjawisko tłumienia mikrofal mo na wykorzysta do pozbawionego opó nienia pomiaru temperatury pod czujnikiem po wyskalowaniu przyrz du przy pomocy termopar i innych metod. 4. DRGANIA ŁOPATEK P kni cie czy utrata łopatki z pewno ci znacz co zmieni kształt widma analizowanego sygnału, co mo e zosta wykorzystane do sygnalizacji wyst pienia uszkodzenia. Po dane jest, by tworzony system diagnostyczny był w stanie wcze niej poinformowa o tego typu zagro e- niach. Mo liwo monitorowania poziomu drga poszczególnych łopatek turbiny pozwoliłoby łatwiej wykrywa symptomy ich p kania. Amplituda drga ka dej łopatki odwzorowana jest w sygnale pomiarowym w postaci zmiany amplitudy i długo ci impulsu oraz jego przesuni ciu w czasie wzgl dem oczekiwanego poło e- nia. Poniewa na korpusie turbiny zamontowano jeden czujnik mikrofalowy, pomiar ruchu ka dej łopatki wykonywany jest tylko raz na ka dy obrót zespołu wirnika. Postacie drga łopatek turbiny silnika SO-3 charakteryzuj si cz stotliwo ciami rz du kilku khz, a obrotowa jego wirnika osi ga najwy ej kilkaset Hz. Zgodnie z twierdzeniem Nyquista do jednoznacznego odtworzenia sygnału konieczne jest próbkowanie z cz stotliwo ci dwukrotnie wi ksz od pasma sygnału. W tym przypadku nie da si tego warunku spełni, co oznacza, e niemo liwe jest pełne odtworzenie przebiegu w czasie amplitudy drga poszczególnych łopatek z wyników pomiarów wykonanych jednym czujnikiem. Ale w wyniku próbkowania raz na obrót widmo drga powy ej połowy cz - sto ci obrotowej jest przenoszone do pasma niskich cz stotliwo ci, co umo liwia jego analiz. B dzie to przedmiotem dalszych prac zespołu autorów. Do pomiaru drga wybranej łopatki konieczne jest jednoznaczne zidentyfikowanie i wydzielenie z przebiegu czasowego sygnału pomiarowego fragmentów pochodz cych tylko od jej ruchu.

5 Widmo sygnału przetwarzanego w dotychczasowy sposób mo e przenosi informacj tylko o zgodnych w fazie drganiach całej palisady łopatek. W prawidłowo pracuj cym silniku zjawiska tego typu s krótkotrwałe i nie wyst puj zbyt cz sto. Z tego powodu nie mo na wskaza w widmie składowej odpowiedzialnej za zgodne w fazie drgania zespołów łopatek. Urz dzenie projektowane do prób stanowiskowych silnika, wydzielaj ce z sygnału pomiarowego poszczególne składowe, umo liwi rozwój metody diagnostycznej wykorzystuj cej mikrofalowy czujnik ruchu. Daje równie szanse lepszego poznania zjawisk fizycznych wyst pua) b) Rys. 4. Przebieg czasowy amplitudy: a) sygnał zarejestrowany podczas próby (zakres maksymalny), b) wynik zastosowania w skopasmowego cyfrowego filtru przepustowego o rodkowej cz stotliwo ci odpowiadaj cej podstawowej harmonicznej (składowej łopatkowej f = 21kHz). Wykorzystano filtr o sko czonej odpowiedzi impulsowej i 19 współczynnikach [4]. Obci cie sygnału z dołu to efekt przekroczenia zakresu napi cia karty pomiarowej, co mo e symulowa zanik impulsów w wyniku uszkodzenia łopatek. Ze wzgl du na fakt, e na amplitud sygnału pomiarowego mo e mie wpływ wiele nieokre- lonych a priori czynników, wi ksz dokładno wyznaczania poziomu drga wybranej łopatki mo na uzyska korzystaj c z wyników pomiaru fazy i długo ci impulsów, które generowane s co obrót wirnika podczas jej przej cia pod czołem czujnika mikrofalowego. Podobne problemy napotkali autorzy dyskretnofazowej metody bezdotykowego pomiaru drga dla łopatek I stopnia spr arki silnika SO-3 [3]. Wdro one do eksploatacji rozwi zanie przekonuje, e do oceny stanu technicznego danej łopatki wystarczaj ca jest obserwacja w całym zakresie roboczym silnika obwiedni sygnału drga, któr mo na jednoznacznie odtworzy wykonuj c w poszczególnych zakresach pracy silnika pomiar raz na obrót wirnika. Natomiast sygnał pomiarowy wytworzony z wykorzystaniem czujnika mikrofalowego zamontowanego w korpusie turbiny nie nadaje si bezpo rednio do pomiaru drga łopatek. Jego widmo zawiera wiele składowych, które nios c informacje o pracy zespołu wirnika, zakłócaj harmoniczn łopatkow. Linie o ni szej cz stotliwo ci powoduj wahania obwiedni sygnału, natomiast o wy szej deformuj kształt impulsu. Utrudnia to pomiar jego amplitudy, długo ci i fazy bez zastosowania specjalizowanego przetwarzania. Na dzi jedynym rozwi zaniem problemu jest zastosowanie w skopasmowego strojonego filtru wydzielaj cego z widma sygnału interesuj c nas składow łopatkow i usuwaj cego z niego składow stał. Umo liwi to pomiar długo ci impulsu poprzez detekcj przej przebiegu przez zero. Ze wzgl du na zmiany pr dko ci obrotowej konieczne jest odpowiednie sterowanie rodkow cz stotliwo ci zastosowanego filtru, tak aby ledził bezbł dnie harmoniczn łopatkow. Wykorzystanie układu elektrycznego, który na stałe ogranicza pasmo sygnału pomiarowego spowodowałoby ograniczenie zakresu działania urz dzenia do ci le okre lonego zakresu roboczego silnika. Zmniejszałoby to niew tpliwe jego warto diagnostyczn i byłoby bł dem w podej- ciu metrologicznym. 5. PODSUMOWANIE Mikrofalowy czujnik ruchu jest uniwersalnym przyrz dem pomiarowym, korzystnym do pracy w wysokich ci nieniach i temperaturach. Generowany w nim sygnał elektryczny jest bogaty w informacje i z tego powodu wymaga specjalizowanego przetwarzania. Poznanie jego wła ciwo- ci i zaproponowanie wst pnego projektu urz - dzenia wykonuj cego to zadanie było mo liwe dzi ki wykorzystaniu cyfrowych metod analizy widmowej oraz filtracji. Cechy u ytkowe czujnika umo liwiaj jego wykorzystanie w dwóch rodzajach systemów: laboratoryjnych, przemysłowych. Ró ni si one znacznie wymaganiami dotycz - cymi rodowiska pracy, niezawodno ci, dokładno ci, ilo ci nadzorowanych parametrów, itp.

6 turbina MUH Filtr x(t) pasmowy f y(t) t + t - A/C y i Procesor T(t) [K] n j [obr/min] w1 j,..., w83 j inne Filtr dolnoprzepustowy z(t) - drgania zespołu wirnika Rys. 4. Wst pny projekt laboratoryjnego systemu pomiarowego: MUH mikrofalowe urz dzenie homodynowe [1] zawieraj ce czujnik i niezb dne do jego działania układy elektroniczne, x(t) - sygnał pomiarowy, f cz stotliwo rodkowa filtru pasmowego, y(t) oraz y i składowa łopatkowa, t +, t - - czas wyst pienia w sygnale zbocza narastaj cego, opadaj cego, z(t) składowa wolnozmienna sygnału pomiarowego, T(t) temperatura pod czujnikiem, j nr kolejnego obrotu, n j pr dko obrotowa, w1 j,..., w83 j 83 kanały zawieraj ce długo impulsów pochodz cych od poszczególnych łopatek dla ka dego obrotu zespołu wirnikowego. j cych podczas pracy turbiny gazowej poprzez bezdotykowy i bezinercyjny pomiar temperatury oraz poziomu drga i pulsacji ci nienia. Było to dotychczas utrudnione ze wzgl du na zawodno tradycyjnych metod pomiarowych w ekstremalnych warunkach panuj cych w turbinie. Ocena stanu technicznego łopatek turbiny i zespołu wirnika jest zadaniem urz dzenia w wersji przemysłowej. Wymaga ono uproszczenia struktury, ograniczenia czasu obsługi i zapewnienia niezawodno ci. Próby naziemne nie wykazały przeciwwskaza do wykorzystania w locie czujnika zamontowanego w korpusie jednostki nap dowej statku powietrznego, jako przemysłowego zastosowania. LITERATURA [1] Dzi cioł E., Szczepankowski A.: Zastosowanie mikrofalowego czujnika ruchu w diagnozowaniu łopatek turbin. V Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna Diagnostyka Procesów Przemysłowych, Łagów Lubuski, [2] Szczepanik R., Kowalski M., Wito M.: Wst pna analiza wibroakustyczna turbinowego silnika odrzutowego typu SO-3. Sprawozdanie ITWL, Warszawa, [3] Szczepanik R., Wito M.: Komputerowy system diagnostyczny silników odrzutowych bazuj cy na dyskretno-fazowej metodzie pomiaru drga łopatek. Prace Instytutu Lotnictwa, 1998, nr 1/98 (152). [4] Lyons R.: Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów. WKiŁ, Warszawa, Spectral analysis of microwave motion detector s signal applied to gas turbine monitoring Abstract: This paper presents results of microwave probe suitability investigation for rotating components measurements operating at high temperature. Spectral analysis of data obtained during aeroengine ground bench test is given. Project of signal processing system is proposed.