На правах рукописи ЛОБАНОВ Александр Юрьевич ОЦЕНКА ПО ВИБРОАКУСТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
реклама
На правах рукописи ЛОБАНОВ Александр Юрьевич ОЦЕНКА ПО ВИБРОАКУСТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК СИСТЕМЫ ВЫХЛОПА ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА Специальность: 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ижевск – 2008 Работа выполнена на кафедре «Ракетно-космическая техника и энергетические установки» Пермского государственного технического университета. Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, кафедра «Ракетно-космической техники и энергетических установок (РКТ и ЭУ)» Пермского ГТУ, Сальников Алексей Федорович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Ижевского ГТУ, Храмов Сергей Никитьевич кафедра «Аппаратостроение» кандидат технических наук, директор проектно-внедренческой фирмы «ВиброЦентр», Русов Валерий Александрович Ведущая организация: НПО «ИСКРА» Защита состоится 9 апреля 2009 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Ижевском государственном техническом университете по адресу: Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.48-а (7 учебный корпус ИжГТУ), 4 этаж, конференцзал. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ижевского государственного технического университета. Автореферат разослан «__» ______ 200__г. Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор 2 Ю. В. Турыгин ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Важным условием устойчивого развития газовой отрасли является обеспечение надёжности и эффективности эксплуатации газотранспортных предприятий. На современных станциях, где используют газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с газотурбинным двигателем (ГТД), существуют системы непрерывного контроля технического состояния основных узлов по величине температур, давления, уровня вибрации и т.д. Однако в конструкции системы выхлопа какиелибо элементы контроля отсутствуют, что привело к следующим отказам при эксплуатации ГПА: обрыв листов внутренней облицовки на агрегатах ГПА – 16ДКС-02, ГПА – 16 ДКС-03 на КС Ямбургского ГКМ, ГПА-16ДКС-02Л на КС «Пуртазовская»; прогар компенсаторов на агрегатах ГПА-12М (КС «Пермская»), ГПА- 16 (КС «Горнозаводская»). В этих условиях возрастает необходимость в научных разработках, направленных на решение неотложных задач, связанных с совершенствованием методов и средств анализа технического состояния газоперекачивающего оборудования, в том числе системы выхлопа. Для выявления основных нагрузок, действующих на конструктивные элементы выхлопного тракта, необходимо рассмотреть все факторы, влияющие на возникновение различного типа нагрузок. В работах А.В. Римского-Корсакова, А.М. Губертова, М.К. Сидоренко нагрузки разделены на две основные группы: температурные нагрузки (температура газа в выхлопном тракте составляет 580-680(К)), которые приводят к значительным деформациям конструкции элементов и снижению физико-механических свойств материалов; динамические нагрузки, которые в основном связаны с условиями движения газового потока по выхлопному тракту, хотя также могут являться и следствием воздействия вынужденных колебаний элементов ГПА. Если температурные нагрузки рассчитываются на этапе проектирования и контролируются в процессе пуско-наладочных работ, что позволяет уточнять некоторые конструктивные решения (установка тепловых компенсаторов), то динамические процессы в тракте выхлопа практически выпадают из внимания разработчиков. В основном оценка газодинамических параметров сводилась к анализу условий течения газа на выходе из улитки, как в конструкции элемента обеспечивающего работоспособность и КПД турбины. В последнее десятилетие появились публикации, в которых отмечается, что существующие экспериментальные и теоретические данные могут дать рекомендации по проектированию диффузоров только в некоторых частных случаях. Общих рекомендаций нет и, как отмечает Д.Б. Бекурин, в принципе быть не может, так как оптимальная геометрия диффузора, кроме геометрических и режимных параметров, существенно зависит от поля скоростей на его входе, т.е. для различных входных условий нужны свои исследования и рекомендации по проектированию. Для диффузоров, установленных за улиткой, подобные исследования необходимы, так как поле, создаваемое улиткой, крайне неравномерно, и имеет свои 3 специфические особенности, влияние которых на аэродинамические характеристики диффузора практически не изучено. В силу сложности прямых экспериментальных исследований газодинамических параметров из-за высоких температур и сложности доступа в систему выхлопа, важной является задача оценки динамических характеристик газового потока по косвенным параметрам. Объект исследования – газодинамические процессы в системе выхлопного тракта газоперекачивающего агрегата. Цель работы – решение технической задачи по оценке газодинамических нагрузок, действующих на конструктивные элементы системы выхлопа ГПА, по виброакустическим характеристикам наружной стенки. Задачи исследования: 1. Произвести структурный анализ газодинамических нагрузок и экспериментально подтвердить условия вихреобразования и срыва вихря как основного источника динамической нагрузки в газовом потоке выхлопного тракта ГПА. 2. Провести моделирование газодинамических процессов в проточной части с целью анализа условий формирования и воздействия динамических нагрузок на конструктивные элементы системы выхлопа ГПА. 3. Экспериментально исследовать связь динамических параметров (колебания давления) в потоке продуктов выхлопа с вибрацией наружной стенки. 4. Исследовать передаточную функцию стенки конструкции выхлопного тракта, связывающую виброакустические характеристики наружной стенки с динамическими нагрузками в потоке продуктов сгорания ГПА. 5. Разработать методику расчета величины колебаний давления в газовом потоке системы выхлопа ГПА по виброакустическим колебаниям наружной стенки. Предмет исследования – динамические нагрузки, возникающие в системе выхлопа ГПА и метод их определения по виброакустическим характеристикам наружной стенки выхлопного тракта. Методы исследования. Использовались известные методы и уравнения газовой динамики реальных газов, теория колебаний в газе, волн и волновых процессов в средах. Экспериментальные исследования проводились на реальных конструкциях с использованием сертифицированных измерительных средств и лицензированных программ обработки измерений. Научная новизна работы: 1. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено наличие крупномасштабной вихревой структуры в потоке, создающей значительные по амплитуде колебания в проточной части системы выхлопа ГПА. 2. Впервые получена связь виброакустических характеристик наружной стенки выхлопного тракта с газодинамическими процессами потока продуктов выхлопа ГПА. 3. Конкретизирована передаточная функция стенки выхлопного тракта ГПА, позволяющая связать виброакустические характеристики наружной стенки с газодинамическими параметрами газового потока применительно к любой конструкции ГПА. 4 Практическая ценность работы: 1. Произведенные экспериментальные и теоретические исследования движения газа по тракту выхлопа ГПА позволили выявить и связать вихревую структуру течения газа с динамическими нагрузками, действующими на конструктивные элементы тракта. 2. Уточненная структура передаточной функции позволяет использовать инженерные методы для построения технической диагностики конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА. 3. Разработана методика пересчета результатов виброакустических измерений колебаний наружной стенки в величину колебаний давления в газовом потоке выхлопа ГПА, которая может быть использована и для других типов ГПА, при проведении модального анализа конкретного конструктивного исполнения выхлопного тракта. 4. Результаты расчетов, полученные с помощью разработанной инженерной методики, могут быть использованы для расчета напряженно деформированного состояния конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА и прогнозирования их дальнейшей работоспособности. Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается: 1. Использованием уравнения динамики вязкого газа, значений термодинамических и теплофизических величин, приведенных в академических справочниках, а так же известных, проверенных на практике, экспериментальных характеристик взаимодействия газа с элементами конструкции. 2. Хорошим согласованием результатов расчета, полученных при математическом моделировании и экспериментов проведенных в работе на натурном объекте. 3. Применением современных сертифицированных приборов, проверенных и надежных средств измерения и регистрации, опробованных методик. На защиту автором выносится: 1. Результаты математической модели условий формирования газового потока в проточной части выхлопа ГПА-16-01 «Урал». 2. Методика пересчета измерений колебаний стенки в величину амплитуды колебания давления. 3. Результаты экспериментальных исследований газодинамических процессов. Апробация работы. Основные положения и результаты разработанной методики докладывались и обсуждались на научно технических конференциях: «Математическое моделирование - 2003» (ПГТУ, г. Пермь); «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2006» (ПГТУ, г. Пермь); «Проблемы баллистики 2006» Пятая международная школа-семинар «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем» (Санкт-Петербург, 2006). Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ (в том числе одна статья в издании, указанном в перечне ВАК). Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 102 наименования. Работа содержит 135 страниц текста, 34 рисунка и 10 таблиц. 5 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы работы, изложена краткая характеристика работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об апробации и реализации основных положений диссертации. В первой главе проведена классификация основных видов динамических нагрузок, определяющих работоспособность конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА, и современных методов оценки параметров данных нагрузок. На рис. 1 в качестве примера представлена схема проточной части ГПА-16-01 типа «Урал», которая включает в себя: улитку, два переходника, два температурных компенсатора, диффузор, поворотную камеру, шумоглушитель и трубу выхлопа. Труба выхлопа Шумоглушитель Проставка Переходник Диффузор Переходник Улитка Компенсатор Камера повор. Компенсатор Рис. 1. Схема проточной части (выхлопа) ГПА – 16 типа «Урал» 6 На основании анализа и обобщения литературных данных показано, что динамические нагрузки являются основными причинами нарушения работоспособности конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА. К таким нагрузкам относятся условия формирования и движения газового потока по выхлопному тракту, а также источники вынужденных колебаний (динамические узлы ГПА). При этом практически отсутствуют работы по математическому моделированию течения газового потока по системе выхлопа, позволяющие более детально изучить процессы формирования и взаимодействия газодинамических источников, и условия обтекания газовым потоком конструктивных элементов системы выхлопа ГПА. Установлено, что оценка структуры колебательных процессов газового потока и динамических узлов являются ключевыми при анализе динамических нагрузок в системе выхлопа ГПА. Однако, если исследование характеристик вынужденных колебаний является несложным процессом, то прямое измерение газодинамических параметров достаточно затруднено из-за очень высоких температур и большой трудоемкости монтажа первичных источников информации. Автором выдвинуто предположение, что на наружной стенке конструкции системы выхлопа могут быть реализованы вибрации, как от воздействия источников вынуждающих колебаний, так и от излучения виброакустических волн газового потока, прошедших через стенку конструкции системы выхлопа. В таком случае, проведение натурных испытаний по синхронному измерению виброакустических колебаний наружной стенки и динамического давления газового потока позволило определить уровень вклада вынужденных колебаний динамических узлов в общий уровень динамических нагрузок и обосновать возможность оценки характеристик газового потока по косвенным параметрам. Основная проблема, которая должна быть решена в данной постановке – определение передаточной функции, которая бы связала величину и характер динамических нагрузок, действующих на конструктивные элементы системы выхлопа с виброакустическими колебаниями наружной стенки. В заключение первой главы на основании анализа состояния проблемы и выбранного направления исследований сформулирована цель работы и задачи исследований. Во второй главе приводится описание математической модели, позволяющей более детально изучить особенности формирования газового потока на выходе из улитки и его движения по системе выхлопа ГПА. При решении задачи рассматривается полная система уравнений динамики вязкого газа (уравнения Навье-Стокса). Задача рассматривается в плоской постановке, для расчетов и отработки алгоритма используется проекция трехмерной задачи на двумерную область с сохранением характерных особенностей геометрии конструкции. Начальные условия на входе в выхлопной тракт: m m0 m / sin t - колебания массового расхода - температура 580-680 К - давление 0.16 МПа 7 - скорость на входе из рабочего колеса IIст. СТ Vn = 188.95 м/с - угловая скорость вращения ротора СТ w = 33 1/с; - массовый расход m0 = 45 кг/с; Граничные условия: - твердая стенка U+=-U-; V+=-V-; P=P*; T=T*; ρ= ρ* - граница подвода U+=-U-; V+=-V-; P=P*; T=T*; ρ= ρ* - граница выхлопа U+=-U-; V+=-V- ось симметрии U0→U0;U+=-U-; V+=0; P+=P-; T+=T-; ρ+= ρУсловия взаимодействия: Для численной реализации поставленной задачи используется метод крупных частиц (МКЧ), разработанный Ю.М. Давыдовым, как реализующий наиболее адекватный подход при решении полных уравнений газовой динамики и хорошо зарекомендовавший себя при решении различных задач. Отличительной особенностью алгоритма численного интегрирования методом крупных частиц является то, что на Эйлеровом этапе используется уравнение с вязкостной составляющей для кинематических уравнений, а на Лагранжевом этапе используется уравнение переноса масс с учетом циркуляции в расчетной ячейке, за счет дополнительных членов по массопереносу в ортогональном направлении. Это позволяет учесть процесс накопления энергии вихрем при его формировании и развитии до критического объема, а также явление последующего срыва и движения вихря по сечению выхлопного тракта. Данная программа была разработана на кафедре РКТ и ЭУ при ПГТУ, в качестве задаваемых параметров для нее выступают геометрия выхлопного тракта, и характеристики газового потока после турбины. На рис. 2. представлены результаты расчета, распределения поля энергии при t=0,1 сек. и t=0,9 сек. соответственно, где показаны зоны формирования вихря на выходе из улитки. 344969,148 357060,856 t=0,1 сек t=0,9 сек 252386,649 220840,894 Рис. 2. Изменение энергии по области на различных этапах времени 8 Следовательно, математическая модель позволяет рассчитать не только характеристики процесса формирования вихря, но его динамику - срыв и движение по проточной части выхлопа ГПА. В третьей главе приведены описания схем расположения систем измерения и регистрации, а также методики проведения измерений динамического давления в проточной части и колебаний наружной стенки системы выхлопа ГПА. Основными задачами измерений являются исследования газодинамических процессов, а также экспериментальное подтверждение результатов математического моделирования. Для измерения параметров динамического давления использовались датчики ДПС013, а для измерения виброакустических характеристик - датчики ВК-310А, входящие в состав многоканального синхронного анализатора «Камертон», которым производилась регистрация сигналов и их последующая обработка. Схема расположения датчиков давления и вибропреобразователей представлена на рис. 3. Вибропреобразователь ВК-310А(№4-8) 4-6 7-8 Датчики давления ДПС013 1-3 Вибропреобразователь ВК-310А(№1-3) 1 1 4 7 2 7 2 5 8 3 4 5 8 3 6 6 Рис. 3. Схема расположения вибропреобразователей ВК-310А и датчиков динамического давления ДПС013 9 Диффузор выбран для установки датчиков динамического давления как первый элемент системы выхлопа, расположенный за улиткой, в котором имеется технологическая возможность монтажа датчиков ДПС013. На основании результатов математической модели выбрана плоскость установки датчиков внутри диффузора, в которой прогнозируются характерные картины резких перепадов давления до 100 кПа, и наоборот в области, где давление незначительно (до 5 кПа) изменяется во времени. Важной задачей исследований являлось сравнение колебаний давления в проточной части с колебаниями наружной стенки системы выхлопа, а, так как передача энергии газового потока на наружную стенку конструкции системы выхлопа наилучшим образом осуществляется в местах жесткой связи внутренней и наружной стенок, то датчики устанавливались в местах расположения ребер жесткости (рис. 4). Это также решало вопрос надежности эксплуатации датчиков динамического давления, так как существенно снижало вероятность их отрыва. Рис. 4. Схема установки датчиков на стенке диффузора. Впервые были проведены синхронные измерения параметров динамического давления газового потока и виброакустических характеристик наружной стенки системы выхлопа. Примеры измерений представлены на рис.5. Из сигнала с датчика динамического давления видно, что в газовом потоке наблюдаются периодические процессы падения давления до 110 кПа. Это связано с прохождением через область установки датчика динамического давления вихревой структуры с зоной высоких скоростей, где и происходит резкое падение давления. Данные исследования подтверждают результаты математического моделирования, где также наблюдались процессы формирования вихря, его срыва и движения по проточной части системы выхлопа ГПА (рис. 2). Синхронно зарегистрированные сигналы динамического давления и колебаний наружной стенки системы выхлопа схожи по форме. Например, отрицательные пики 10 кПа виброакустических колебаний стенки совпадают во времени с процессами падения давления в структуре газового потока. Это подтверждает предположение, что на наружной стенке системы выхлопа могут быть реализованы колебания от излучения виброакустических волн газового потока, прошедших через элементы конструкции системы выхлопа. Сигналы со всех датчиков исследовались как во временной форме, так и в частотной в диапазоне от 3 до 5000 Гц. Спектральная обработка сигналов со всех датчиков позволила получить значение несущих частот и амплитуд колебаний давления в газовом потоке и колебаний наружной стенки выхлопа (см. рис. 6). 660 650 640 630 620 610 600 590 580 570 560 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 сек м/c2 а) колебания газового потока 2,84 1,42 0 -1,42 -2,84 -4,26 -5,68 -7,10 -8,52 -9,94 -11,36 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 сек б) колебания наружной стенки системы выхлопа Рис. 5. Результаты измерений. Проведенный анализ спектрограмм показал, что процесс движения продуктов выхлопа является нестационарным, имеющим низкочастотную область колебательных процессов с высокой амплитудой колебания давления, по всему сечению проточной части системы выхлопа. В процессе эксплуатации на конструкцию элементов системы выхлопа действует динамическая нагрузка с частотой от 10 до 15 Гц. Частота вихреобразования существенно зависит от скорости выхода газа из улитки, т.е. от режима работы агрегата, так, с увеличением числа оборотов турбины с 3770 об/мин до 5000 об/мин частота вихреобразования растет с 11,2 Гц до 12,5 Гц. 11 Низкочастотные колебания в газовом потоке (10 – 15 Гц) приводят к вынужденным колебаниям конструкции системы выхлопа ГПА, а она работает как звукопровод, поэтому колебания газового потока передаются на все элементы конструкции, в том числе и на наружную стенку. Из рис. 6. видно, что максимальные амплитуды колебаний газового потока и наружной стенки системы выхлопа расположены в одном частотном диапазоне (10-15 Гц). Это является еще одним фактом, доказывающим, что по характеристикам колебаний наружной стенки системы выхлопа может быть дана качественная оценка динамике газового потока. кПа 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 5 15 10 20 25 30 35 40 45 Гц а) Спектр с датчика динамического давления м/с2 6,0 4,0 2,0 0 10 20 30 40 Гц б) Спектр с датчика вибрации Рис. 6. Спектральный анализ временного сигнала динамического датчика давления ДПС 013 и вибропреобразователя ВК-310А. В четвертой главе приведена методика оценки динамических нагрузок в проточной части газоперекачивающего агрегата по виброакустическим характеристикам наружной стенки системы выхлопа. Одинаковый принцип работы (прямой пьезоэффект) датчиков давления ДПС013 и вибропреобразователей ВК-310А, а также синхронность регистрации сигналов позволяет проводить прямое сравнение сигналов, полученных от обоих типов датчиков. Поверхностный анализ результатов натурных испытаний выхлопного тракта ГПА-16-01 показал, что наблюдается совпадение частотных характеристик обработанных сигналов с датчиков давления и соответствующих им вибропреобразователей. Однако этого недостаточно для обоснования возможности оценки динамических нагрузок в конструкции системы выхлопа газоперекачивающих агрегатов по виброакустическим колебаниям наружной стенки. Поэтому в данной главе проведен поэтапный сравнительный анализ полученных измерений. 12 На первом этапе проводилось сравнение энергетических характеристик газового потока и вибрации наружной стенки. Для этого предложено воспользоваться определением среднего квадратичного значения (СКЗ), так как данная величина нашла широкое применение при диагностике динамического оборудования как величина, отражающая уровень энергии вибрации. На рис. 7 и 8 соответственно приведены графики изменения среднего арифметического СКЗ всех датчиков динамического давления газового потока и среднего арифметического СКЗ всех датчиков вибрации наружной стенки в зависимости от частоты вращения турбины ГПА. Анализ графиков показывает, что изменения СКЗ динамического давления газового потока и вибрации наружной стенки в зависимости от режима работы ГПА очень схожи по своему характеру. Построение данной зависимости представлено на рис. 9, где видно, что она является практически линейной. Таким образом, доказывается линейность связи энергии динамического давления газового потока с энергией вибрации наружной стенки системы выхлопа. 1,500 СКЗ вибрации наружной стенки, м/с2 СКЗ динамического давления, кПа 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 1,100 0,900 0,700 0,500 0,300 0,000 3500 1,300 4000 4500 5000 3500 5500 4000 Рис.7. Изменения СКЗ динамического давления от частоты вращения ротора ГПА. СКЗ вибрации наружной стенки, м/с2 4500 5000 5500 частота вращения турбины, об/мин частота вращения турбины, об/мин Рис.8. Изменения СКЗ вибрации наружной стенки от частоты вращения ротора ГПА. 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 СКЗ динамического давления, кПа Рис.9. Изменения СКЗ вибрации наружной стенки от СКЗ динамического давления. Следующим этапом обоснования является определение связи между формами колебаний газового потока и наружной стенки. Для этой цели использовалась функция взаимной корреляции сигналов. 13 м/c2 Из примера результатов расчет (рис. 10) видно, что максимального значения (0.9936) функция корреляции достигает на участках времени с признаком влияния вихря (участок с резким падением давления) на процесс колебания наружной стенки. На этих участках значение функции начинает расти через промежуток времени равный запаздыванию распространения колебательного процесса от датчика динамического давления до вибропреобразователя. При этом среднее значение функции составляет 0.9885, что указывает на практически полную зависимость процесса колебания наружной стенки от колебаний давления газового потока. 0,9936 0,9927 0,9918 0,9909 0,9900 0,9891 0,9882 0,9873 0,9864 0,9855 2,68 2,72 2,76 2,80 2,84 2,88 2,92 2,96 3,00 3,04 3,08 3,12 сек Рис.10. Функция взаимной корреляции Таким образом, произведен многоступенчатый анализ возможности оценки динамических нагрузок, действующих на конструктивные элементы выхлопного тракта, по виброакустическим измерениям наружной стенки и получено достаточное количество положительных результатов. Методика пересчета связывает амплитуды виброускорений [м/с2] наружной стенки выхлопного тракта с амплитудой колебаний давления в газовом потоке системы выхлопа с размерностью [Па] – давление. Переход к определению величины динамической нагрузки по результатам измерений виброакустических колебаний любого конструктивного элемента выхлопного тракта осуществляется по схеме представленной на рис. 11. Динамические нагрузки Виброакустические колебания наружной стенки Передаточная функция Рис. 11. Схема определения динамических нагрузок по виброакустическим колебаниям Величина зависимости: динамической нагрузки будет определяться по следующей P k1k2k3 W ( f ) A( f ) 0 где k1 – коэффициент, учитывающий пересчет амплитуды колебаний вибрации стенки из [м/с] в [Па]; k2 – коэффициент, учитывающий геометрические 14 особенности конструкции; k3 – корреляционный коэффициент, учитывающий влияние присоединенных масс (элементов); W(f) – передаточная функция, определяемая из модального анализа; A(f) – амплитуда колебаний стенки. Основной задачей в определении величины динамической нагрузки, создаваемой газовым потоком, является определение передаточной функции конструктивных элементов выхлопного тракта. На основе результатов одновременных измерений и основанного на БПФ анализа сигналов на входе и выходе системы можно определить следующий алгоритм оценки передаточной функции системы: G (f) H ( f ) AB GAA ( f ) где a(t ) - сигнал на входе системы, b(t ) - сигнал на выходе системы. GAB ( f ) - взаимный спектр; GAA ( f ) - автоспектр. На рис. 12 представлен пример результат расчета передаточной функций в диапазоне частот от 3 до 120 Гц. 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Гц Рис.12. Передаточная функция H ( f ) По результатам модальных исследований также получены передаточные функции, при этом сигналом на входе системы являлась импульсная нагрузка, прикладываемая к внутренней стенке, а на выходе – сигнал с вибропреобразователя, расположенного на наружной стенке в зоне приложения импульсной нагрузки. Разница передаточных функций в диапазоне частот от 3 до 40 Гц, полученных при двух разных исследованиях, составила не более 7%, так как в данном диапазоне отсутствуют частоты от источников вынужденных колебаний. Выводы 1. В результате проведенного исследования выявлены характерные особенности формирования и движения газового потока по выхлопному тракту ГПА. Установлено, что в газовом потоке наблюдается высокая нестабильность его движения. Отмечается низкочастотная природа колебательных процессов в газе, связанных с формированием вихрей и их прохождением по выхлопному тракту 15 ГПА. Уровень колебаний давления газа достигает амплитуды 110 кПа с частотой 10…15 Гц. 2. Показано, что энергия и форма колебаний наружной стенки выхлопного тракта и соответствующие параметры динамических нагрузок, возникающих за счет колебания давления в газовом потоке выхлопа, совпадают. Это позволяет достаточно корректно использовать разработанную методику пересчета результатов измерения вибраций стенки в амплитуды колебаний давления. 3. Используемая математическая модель на основе течения реального газа по оценке динамических нагрузок позволяет выявить наиболее нагруженные конструктивные элементы выхлопного тракта, что дает возможность обоснованно сформировать граничные условия по расчету напряженно-деформированного состояния выбранной конструкции. 4. Разработана методика пересчета результатов виброакустических измерений колебаний наружной стенки в величину колебаний давления в газовом потоке выхлопа ГПА, которая может быть использована и для других типов ГПА, при проведении модального анализа конкретного конструктивного исполнения выхлопного тракта. 5. Результаты расчетов, полученные с помощью разработанной инженерной методики, могут быть использованы для расчета напряженно деформированного состояния конструктивных элементов системы выхлопа ГПА и прогнозирования их дальнейшей работоспособности. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Лобанов А.Ю. Определение собственных частот узлов двигателя ПС-90А // Молодежная наука Прикамья: Сборник научных трудов. – Пермь, 2004. - вып.4. – С.38. 2. Лобанов А.Ю., Сальников А.Ф. Модальный анализ газоперекачивающего агрегата // Аэрокосмическая техника и высокие технологии – 2005: VIII Всероссийская научно-техническая конференция. – Пермь, 2005. – С.93. 3. Лобанов А.Ю., Сальников А.Ф. Модель динамического нагружения трубопроводов по результатам виброакустических исследований // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование: Сборник трудов второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». – СПб, 2006. – С. 301-302. 4. Лобанов А.Ю., Сальников А.Ф. Анализ динамических нагрузок в потоке выхлопа газоперекачивающих агрегатов (ГПА)// Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем: Международная научная конференция “Проблемы баллистики – 2006” Пятая международная школасеминар. – СПб, 2006. – С. 149-150. 5. Лобанов А.Ю., Махнев В.Б., Сальников А.Ф. Анализатор «Камертон» для оценки динамических нагрузок в транспортных системах // Датчики и системы: Ежемесячный научно-технический и производственный журнал. – Москва, 2007. – С. 23–26. 16
