Jak kontrolować poziom wibracji silnika turbinowego w helikopterze?
Maszyny wirnikowe wymagają pomiaru drgań ze względu na to, że niemal wszystkie uszkodzenia wpływają na zmiany wielkości ich opisujących, jak np. prędkości drgań. Eksploatacja takich maszyn wymaga oceny drgań obiektu według pomiarów wykonywanych na częściach niewirujących.
Zastosowanie szybkiej transformacji Fouriera
Diagnostykę maszyn wirnikowych można przeprowadzać bez demontażu. Odbywa się to na podstawie pomiaru sygnałów diagnostycznych oraz porównywaniu ich z wartościami nominalnymi. Często stosowanym sposobem jest analiza sygnału FFT (szybka transformacja Fouriera) opierająca się na analizie widma drgań. Siły oddziałujące na kadłub silnika oraz siły gazowe wpływające na wirnik, sprężarkę i turbiny poprzez reakcję na energię kinetyczną sprężanego powietrza, spalin i ciśnienia statycznego oddziałują na łopatki sprężarki i turbiny w taki sposób, że obniżają wirnik momentem obrotowym i siłą wzdłużną. Tego typu badania przeprowadzano np. dla turbin gazowych dwuwałowych typu lekkiego GTD 350, których używano w lotnictwie do napędu helikopterów.
Problemy ze zmęczeniem materiału
W silnikach turbinowych, które zawierają elementy krytyczne lub błędy konstrukcyjne należy monitorować poziom zmęczenia materiału (structural health monitoring, SHM) ze względu na szybkie wykrycie i propagację pęknięcia. Zdarzały się przypadki urywania tytanowych łopatek sprężarki w starzejących się śmigłowcach Mi-14 i Mi-24. Problem zmęczeniowych elementów krytycznych silnika turbinowego może pojawiać się w różnych modelach. Defektoskopia ultradźwiękowa, wiroprądowa, fluorescencyjna i magnetyczna to klasyczne metody, które nie za bardzo sprawdzają się w przypadku wirujących elementów silników turbinowych. Dzieje się tak, ponieważ po jego wyłączeniu następuje samoczynne zamykanie pęknięcia, co zmniejsza szansę wykrycia defektu. Metody te nie pozwalają także na ocenę stanu wytężenia materiału i przeprowadzenia dokładnej prognozy stanu technicznego.
Wyważanie i torowanie
Pomiar wibracji przeprowadza się za pomocą specjalnego analizatora, który umożliwia torowanie oraz wyważanie wirnika nośnego i śmigła. Moment reakcyjny łopat wytwarzających siłę nośną i ciąg musi być zrównoważony z obrotami śmigła ogonowego. Wirowanie wirnika nośnego powinno przebiegać w położeniu tworzącym jeden stożek o tym samym azymucie. W tym celu wykonuje się torowanie, które eliminuje niespójną pracę. Siły nośne łopat wyrównuje się za pomocą położenia kątów nastawienia. Przeprowadza się je poprzez zmianę długości drążków łączących wodzidła przegubu osiowego z tarczą sterującą. Niewspółtorowość zmniejsza się poprzez użycie kompensatorów aerodynamicznych lub płytek wyważających, które montuje się na końcówkach. Bez tego może dojść do zwiększenia wibracji helikoptera i uniemożliwienia wyregulowania żyroskopu.
Akceleratory stosowane do pomiaru wibracji
W celu zbadania przyspieszenia używa się akceleratorów, które w zależności od formy zastosowania różnią się rodzajem pomiaru. W niektórych przypadkach monitorowania ruchu wałów najlepsze są czujniki względnych przemieszczeń jak np. akceleratory prądów wirowych, które mają zakres częstotliwości sięgający do 10000 Hz. Pozwalają one tylko na efektywną detekcję składowych o niskich częstotliwościach, ponieważ wyższe harmoniczne przeważnie są poza zakresem dynamicznym przetworników. Do kontroli stanu maszyny większą skuteczność wykazują akceleratory sejsmiczne (czujniki prędkości) oraz akcelerometry piezoelektryczne. Te ostatnie w minionych latach stały się najczęściej używanym typem używanym do pomiaru wibracji maszyn. Wynika to z szerokiego zakresu częstotliwości i dynamiki, niewielkich rozmiarów oraz dużej wytrzymałości wynikającej m.in. z braku ruchomych części.
