Μετρήσεις κραδασμών σε στροβιλομηχανές με χρήση συστήματος laser

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο τη μέτρηση των κραδασμών σε στροβιλομηχανές με χρήση συστήματος λέιζερ και πιο συγκεκριμένα με χρήση της συσκευής Industrial Laser Doppler Vibrometer Type 8338. Αναζητήθηκαν αρχικά στη διεθνή βιβλιογραφία πληροφορίες σχετικές με τη χρήση ανάλογων συστημάτων όπως και τα στοιχεία που προέκυψαν από την εφαρμογή τους στις διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Ακολουθεί μια πρώτη γνωριμία με το σύστημα λέιζερ όπου και παρουσιάζονται τα εργονομικά χαρακτηριστικά του, η αρχή λειτουργίας στην οποία βασίζεται η λήψη των μετρήσεων καθώς και κάποια βασικά στοιχεία της θεωρίας των ταλαντώσεων. Δίδονται επίσης οδηγίες για την επιλογή των κατάλληλων για την κάθε περίπτωση παραμέτρων και για την προετοιμασία και τη συνδεσμολογία της συσκευής, ώστε να είναι έτοιμη προς χρήση. Στη συνέχεια ακολουθεί η διαδικασία της πιστοποίησης του LDV, κατά την οποία πραγματοποιείται μια σειρά δοκιμών ώστε να επαληθευτεί η ακριβής λειτουργία του οργάνου κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μέτρησης. Ως μέτρο σύγκρισης για τον έλεγχο της ακρίβειας λαμβάνεται ο βαθμονομητής επιταχυνσιομέτρων Calibration Exciter Type 4294. Οι πρώτες δοκιμές αφορούν στη μελέτη της συμπεριφοράς του LDV στις περιπτώσεις που η δέσμη του λέιζερ προσπίπτει στο διεγέρτη υπό διάφορες γωνίες. Προσαρμόζουμε επίσης πάνω στο διεγέρτη επιφάνειες διαφορετικής τραχύτητας ώστε να μελετηθεί η απόκριση του συστήματος σε σχέση με την τραχύτητα της επιφάνειας. Στις επόμενες δοκιμές μεταβάλλουμε την απόσταση του LDV από το διεγέρτη σε ευθεία γραμμή, ώστε να μελετηθεί η ευαισθησία των μετρήσεων σε σχέση με την απόσταση. Στις αρχικές δοκιμές μεταβάλλουμε κάθε φορά την εστίαση ώστε να έχουμε πάντα τη βέλτιστη δυνατή για την κάθε απόσταση, ενώ στις επόμενες διατηρείται σταθερή η εστίαση όπως αυτή ρυθμίζεται για κάποια συγκεκριμένη απόσταση αναφοράς. Τέλος, ελέγχεται η απόκριση του συστήματος όταν μεταξύ του LDV και του διεγέρτη παρεμβάλλονται καθρέπτες, οι οποίοι εκτρέπουν τη δέσμη του λέιζερ και την κατευθύνουν στο διεγέρτη υπό διάφορες γωνίες. Στην τελευταία ενότητα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής του LDV για τη μέτρηση των κραδασμών σε διατάξεις αεριοστροβίλων του Εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών του Ε.Μ.Π. Η πρώτη σειρά μετρήσεων πραγματοποιείται στη διάταξη δοκιμών αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών, όπου παράλληλα με το LDV χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των κραδασμών και συμβατικά επιταχυνσιόμετρα στις ίδιες θέσεις της μηχανής, ώστε να διαπιστωθεί η σύγκλιση των αποτελεσμάτων των δύο μεθόδων και η αξιοπιστία του συστήματος λέιζερ. Στη συνέχεια πραγματοποιείται μια ακόμη σειρά δοκιμών στη διάταξη του μικρού στροβιλοκινητήρα AMT Olympus στο δοκιμαστήριο του εργαστηρίου. Στην περίπτωση αυτή, το LDV αποτελεί τη μοναδική μέθοδο μέτρησης των κραδασμών της μηχανής.

The purpose of this diploma thesis is the measurement of vibrations for turbomachinery applications with use of Laser Doppler Vibrometer type 8338. Initially, in order to find information relative to the use of analogous systems and elements that resulted from their use in various industrial applications, the international bibliography is researched. We are also accustomed to the laser system by presenting its ergonomic characteristics, its principle of operation as well as certain basic elements of vibrations’ theory. Guidelines are also given towards the choice of the suitable parameters and the preparation and the linking of the device, so that it is ready to use. Afterwards the certification process of the LDV is presented, while several tests are performed so that the precise operation of the device under specific conditions of measurement is verified. The Calibration Exciter Type 4294 is considered here as a means of comparison for the control of the LDV’s precision. The first series of tests concerns the study of the LDV’s behavior in cases that the laser beam aims at the exciter under various angles. Surfaces of different roughness are fitted to the exciter so that the system’s responce concerning the roughness of the surface is studied. In the second series of tests the LDV’s straight line distance from the exciter is altered, so that the sensitivity of the measurements concerning the distance is studied with or without focus regulation. In the initial tests focus is each time adjusted in order to achieve the optimal possible for each distance, while in the following tests the focus is maintained constant as it is regulated for a certain specific reference distance. Finally, the system’s response is checked when mirrors are interfered between the LDV and the exciter, that divert the laser beam and direct it towards the exciter under various angles. In the last section the results of the LDV’s application for the measurement of vibrations on turbomachinery components of gas turbine engines at the Laboratory of Thermal Turbomachines of N.T.U.A are presented. The first measurements concern the counter rotating blade rows engine, where the LDV is used simultaneously with conventional accelerometers for the vibrations’ measurement, so that the convergence of the results of the two methods and the reliability of laser system are verified. Afterwards, another series of tests is realized on the AMT Olympus small turbomachine located in the laboratory’s test cell. In this case, the LDV constitutes the unique method for the measurement of the machine’s vibrations.