Особенности применения цифровой фотокамеры в оптической схеме спекл – интерферометра для виброметрии деталей газотурбинных двигателей

Прогнозирование динамической напряжённости деталей и узлов газотурбинных двигателей (ГТД) является одной из наиболее сложных и в настоящий момент до конца нерешённых задач, встающих перед разработчиками двигателей на стадии проектирования и поузловой доводки по параметрам прочности. Анализ собственных частот и форм колебаний проектируемых деталей является составной частью в решении проблемы прогнозирования и снижения динамической напряжённости деталей. На стадии проектирования эта проблема находит решение с использованием расчётных методов, которые, однако, не позволяют полностью учесть индивидуальные особенности изготовления конкретной детали, отклонения в геометрии и свойствах материала. Полученные при этом данные являются ориентировочными и позволяют принимать решения в целом, без учёта индивидуальных особенностей деталей. Для определения истинных значений собственных частот и форм колебаний конкретных деталей необходимо применение экспериментальных методов.

тивно регистрировать формы колебаний деталей. В большинстве применяемых на практике цифровых спекл – интерферометров (ЦСИ) используются оптические схемы с гладким опорным пучком и разделёнными ветвями, заимствованные из голографической интерферометрии (рис. 1) [2, 3].

Главным недостатком таких ЦСИ является достаточно высокая сложность юстировки оптической схемы, так как в этом случае с помощью светоделителя 7 нужно совместить оптические оси предметного и опорного пучков. На этой же оптической оси должна располагаться телекамера 12. Одновременно с этим необходимо сфокусировать опорный пучок в плоскости диафрагмы объектива 11 телекамеры 12 для равномерного освещения рабочей поверхности ПЗС-матрицы телекамеры. Настройка такого интер-

Рис. 1. ЦСИ с гладкой опорной волной и разделёнными пучками для исследования вибрационных характеристик деталей ГТД: 1 – лазер; 2 – светоделитель; 3 – оптический фильтр; 4 – поворотное зеркало; 5 – микрообъектив; 6 – линза; 7 – светоделитель; 8 – поворотное зеркало; 9 – микрообъектив; 10 – исследуемый объект; 11 – объектив телекамеры; 12 – телекамера; 13 – персональная ЭВМ

Рис. 2. ЦСИ со спекл-модулированной опорной волной и совмещёнными пучками для исследования вибрационных характеристик деталей ГТД:

1 – лазер; 2 – расширительная линза; 3 – диффузор; 4 - держатель диффузора; 5 – исследуемый объект; 6 – устройство возбуждения; 7 - видеосистема ферометра проводится поэтапно и требует постоянного наблюдения на экране монитора процесса сведения интерферирующих пучков. В связи с указанными особенностями для регистрации спекл – интерферограмм с помощью таких спекл – интерферометров используются телекамеры. Однако телекамеры, обладая высокой стоимостью, имеют относительно низкую разрешающую способность, что приводит к снижению контраста получаемых спекл – интерферограмм.

В работе [4] разработан ЦСИ, оптическая схема которого значительно упрощена за счёт использования спекл – модулированного опорного пучка, сформированного с помощью фазового объекта – диффузора, расположенного перед исследуемым объектом (рис.2).

Эта установка предназначена для регистрации перемещений, перпендикулярных поверхности объекта. Юстировка оптической схемы такого ЦСИ проста, что позволяет использовать для регистрации интерференционной картины предметного и опорного пучков цифровую фотокамеру. При этом необходимо соблюдать условие, чтобы лазер 1, расширительная линза 2, диффузор 3 и исследуемый объект 5 находились на одной оптической оси, а видеосистема 7 должна быть максимально приближена к этой оптической оси. Наложение предметного и опорного пучков в этой схеме осуществляется за счёт расположения диффузора 3, формирователя опорной волны, перед исследуемым объектом 5.

В данной работе с помощью спекл – интерферометра, представленного на рис.2, была исследована лопатка 10-й ступени компрессора производства ОАО “КУЗНЕЦОВ”. При этом использовалась первоначально телекамера MTV – 4363 CA с разрешением 640х480, а затем на её место устанавливалась цифровая фотокамера Canon EOS 1100D с разрешением 4272х2848 (рис.3).

Приведённые спекл – интерферограммы получены методом вычитания изображений, как опи- сано в [5]. В этом случае яркость изображения наблюдаемой на экране монитора интерференционной картины определяется выражением:

B=4b < IS > J2 4A(x, y)

2.     Л2

• Го^ ф -ф о ) , (1)

X

где b – коэффициент, зависящий от параметров системы ввода; <  I S >  , <  I O >  - усреднённая за время ввода интенсивность предметного и опорного пучков в точке ( x , y ) ; J ₀ – функция Бесселя первого рода нулевого порядка; A ( x , y ) – амплитуда колебаний поверхности в точке ( x, у ) ; ф ₅ , ф _о - фаза предметного и опорного пучков в точке ( x , y ) .

Здесь члены <  I S > , < I O > , а также ( ф ₅ — ф _о ) представляют собой случайные величины и являются источниками спекл – шумов на спекл - интерферограмме. Информацию об амплитуде колебаний в каждой точке поверхнос-

4пА

ти исследуемой детали содержит член J (    ) .

X

При этом необходимо иметь в виду, что формула (1) справедлива для случая, когда время экспозиции кадра велико по сравнению с периодом колебаний исследуемого объекта.

Из формулы (1) видно, что яркость светлых полос быстро спадает в соответствии с функцией Бесселя. Тем не менее контраст полос без учёта шумов, определяемый как

V =

B max

—

B min

в +в max min

и для полос высоких порядков равен единице.

В выражении (2) Bmax – максимальная яркость светлой полосы; – минимальная яр-min кость тёмной полосы.

а)

б)

Рис. 3. Спекл – интерферограммы колеблющейся на частоте 9387 Гц лопатки 10-й ступени компрессора, зарегистрированные с помощью: а – телекамеры MTV – 4363 CA;

б – фотокамеры Canon EOS 1100D

Однако из-за наличия спекл-шумов, уровень которых сравним с интенсивностью вторичных максимумов функции Бесселя, контраст интерференционных полос при исследовании вибраций быстро падает, и полосы становятся неразличимыми (рис. 3а). В результате теряется информация о колебаниях в этих точках поверхности исследуемой детали.

В работе [5] показано, что интервалы между интерференционными полосами и их контраст зависят от разрешающей способности используемой видеосистемы. При этом установлено, что контраст полос возрастает с увеличением разрешающей способности видеосистемы. В результате экспериментальных исследований, выполненных в работе [4], доказано, что в случае использования видеосистемы с одинаковой разрешающей способностью контраст интерференционных полос на спекл – интерферограммах, получаемых с помощью ЦСИ с гладкой опорной волной, выше, чем на спекл – интерферограммах, получаемых на ЦСИ со спекл-мо-дулированной опорной волной. Однако за счёт возможности использования видеосистемы с более высоким разрешением, например, фотокамеры

Canon EOS 1100D, при исследовании вибраций контраст полос на спекл- интерферограммах, получаемых с помощью ЦСИ со спекл-модулирован-ной опорной волной, может значительно превышать контраст интерференционных полос на спекл-интерферограммах, получаемых с помощью спекл – интерферометра с гладкой опорной волной. Кроме того, при исследовании колебаний объектов различных геометрических размеров ЦСИ с гладкой опорной волной необходимо перенастраивать, причём наибольшие технические трудности возникают при исследовании вибраций деталей ГТД с относительно малыми геометрическими размерами и высокими градиентами перемещений. Так, при экспериментальных исследованиях, проведённых в работе [3], используя оптическую схему на рис. 1, авторы испытывали затруднения при регистрации вторичных максимумов на спекл – интерферограммах детали размером 40х32 мм. В данной работе объектом исследования была лопатка 14-й ступени компрессора высотой 26,2 мм и хордой 21,5 мм (рис. 4).

В результате анализа спекл – интерферог-

Частота колебаний	Спе кл – интерферограммы получены с помощью установки на ри с.1 телекамерой MTV – 4363 CA	Спекл – и нте рфе рограм мы получены с помощью установки на рис.2 фо токаме рой Canon EOS 1100D
2301 Гц		Hilli^^
4808 Гц		■1 IB
10 926 Гц		:||||^^

Рис. 4. Частоты и формы колебаний лопатки 14-й ступени компрессора рамм на рис.4 было установлено, что контраст полос на спекл – интерферограммах, полученных с помощью ЦСИ со спекл – модулированной опорной волной (рис.2) после замены телекамеры на фотокамеру, на различных участках интерферограммы на 15-30% выше, чем на спекл – интерферограммах, полученных на установке, приведённой на рис.1. Величина контраста полос вычислялась в соответствии с выражением (2). При этом необходимо отметить, что на всех формах колебаний увеличилось и число регистрируемых интерференционных полос. Так на основном тоне при частоте колебаний 2301 Гц на спекл – интерферограмме, полученной с помощью установки с гладкой опорной волной, на данной лопатке можно наблюдать не более четырёх интерференционных полос. В то время как на установке со спекл – модулированной опорной волной зарегистрировано семь интерференционных полос. Это означает, что диапазон допустимых амплитуд колебаний в случае использования гелий-неонового лазера ( λ=632,8 нм) увеличился с 0,59 до 1,06 мкм. При колебаниях на первой крутильной форме на частоте 4808 Гц эта величина увеличилась с 0,46 до 1,21 мкм. На частоте 10926 Гц (изгибная форма) допустимая амплитуда колебаний верхней кромки лопатки увеличилась с 0,28 до 0,75 мкм. Такая же тенденция сохраняется и на более высоких формах колебаний.

ВЫВОДЫ

• -    Впервые при исследовании вибраций методом цифровой спекл - интерферометрии выявлена и экспериментально подтверждена возмож-

• ность применения цифровой фотокамеры для регистрации форм колебаний деталей ГТД;

• -    при динамических испытаниях лопатки 14й ступени компрессора использование цифровой фотокамеры в оптической схеме ЦСИ со спекл – модулированной опорной волной позволило превысить контраст интерференционных полос на спекл – интерферограммах, получаемых с помощью ЦСИ с гладкой опорной волной, более чем на 15%;

• -    применение цифровой фотокамеры Canon EOS 1100D вместо телекамеры MTV – 4363 CA в оптической схеме ЦСИ со спекл – модулированной опорной волной привело к увеличению диапазона допустимых вибрационных перемещений более чем на 80% по сравнению с ЦСИ с гладкой опорной волной.