CN109974849B - 无参考信号下基于叶尖定时技术的叶片振动在线监测方法 - Google Patents

Abstract

一种无参考信号下基于叶尖定时技术的叶片振动在线监测方法，根据实测的叶片到达每一个径向设置的传感器的时间和到达时叶片角度，通过多项式拟合的方式近似得到叶片到达传感器的理论时间，再根据拟合的最高阶次得到转子的转速和等价的传感器角度，并通过叶片到达传感器的实测时间计算出叶片尖部的振动偏移量，最后利用正弦拟合的方式进行叶片振动参数识别，实现在线监测。本发明能够保证在没有参考信号的情况下，仍然能够对叶片的振动进行监测，降低了叶片振动在线监测的成本，提高了叶尖定时技术在线监测的可靠性。

Description

无参考信号下基于叶尖定时技术的叶片振动在线监测方法

技术领域

本发明涉及的是一种航空发动机制造领域的技术，具体是一种用于叶轮机械的无参考信号下基于叶尖定时技术的叶片振动在线监测方法。

背景技术

叶片作为叶轮机械的做功部件，在运行中受到各种载荷激励从而引起叶片振动。叶片振动是叶轮机械中一个非常严重的问题，因为振动过大很可能导致叶片疲劳失效。因此，叶片振动在线监测是必不可少的。叶片振动的形式按照频率与转速的关系可以分为两大类：同步振动和异步振动。同步振动是指叶片振动频率和转子转速成整数倍关系，通常是由于叶片上游的导叶或者静叶的尾流激励造成的。异步振动是指叶片振动频率和转子转速成非整数倍的关系，通常发生在旋转失速，喘振或者颤振等特殊工况。

常用的叶片振动参数识别方法包括单参数法，双参数法，自回归方法，正弦拟合等等。但是这些方法都是基于有参考信号的情况，即转速在转子转一圈的过程中速度不发生变化。如果没有参考信号，或者参考信号失效的情况下就不能识别出叶片振动参数。另外，如果转速变化过快，上述传统的叶尖定时方法也会失效。因此，发展在没有参考信号下叶片振动在线监测具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种无参考信号下基于叶尖定时技术的叶片振动在线监测方法，能够保证在没有参考信号的情况下，仍然能够对叶片的振动进行监测，降低了叶片振动在线监测的成本，提高了叶尖定时技术在线监测的可靠性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明根据实测的叶片到达每一个径向设置的传感器的时间和到达时叶片角度，通过多项式拟合的方式近似得到叶片到达传感器的理论时间，再根据拟合的最高阶次得到转子的转速和等价的传感器角度，并通过叶片到达传感器的实测时间计算出叶片尖部的振动偏移量，最后利用正弦拟合的方式进行叶片振动参数识别，实现在线监测。

所述的多项式拟合的方式是指：测量每一圈中每个叶片到达传感器的实测时间，对实际测量得到叶片到达传感器的时间以及叶片角度进行多项式拟合f＝a0+a1·x+a2·x²+a3·x³+…，根据多项式的系数(a0，a1，a2…)选择合适的拟合阶次，从而近似得到叶片理论到达传感器时间和角度之间的函数关系式。

所述的转子的转速和等价的传感器角度，通过多项式拟合的最高阶次m进行判断：当m＝1时，转子转速在本圈中没有发生变化，即为常数，等价的传感器安装角度等于原始的传感器安装角度；当m>1时，转子转速在本圈中为变量，通过计算每个角度的瞬时转速和对应的等价的传感器角度得到。

技术效果

与现有技术相比，本发明能够保证在没有参考信号的情况下，仍然能够对叶片的振动进行监测，降低了叶片振动在线监测的成本，提高了叶尖定时技术在线监测的可靠性。

附图说明

图1为叶尖定时技术原理图；

图2为无参考信号下基于叶尖定时技术的叶片振动在线监测方法流程图；

图3为实施例示意图；

图4为参考信号下得到的转速与无参考信号下得到的转速图；

图5为参考信号下得到的转速与无参考信号得到的转速的相对误差图；

图6为参考信号得到的1号叶片振幅与无参考信号下得到的1号叶片振幅图；

图7为参考信号得到的1号叶片振幅与无参考信号下得到的1号叶片振幅的相对误差图；

图中：1参考信号输入、2叶尖定时传感器、3机匣、4叶片、5激光发射接收器、6计时器、7监测模块、a叶片偏移位置、b叶片平衡位置、r叶轮半径。

具体实施方式

如图2所示，本实施例涉及一种无参考信号下基于叶尖定时技术的叶片振动在线监测方法，包括以下步骤：

①叶片实际到达每一个径向设置(优选为嵌入机匣中的)传感器的时间

本实施例中将叶片和传感器进行编号：叶片从1到N，传感器从1到j，即表示第i个叶片实际到达第j个传感器的时间，x表示第2个传感器所记录的第一个叶片到达时间是叶片x，y表示第j个传感器所记录的第一个叶片到达时间是叶片y。

每个叶片到达各个上述传感器的理论角度

其中：ψ_j表示传感j和传感器1之间叶片的数量，

θ_j表示第j个传感器的安装角，θo_j表示传感器j与距离它最近的叶片之间的距离：

②叶片实际到达时间和叶片角度进行多项式拟合，根据拟合系数确定最高的拟合阶数，并求得函数关系：

其中：

表示叶片理论到达传感器的时间。

1)当最高拟合阶次等于1，即表明此时叶片实际到达时间和叶片角度成线性关系，因此可以理解为转子转速在这一圈中是常数，即

2)当最高拟合阶次大于1，即表明叶片实际到达时间和叶片角度成非线性关系，转子转速在这一圈中是变化的，则相应求解反函数关系：β＝f^-1(t)，记f^-1为G，即：β＝G(t)，通过求G对t的一阶倒数可得：v＝G′(t)，则对应的等价的传感器安装角度等于：

其中：v_e表示转子在相同的时间内到达传感器j所需要的恒定转速值。

③根据计算的转速和时间差求解叶片尖部振动偏移量，具体为：拟合最高阶次等于1：

以及拟合最高阶次大于

叶片在单一激励源下的稳态振动d＝A·sin(ωt+φ₀)，其中：A为振幅，ω表示振动频率，φ₀表示初始相位，当引入无量纲参数EO(振动倍频)，则稳态振动改写成：

其中：θ表示传感器的安装角度，v表示转子旋转速度，v_e表示等价的转子旋转速度，即在相同时间内，叶片到达传感所需要的恒定转速值。

④采用正弦拟合的方式计算叶片振动参数，具体为：当拟合最高阶次等于1时θ_ej＝θ_j，因此基于最小二乘法的正弦拟合可以统一表示成：

本实施例中传感器的数量为3个以上，当传感器数量等于3，则提前通过坎贝尔图得到激励的阶次EO，相应得到叶片振动参数包括：叶片i的振幅

叶片i平衡位置c_i＝a_i0；叶片i的振动初始相位

如图3所示，本实施例通过以下环境进行验证：实验对象是五片叶片的轴流风扇，将三个激光传感器2装在机匣3上且传感器布置角度分别为20°，60°，100°，并分别与激光发射接收器5相连，激光发射接收器5的激光接收信号触发计时器6，叶片到达传感器的时间将被记录下来并传输到监测模块7中进行分析。取前面1000转的实验结果进行对比分析。

对某一圈中的叶片到达时间和叶片角度进行多项式拟合分析，如表1可以发现二阶以上的高阶项拟合系数非常小，而且增加拟合阶数对拟合优度并没有明显影响。因此根据拟合系数，可以选择合适的最高拟合阶数。

表1

根据每一圈的拟合结果，计算相应的转速。图5中测量的转速和由拟合结果得到的转速误差低于0.08％。转速相对误差

如图6所示，计算由测量的转速求得的振幅与拟合的转速求得的振幅的相对误差

整体相对误差低于6％。

叶尖定时技术作为非接触式叶片振动测量的技术之一，被广泛应用于压气机，涡轮等叶轮机械设备。为了解决在没有参考信号或者参考信号失效的情况下叶片振动在线监测，可以通过对每一圈的叶片实际达到时间和叶片角度进行多项式的拟合，近似得到叶片的理论到达时间。然后根据拟合的最高阶次，进行相应的转速计算和等价的传感器安装角计算。最后通过等价的传感器角度和传感器测得的振动幅值，利用基于最小二乘法的正弦拟合求解得到叶片的振动信息。

利用五叶片轴流风扇，通过实验的方式得到了利用参考信号求得的转子转速，叶片振幅；以及在没有参考信号的情况下，利用本发明得到了转子转速，叶片振幅。根据相对误差分析的结果，验证了本发明的可行性和正确性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种无参考信号下基于叶尖定时技术的叶片振动在线监测方法，其特征在于，根据实测的叶片到达每一个径向设置的传感器的时间和到达传感器时的叶片角度，通过多项式拟合的方式近似得到叶片到达传感器的理论时间，再根据拟合的最高阶次得到转子的转速和等价的传感器角度，并通过叶片到达传感器的实测时间计算出叶片尖部的振动偏移量，最后利用正弦拟合的方式进行叶片振动参数识别，实现在线监测；

所述的多项式拟合的方式是指：测量每一圈中每个叶片到达传感器的实测时间，对实际测量得到叶片到达传感器的时间以及叶片角度进行多项式拟合f＝a0+a1·x+a2·x²+a3·x³+…，根据多项式的系数(a0，a1，a2…)选择合适的拟合阶次，从而近似得到叶片理论到达传感器时间和角度之间的函数关系式，

其中：

表示叶片理论到达传感器的时间，

为每个叶片到达各个上述传感器的理论角度

其中：ψ_j表示传感器 j和传感器1之间叶片的数量，

θ_j表示第j个传感器的安装角，θ_oj表示传感器j与距离它最近的叶片之间的距离：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的转子的转速和等价的传感器角度，通过多项式拟合的最高阶次m进行判断：当m＝1时，转子转速在本圈中没有发生变化，即为常数，等价的传感器安装角度等于原始的传感器安装角度；当m＞1时，转子转速在本圈中为变量，通过计算每个角度的瞬时转速和对应的等价的传感器角度得到。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的径向设置是指嵌入机匣中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的叶片实际到达每一个径向设置传感器的时间

其中：t_ij表示第i号叶片实际到达第j号传感器的时间，i∈[1，N]，j∈[1，J]，N表示叶片的数量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的叶片到达传感器的理论时间，通过以下方式得到：叶片实际到达时间和叶片角度进行多项式拟合，根据拟合系数确定最高的拟合阶数，并求得函数关系：

其中：

表示叶片理论到达传感器的时间；

1)当最高拟合阶次等于1，即表明此时叶片实际到达时间和叶片角度成线性关系，即转子转速在这一圈中是常数，即

；

2)当最高拟合阶次大于1，即表明叶片实际到达时间和叶片角度成非线性关系，转子转速在这一圈中是变化的，则相应求解反函数关系：β＝f^-1(t)，记f^-1为G，即：β＝G(t)，通过求G对t的一阶倒数可得：v＝G′(t)，则对应的等价的传感器安装角度等于：

其中：v_e表示转子在相同的时间内到达传感器j所需要的恒定转速值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，根据计算的转速和时间差求解叶片尖部振动偏移量，具体为：拟合最高阶次等于

以及拟合最高阶次大于

叶片在单一激励源下的稳态振动d＝A·sin(ωt+φ₀)，其中：A为振幅，ω表示振动频率，φ₀表示初始相位，当引入无量纲参数EO，则稳态振动改写成：

其中：θ表示传感器的安装角度，v表示转子旋转速度，v_e表示等价的转子旋转速度，即在相同时间内，叶片到达传感器 所需要的恒定转速值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，采用正弦拟合的方式计算叶片振动参数，具体为：当拟合最高阶次等于1时θ_ej＝θ_j，因此基于最小二乘法的正弦拟合可以统一表示成：

当传感器数量等于3，则提前通过坎贝尔图得到激励的阶次EO，相应得到叶片振动参数包括：叶片i的振幅

叶片i平衡位置c_i＝a_i0；叶片i的振动初始相位

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