CN111579060B - 一种基于叶尖定时技术高精度的旋转叶片振动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于叶尖定时技术高精度的旋转叶片振动测量方法，属于旋转机械无键相叶片振动监测技术领域。该方法考虑转速波动引起的测量误差，有效的提高了叶片振动的测量精度。主要包括以下步骤：首先，在叶片转子低速运行的条件下，对叶片的相位角进行标定；然后，在实验台上进行叶片振动测量实验，将测量的数据按叶片数进行分组。取部分数据重复第一步，识别定时传感器测量的叶片位置的顺序，利用最小二乘法二次项拟合实测的定时数据得到叶尖到达传感器的理论时间，从而进一步计算叶片的振动；最后，对叶片振动的计算结果进行后处理，包括同步振动参数识别和频谱分析。通过与传统键相法的计算结果进行对比，本发明的计算结果的精度更高。

Description

一种基于叶尖定时技术高精度的旋转叶片振动测量方法

技术领域

本发明属于旋转机械叶片振动测量技术领域，特别是基于叶尖定时技术的高精度的叶片振动测量方法。

背景技术

高速旋转叶片在工作时，由于气流分布不均匀、不稳定及转子不平衡的离心力等会使叶片发生振动。叶片的振动会导致高周疲劳(HCF)，HCF可能导致叶片失效，最终降低叶片的耐久性和寿命，甚至产生严重的后果。因此，旋转叶片的振动测量对航空发动机、电站发电机组及各种压气机的安全运行至关重要。为了提高旋转叶片振动测量系统，适应高转速、高精度、全面监测的要求，叶尖定时技术被广泛研究。

叶尖定时测振技术通常应用于高速旋转叶片振动的测量且测量精度要求较高。在实际测量过程中不可避免的会受到各种因素的干扰引起的测量结果误差，例如数采系统低分辨率引起的测量误差、传感器振动引起的测量误差和转速波动引起的测量误差等。常用的叶片振动测量方法主要包括单键相法(键相法和虚拟键相法)和角基准法。单键相法转子旋转一圈可以获得一个参考信号，根据参考信号计算每一圈的转速和叶尖到达定时传感器的理论时间。单键相法认为相邻参考信号之间的转速是不变，但旋转叶片在实际运行过程中，转速是一直发生变化的。角基准法转子旋转一圈可以获得多个参考信号，根据参考信号可以计算叶尖扫过定时传感器的瞬时速度和叶尖到达定时传感器的理想时间。角基准法可以精确感受转速的变化，测量精度较高。传统的单键相法测量叶片振动，忽略了每一圈内转速的变化，导致叶片振动测量误差。另外，角基准法由于键相标记安装问题，无法应用于实际叶片振动测量领域中。因此，研究高精度叶片振动测量方法具有重要意义。

发明内容

本发明针对传统的叶片振动测量中由于转速波动引起的测量误差，提出一种基于叶尖定时技术高精度叶片振动测量方法。该方法不需要参考信号，兼顾叶片振动测量的精度和叶片振动测量的速率，认为每一圈转速线性变化，利用最小二乘法二次项拟合实测的每一圈叶尖定时信号得到叶尖到达定时传感器的理论时间。本发明对叶片振动的测量方法进行了改进，不需要安装键相传感器，同时，也提高叶片振动的测量精度。

本发明的技术方案：

一种基于叶尖定时技术高精度的旋转叶片振动测量方法，步骤如下：

第一步：叶片转子低速运行，根据定时传感器实测的叶尖到达时间

标定叶片的理论相位角α_i，其中i为叶片编号，j为定时传感器编号；

叶片转子在低速运行的条件下，叶片受到的载荷较小，此时，叶尖无振动或振动很小；根据单个定时传感器实测的叶尖到达时间

标定相邻叶片之间的夹角：

选取参考叶片，以参考叶片为基准，标定每个叶片在转子上安装的相位角：

α_i+1＝α_i+Δα_(i+1,i) (2)

通过对比叶片相位角的标定结果和叶片实际安装的相位角，确定对应叶片的具体位置，用于叶片振动监测过程中故障叶片位置的确定；同时，叶片相位角的标定结果对于叶片振动测量有着重要的作用；

第二步：进行基于叶尖定时的叶片振动测量，对每个定时传感器实测的叶尖到达时间

按叶片数进行分组

取部分定时数据重复第一步的过程，与第一步的标定结果进行比较，识别传感器测量的叶片位置的顺序；

根据第一步标定的叶片相位角，利用最小二乘法二次项拟合实测的每一圈的叶尖定时数据获得叶尖到达定时传感器的理论时间

根据叶尖到达定时传感器的理论时间计算叶尖扫过定时传感器的速度：

根据叶尖到达定时传感器的理论时间计算叶尖的振动：

其中，r表示叶尖旋转半径；

第三步：在变速扫频的条件下，当激振频率等于固有频率时，此时叶片振动响应很大，叶片振动主要来源于同步振动，异步振动较小被忽略；根据叶尖定时测振原理，叶片单频振动位移写成：

其中，z＝N_eΩ/ω_n，N_e为振动倍频，Ω为转速频率，ω_n为固有频率；

β为定时传感器的安装角度，

为激振频率的相位。A为静态力产生的位移，ξ为叶片阻尼比系数，C为叶片振动偏置；

在变速扫频条件下，根据定时传感器实测的叶尖振动曲线，利用非线性最小二乘法以公式(5)为目标拟合同步振动曲线，获得叶片的同步振动参数，包括A、ξ、

Ω和C；在已知叶片固有频率的先验条件下，确定叶片的共振倍频和共振频率；

在恒速运行的条件下，根据叶尖定时测振原理，理论上单个叶尖定时传感器测量的叶片振动为常数；为了确定叶片振动的来源，对定时传感器测量的叶尖振动进行FFT变换；由于转子旋转一周，定时传感器对单个叶片振动测量一次，因此，转子转频即定时传感器的采样频率；频谱分析得到的频谱包括低频的叶片振动频率和高频的叶片振动频率由于欠采样在频谱上的混叠成分。

以上所述的第一步至第三步是针对转速波动对叶尖定时测振结果的影响，在没有键相信号的条件下，实现了一种基于叶尖定时技术高精度的旋转叶片振动测量方法。

本发明的有益效果：本发明属于无键相叶片振动测量方法。认为每一圈转速变化是线性的，利用最小二乘法二次项拟合实测的叶尖定时数据获得叶尖到传感器的理论时间。从而进一步计算叶片的振动。本发明与传统的键相法相比，在时域上，一方面能够抑制转速波动较大带来的叶片振动幅值异常，另一方面能够减小叶尖振动曲线的标准差，使测量的振动曲线更加光滑；在频域上，抑制了转速波动频率叠加在叶片振动频谱上，导致叶片振动频率幅值异常。本发明有效的减小了转速波动对叶尖定时测振的影响，提高了测量精度，增大其使用范围。

附图说明

图1为实验台叶片相位标定结果；

图2为Tip0测量叶片的位置顺序识别结果；

图3为叶片振动测量结果：(a)为传统键相法计算结果；(b)为本发明计算结果；

图4为叶片振动测量，两种方法计算的不同叶片测量结果的标准差对比；

图5为恒速条件下，两种方法计算叶片振动平均值对比；

图6为恒速条件下，两种方法计算叶片振动标准差对比；

图7为叶片同步振动参数识别结果；

图8为恒速条件下，叶片振动的谱分析结果：(a)为传统键相法测量叶片振动谱分析结果；(b)本发明测量叶片振动谱分析结果；

图9为恒速条件下，不同频率处幅值变化：(a)为传统键相法测量叶片振动谱分析结果中，各叶片不同频率处幅值的变化；(b)为本发明测量叶片振动谱分析结果中，各叶片不同频率处幅值的变化；

图10是基于叶尖定时技术的叶片振动测量流程图。

具体实施方式

以下为结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。实施例的数据来自于叶尖定时测振实验台。该叶尖定时实验台主要由驱动电机、叶盘和带有磁铁激励的保护罩组成，叶盘直接安装在电机的输出轴上，叶片数为32，电机的额定运行转速12000rpm，通过对变频器编程可实现变速扫频和恒定转速运行工况。叶尖定时测振系统主要由光纤传感器、光电前放、信号调理模块、计数器和上位机组成。

第一步：拆掉保护罩上的磁铁激励，对叶片的相位角进行标定。

实验过程中的电机转速为1800rpm/min，存储定时传感器实测的数据，数据长度1min。根据Tip0定时传感器实测的叶尖到达时间利用公式(1)标定相邻叶片之间的夹角，标定结果如图1所示。

第二步：在保护罩上沿圆周方向上均匀安装12个磁铁激励，进行叶片振动测量实验。

电机转速变速扫频，转速变速范围为0～6600rpm，将Tip0定时传感器实测的叶尖到达时间

进行存储。

电机转速恒定，转速为3368rpm，将Tip0定时传感器实测的叶尖到达时间

进行存储。

将实测叶尖定时数据

根据叶片数进行分组

取前200圈的数据重复第一步的过程，通过与第一步的结果进行对比，识别定时传感器测量的叶片位置的顺序，识别结果如图2所示。

根据第一步标定的叶片相位角，通过最小二乘法二次项拟合实测的每一圈的叶尖定时信号获得叶尖到达定时传感器的理论时间

进而根据公式(3)和公式(4)计算叶尖的振动。为了进一步体现本发明在叶片振动测量结果时域上的优越性，对比分析了传统的键相法的叶片振动计算结果。

在变速扫频的工况下，图3对比了本发明和传统键相法计算叶片振动的结果，在转速波动较大的区域，本发明的方法可以抑制转速波动导致的计算误差，测量精度更高。图4对比了本发明和传统键相法计算叶片同步曲线结果的标准差，可以清楚的看出本发明的方法的标准差均小于键相法的计算结果，测量的叶片振动曲线更加光滑。

在恒速工况下，图5对比了本发明和传统键相法计算叶片振动的平均值，可以发现两种方法的计算结果基本一致，可以进一步验证本发明的准确性。图6对了本发明和传统键相法计算叶片振动的标准差，可以发现本发明计算的标准差均小于键相法的计算结果。

第三步：基于叶尖定时测振技术的叶片振动的后处理。

利用非线性最小二乘法以公式(5)为目标拟合Tip0在变速扫频工况下实测的叶片振动曲线，如图7所示，拟合结果如表1所示。

将Tip0在恒速工况下实测的叶片振动进行FFT频谱分析，为了进一步体现本发明在叶片振动测量结果频域上的优越性，对比分析了传统的键相法的叶片振动分析结果。

图8对比了本发明和传统键相法测量叶片振动频谱分析结果，从图中可以看出，两种方法的频谱分析结果中的主要频率成分相同。

图9对比了两种方法计算的每个叶片振动谱分析中的主要频率成分的幅值，从图中看出，键相法分析结果中，8.19Hz、11.11Hz和22.22Hz处幅值受转速波动影响较大；本发明提出的方法可以有效的抑制转速波动对叶片振动测量的影响。

表1叶片参数识别结果

Claims (1)

1.一种基于叶尖定时技术高精度的旋转叶片振动测量方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：叶片转子低速运行，根据定时传感器实测的叶尖到达时间

标定叶片的理论相位角α_i，其中i为叶片编号，j为定时传感器编号；

叶片转子在低速运行的条件下，叶片受到的载荷较小，此时，叶尖无振动或振动很小；根据单个定时传感器实测的叶尖到达时间

标定相邻叶片之间的夹角：

选取参考叶片，以参考叶片为基准，标定每个叶片在转子上安装的相位角：

α_i+1＝α_i+Δα_(i+1,i) (2)

通过对比叶片相位角的标定结果和叶片实际安装的相位角，确定对应叶片的具体位置，用于叶片振动监测过程中故障叶片位置的确定；同时，叶片相位角的标定结果对于叶片振动测量有着重要的作用；

第二步：进行基于叶尖定时的叶片振动测量，对每个定时传感器实测的叶尖到达时间

按叶片数进行分组

取部分定时数据重复第一步的过程，与第一步的标定结果进行比较，识别传感器测量的叶片位置的顺序；

根据第一步标定的叶片相位角，利用最小二乘法二次项拟合实测的每一圈的叶尖定时数据获得叶尖到达定时传感器的理论时间

根据叶尖到达定时传感器的理论时间计算叶尖扫过定时传感器的速度：

根据叶尖到达定时传感器的理论时间计算叶尖的振动：

其中，r表示叶尖旋转半径；

第三步：在变速扫频的条件下，当激振频率等于固有频率时，此时叶片振动响应很大，叶片振动主要来源于同步振动，异步振动较小且被忽略；根据叶尖定时测振原理，叶片单频振动位移写成：

其中，z＝N_eΩ/ω_n，N_e为振动倍频，Ω为转速频率，ω_n为固有频率；

β为定时传感器的安装角度，

为激振频率的相位；A为静态力产生的位移，ξ为叶片阻尼比系数，C为叶片振动偏置；

在变速扫频条件下，根据定时传感器实测的叶尖振动曲线，利用非线性最小二乘法以公式(5)为目标拟合同步振动曲线，获得叶片的同步振动参数，包括A、ξ、

Ω和C；在已知叶片固有频率的先验条件下，确定叶片的共振倍频和共振频率；

在恒速运行的条件下，根据叶尖定时测振原理，理论上单个叶尖定时传感器测量的叶片振动为常数；为了确定叶片振动的来源，对定时传感器测量的叶尖振动进行FFT变换；由于转子旋转一周，定时传感器对单个叶片振动测量一次，因此，转子转频即定时传感器的采样频率；频谱分析得到的频谱包括低频的叶片振动频率和高频的叶片振动频率由于欠采样在频谱上的混叠成分。

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