CN212007508U - 一种用于叶片扭转振动位移测量的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于叶片扭转振动位移测量的装置，包括叶尖定时传感器、光电接收器件、数据采集处理模块和信号处理系统，由光电接收器件输出光电流信号，光电流信号经过放大、滤波后产生模拟信号，传输至数据采集处理模块，其特征在于，所述的叶尖定时传感器为两支，在旋转机械机匣上同一周向位置沿转子轴向设置两支一组叶尖定时传感器，分别用于测量某支叶片叶端进气边和出气边在同一圈到达叶尖定时传感器的时间；两支叶尖定时传感器设置于扭转共振叶端最大位移位置在叶端静止位置水平线上的投影点。本实用新型可以用来实现叶片扭转振动位移的测量。
Description
技术领域
本实用新型属于旋转机械状态监测领域，特别是基于叶尖定时原理的叶片扭转振动位移测量装置。
背景技术
航空发动机和汽轮机等重要旋转机械，是航空航天和工业领域的军用飞机、商用飞机、发电机组和蒸汽机组等关键设备的核心部件。尤其是动叶片作为旋转机械做功的核心元件，其工作状态直接影响这些重大关键设备的工作效率和安全、稳定、长周期运行等情况。目前，基于叶尖定时原理的旋转叶片振动测量技术是典型的非接触式测量方法，基本原理是将一定数量的传感器设置在旋转机械机匣上，测量旋转叶片经过传感器时的到达时间，通过相关辨识算法实现振动幅值、振动频率和振动相位等叶片振动的参数的测量。与传统的离线式叶片状态检测方法和应变片法、频率调制法和声响法等在线检测方法相比，叶尖定时技术具有非接触测量、实时在线监测和可测量全部叶片等优点，因此具有较好的工程实用性。
一方面，叶片是大型旋转机械的核心部件之一。以航空发动机为例，工况下叶片所处的工作环境较为恶劣，除了承受离心力之外，还持续受到气流激振力、大气温差和高温等环境影响。这些外界条件对发动机旋转叶片产生较为复杂的周期性变化应力，当外部激振力的频率等于或接近叶片的某阶固有频率时，叶片将有可能发生因共振而导致的叶片裂纹或叶片断裂等故障。据统计，由机械振动导致的故障占航空发动机故障总数的60％以上，而叶片振动故障占到机械振动故障总数的70％以上，可见叶片振动故障是导致航空发动机故障的重要原因，因此研究叶片的振动特性并对其运行情况进行实时在线监测，对航空发动机和汽轮机等重要旋转机械的研发测试、状态监测和故障诊断等方面都具有重要的实际意义。
另一方面，叶片工作时主要受外界周期性变化的激振力作用而产生强迫振动，根据振动表现形式的不同，叶片振动可分为弯曲振动、扭转振动和弯扭复合振动三种振型。同一支叶片有多个不同的共振频率，按照共振频率由小到大分为一阶共振、二阶共振……，当外界激振力频率与叶片的某阶共振频率一致时将激发叶片产生共振，不同阶次共振对应的振型不一定相同。本实用新型中将叶片振动频率不大于其一阶共振频率的振动称为低阶振动，叶片振动频率大于其一阶共振频率的振动称为高阶振动。通常叶片一阶共振的振型为弯曲振动，也称一阶弯振。一阶弯振是造成叶片根部产生裂纹和根部断裂的主要原因，其危害性较大、测量方法相对易于实现，因此国内外对一阶弯振进行的研究也较为深入。现有叶尖定时测量方法，包括速矢端迹法[1]、双参数法[2]、自回归法[3]和基于传感器任意角分布法[4]等，在旋转机械机匣同一周向位置只设置一支叶尖定时传感器，因此仅能实现叶片弯曲振动位移的测量，无法实现叶片扭转振动位移测量。
再一方面，叶片高阶振动的振型包括弯曲振动、扭转振动和弯扭复合振动三种振型，因扭转振动导致的叶片裂纹或掉角故障也时常发生，但由于叶片高阶振动具有振幅较小、振型复杂、传感器布局困难等测量难题，国内外对于叶片高阶振动参数的测量方法少有研究，尤其是针对叶片扭转振动位移等参数的测量方法未见报道。
[1]I.Y.Zablotsky and Yu.A.Korostelev.Measurement of resonancevibrations of turbine blades with the ELURA device[J].Energomashinostroneniye,1970,Vol.2:36-39.
[2]S Heath.A New Technique for Identifying Synchronous ResonancesUsing Tip-Timing[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2000,122(2):219-225.
[3]J.Gallego-Garrido,G.Dimitriadis,and J.R.Wright,A Class of Methodsfor the Analysis of Blade Tip Timing Data from Bladed Assemblies UndergoingSimultaneous Resonances—Part I:Theoretical Development[J]. InternationalJournal of Rotating Machinery,2007,Vol.2007:1-11.
[4]欧阳涛.基于叶尖定时的旋转叶片振动检测及参数辨识技术[D].博士学位论文,天津大学,2011.
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于叶片扭转振动位移测量的装置，以克服现有叶尖定时测量装置无法测量叶片扭转振动位移的缺点。本实用新型的技术方案如下：
一种用于叶片扭转振动位移测量的装置，包括叶尖定时传感器、光电接收器件、数据采集处理模块和信号处理系统，由光电接收器件输出光电流信号，光电流信号经过放大、滤波后产生模拟信号，传输至数据采集处理模块，所述的叶尖定时传感器为两支，在旋转机械机匣上同一周向位置沿转子轴向设置两支一组叶尖定时传感器，分别用于测量某支叶片叶端进气边和出气边在同一圈到达叶尖定时传感器的时间；两支叶尖定时传感器设置于扭转共振叶端最大位移位置在叶端静止位置水平线上的投影点。
本实用新型克服了现有叶尖定时测量方法无法测量叶片扭转振动位移的缺点，提出一种基于叶尖定时原理的叶片扭转振动位移测量装置，在旋转机械机匣的同一周向位置沿转子轴向设置两支叶尖定时传感器，分别测量某支叶片叶端进气边和出气边在同一圈到达两支叶尖定时传感器时的时间，若再辅以信号处理系统的软件，可以实现叶片扭转振动位移的精确测量。
附图说明
图1示出叶尖定时原理测量结构图
图2示出叶片扭转振动位移测量结构图
图3示出叶片一阶扭转振动振型图
图4示出叶片扭转振动位移测量传感器定位俯视图
图5示出叶片扭转振动位移测量俯视图
图中标号说明：
图1中，1为叶尖定时传感器；2为旋转机械机匣；3为叶片；
图2中，4为进气边叶尖定时传感器；5为出气边叶尖定时传感器；6为叶端进气边，7为叶端出气边， 8为信号处理系统；
图3中，9为叶端；10为振动节线；11为振动节点；
图4中，4为进气边叶尖定时传感器；5为出气边叶尖定时传感器；11为振动节点；12为扭转共振叶端最大位移位置；13为扭转共振叶端最大偏离角；14为扭转共振叶端进气边位移；15为扭转共振叶端出气边位移；16为叶端静止位置；
图5中，2为旋转机械机匣；4为进气边叶尖定时传感器；5为出气边叶尖定时传感器；12为扭转共振叶端最大位移位置；16为叶端静止位置；17为扭转振动叶端实时位置；18为转子轴向水平线；19为扭转振动叶端偏离角；20为扭转振动时传感器测得叶端进气边位移；21为扭转振动时传感器测得叶端出气边位移；22为扭转振动时真实叶端进气边位移；23为扭转振动时真实叶端出气边位移。
具体实施方式
以下详细描述制造和操作本实用新型的步骤，旨在作为本实用新型的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本实用新型的范围内。
本实用新型中将叶片顶端称为叶端，旋转机械机匣的圆周方向称为周向，叶片迎着气流方向的一侧称为进气边，叶片背向气流方向的一侧称为出气边，扭转振动时叶端边缘在同一圈内经过进气边和出气边两支叶尖定时传感器产生的周向距离差称为叶片扭转振动位移，下面结合说明书附图详细说明本实用新型的优选实施例。
叶尖定时原理结构测量如图1所示，现有叶尖定时测量方法[1-4]是在旋转机械机匣2的同一周向位置只设置一支叶尖定时传感器1，当每支叶片3旋转经过叶尖定时传感器1时将产生到达脉冲信号，信号处理系统利用叶片3到达叶尖定时传感器1时的脉冲时间，实现叶片弯曲振动位移的测量；
叶片扭转振动位移测量结构如图2所示，本实用新型提出的方法在旋转机械机匣的同一周向位置，沿转子轴向安装两支一组叶尖定时传感器，分别在低转速叶片未发生振动和高转速叶片发生扭转振动时，测量叶端进气边6到达进气边叶尖定时传感器4和叶端出气边7到达出气边叶尖定时传感器5的时间；叶尖定时传感器采用由一根发射光纤和多根接收光纤组成的光纤束式传感器，激光器通过发射光纤发射激光，当叶端进气边6和叶端出气边7先后到达进气边叶尖定时传感器4和出气边叶尖定时传感器5时，多根接收光纤可以接收到叶端的反射光信号，并将此信号传输至光电接收器件，由光电接收器件输出光电流信号，光电流信号经过放大、滤波后产生标准模拟信号，传输至数据采集处理模块，信号处理系统8通过采集光电流信号发生的时间，实现叶片到达时间的测量。
叶片一阶扭转振动振型如图3所示，叶片发生振动时，叶身上振动位移为零的各点组成的连线称为振动节线，振动节线与叶端的交点称为振动节点，当叶片发生一阶扭转振动时，叶端进气边和出气边围绕叶片振动节线10做相对扭转运动，其振动节线10、振动节点11、共振频率和共振振幅等参数可通过叶片固有频率试验获得，通常叶片发生扭转振动时的振动节线不一定在叶身的中间位置，因此振动节点11也不一定位于叶端9的中点位置；
叶片扭转振动位移测量传感器定位如图4所示，叶片发生扭转振动时包括扭转非共振和扭转共振两种情况，任选某支被测叶片，发生扭转振动时该叶片叶端将以叶端静止位置16为中心位置，在两个扭转共振叶端最大位移位置12之间做周期性扭转运动，为了保证叶尖定时传感器在叶片发生扭转非共振和扭转共振的情况下，都能够准确测量叶端进气边和出气边到达叶尖定时传感器的时间信号，两支叶尖定时传感器的定位需结合叶片扭转共振参数进行确定，扭转共振叶端最大位移位置12和扭转共振叶端最大偏离角13可通过叶片固有频率试验获得，叶端长度可由设计图纸获得，设α为扭转共振叶端最大偏离角13，O为振动节点11，线段AB为叶端长度，E为进气边叶尖定时传感器4的安装位置，F为出气边叶尖定时传感器5的安装位置，h1为扭转共振叶端进气边位移14，h2为扭转共振叶端出气边位移15；
当该叶片处于扭转共振情况时，叶端实时位置将在两个扭转共振叶端最大位移位置12之间周期性变化，此时扭转共振叶端最大位移位置12在叶端静止位置16所在水平线上的投影为线段EF，EF长度是叶片扭转振动过程中所有叶端实时位置在叶端静止位置16所在水平线上投影线段的最小值，扭转共振叶端最大偏离角13是扭转振动过程中所有叶片偏离角的极大值，扭转共振叶端进气边位移14和扭转共振叶端出气边位移15是扭转振动过程中所有叶片扭转位移中的最大值，此时将进气边叶尖定时传感器4安装在E 点，将出气边叶尖定时传感器5安装在F点，可以确保在叶片发生扭转共振的情况下，两支叶尖定时传感器可以采样到叶端的全部到达时间信号，本实用新型称此定位方法为扭转共振投影法；
当该叶片处于扭转非共振情况时，叶端实时位置将在两个扭转共振叶端最大位移位置12(不含扭转共振叶端最大位移位置12)之间做周期性扭转运动，此时叶端实时位置在叶端静止位置16所在水平线上的投影将在线段EF(不含E和F点)和线段AB之间周期性变化，此时位于E点和F点的两支叶尖定时传感器仍然能够采样到叶端到达两支叶尖定时传感器的全部时间信号；
由于叶片经过叶尖定时传感器时处于扭转非共振或扭转共振的情况无法确认，如果将两支叶尖定时传感器的安装位置从E点和F点向O点移动，虽然仍可以采样到扭转振动叶端到达两支叶尖定时传感器的全部时间信号，但当叶片处于扭转非共振情况且叶片振动位移较小时，叶端经过两支叶尖定时传感器的时间差信号也较小，此时如果信号处理系统的精度不够高，可能发生信号无法采样的情况；如果将两支叶尖定时传感器的安装位置从E点和F点分别向A点和B点移动，则在叶片发生扭转共振或扭转非共振但振动位移较大情况时可能发生信号漏采样的情况，本实用新型所述的传感器定位方法可以保证在不发生信号漏采样的前提下，采集到叶片到达两支叶尖定时传感器的最大时间差信号或较大时间差信号，因此利用扭转共振投影法确定的E点和F点，可作为基于叶尖定时原理叶片扭转振动测量的传感器最优定位点；
(五).叶片扭转振动位移测量如图5所示，设Ωn1为该叶片未发生振动时转子低速旋转角速度，Ωn2为该叶片发生扭转振动时转子高速旋转角速度，n为转子旋转圈数，通常叶端静止位置16不平行于转子轴向水平线18，；
1、当转子以角速度Ωn1低速旋转叶片未发生振动时，该叶片叶端旋转经过进气边叶尖定时传感器4 和出气边叶尖定时传感器5时始终位于叶端静止位置16，因此叶片每圈到达进气边叶尖定时传感器4和出气边叶尖定时传感器5的时间差Δtn1＝0，扭转振动位移为0；
2、当转子以角速度Ωn2高速旋转叶片发生扭转振动时，该叶片叶端旋转经过进气边叶尖定时传感器4 和出气边叶尖定时传感器5时的实时位置，将在该叶片两个扭转共振叶端最大位移位置12之间周期性变化，不失一般性选择该叶片旋转经过两支叶尖定时传感器时任意的扭转振动叶端实时位置17，第n圈内用实测该叶片叶端到达进气边叶尖定时传感器4和出气边叶尖定时传感器5的时间差Δtn2，可以计算出该叶片以Ωn2高速旋转发生扭转振动经过两支叶尖定时传感器时，叶端随转子旋转经过的周向弧长为：
Ln2＝Ωn2RΔtn2，n＝1.2.3... (1)
式中，R为叶端旋转半径，由于Δtn2通常很小，因此该叶片叶端在Δtn2时间差内随转子旋转经过的周向弧长，近似等于扭转振动时传感器测得叶端进气边位移20和扭转振动时传感器测得叶端出气边位移21 之和，即：
Ln2＝Ωn2RΔtn2＝h3+h4，n＝1.2.3... (2)
式中，h3为扭转振动时传感器测得叶端进气边位移20，h4为扭转振动时传感器测得叶端进气边位移21，结合扭转振动叶端偏离角19、扭转振动时传感器测得叶端进气边位移20、扭转振动时传感器测得叶端出气边位移21和两支叶尖定时传感器间距离EF，可以计算出扭转振动叶端偏离角19的数值：
式中，d为两支叶尖定时传感器间距离即线段EF的长度；
3、由于两支叶尖定时传感器的定位基于扭转共振投影法，因此进气边叶尖定时传感器4和出气边叶尖定时传感器5测得并非叶片叶端边缘的到达时间，所以通过式(2)计算得到的Ln2不是该叶片真实扭转振动位移；扭转振动叶端偏离角19、扭转振动时传感器测得叶端进气边位移20、扭转振动时传感器测得叶端出气边位移21、扭转振动时真实叶端进气边位移22、扭转振动时真实叶端出气边位移23、两支叶尖定时传感器间距离和叶端长度之间存在如下三角函数关系：
式中，h5为扭转振动时真实叶端进气边位移22，h6为扭转振动时真实叶端出气边位移23，p为叶端即线段AB长度，结合式(4)中的三角函数关系，该叶片以角速度Ωn2高速旋转经过两支叶尖定时传感器产生的扭转振动位移为：
所述的扭转共振叶端最大偏离角α可由叶片固有频率试验获得，转子旋转角速度Ωn1和Ωn2可通过转子测速系统实测获得，叶端旋转半径R、叶端长度p和两支叶尖定时传感器间距离d可由设计图纸获得，叶端到两支达叶尖定时传感器时间差Δtn1和Δtn2可由叶尖定时传感器实测获得。
Claims (1)
1.一种用于叶片扭转振动位移测量的装置，包括叶尖定时传感器、光电接收器件、数据采集处理模块和信号处理系统，由光电接收器件输出光电流信号，光电流信号经过放大、滤波后产生模拟信号，传输至数据采集处理模块，其特征在于，所述的叶尖定时传感器为两支，在旋转机械机匣上同一周向位置沿转子轴向设置两支一组叶尖定时传感器，分别用于测量某支叶片叶端进气边和出气边在同一圈到达叶尖定时传感器的时间；两支叶尖定时传感器设置于扭转共振叶端最大位移位置在叶端静止位置水平线上的投影点。
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| CN201921047132.4U CN212007508U (zh) | 2019-07-06 | 2019-07-06 | 一种用于叶片扭转振动位移测量的装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114033732A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-02-11 | 中国航发沈阳发动机研究所 | 一种转子叶片工作时扭转角测量系统 |
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2019
- 2019-07-06 CN CN201921047132.4U patent/CN212007508U/zh active Active
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| CN114033732A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-02-11 | 中国航发沈阳发动机研究所 | 一种转子叶片工作时扭转角测量系统 |
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