[发明专利]基于叶尖定时原理的叶片扭转振动位移测量方法

说明书

本发明涉及一种基于叶尖定时原理的叶片扭转振动位移测量方法，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，分别称为进气边叶尖定时传感器和出气边叶尖定时传感器，用于测量同一叶片叶端的进气边和出气边在同一圈内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，称为扭转共振投影法，结合叶片的扭转共振参数，利用扭转共振投影法实现叶尖定时传感器的最优定位，以确保叶片发生扭转共振和扭转非共振情况下，两支叶尖定时传感器均能够准确采样到叶端到达时间信号；实现叶片扭转振动位移的测量。

技术领域

本发明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方法。

技术背景

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。本发明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.