一种无转速同步信号的叶尖定时测量方法

1.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无转速同步信号的叶片振动测量技术。


背景技术：

2.高速旋转叶片是航空发动机、压缩机、内燃机、鼓风机等大型高端装备的核心部件。在机组运行过程中，来流畸变、旋转失速、喘振等非定常流动载荷会导致叶片产生异常振动，从而造成叶片磨损、掉块、裂纹等故障，影响叶片的耐用性和使用寿命，甚至会引发严重的安全事故。因此，旋转叶片的振动监测和运行状态评估对于整个机组的安全运行和健康管理至关重要。目前，基于叶尖定时的旋转叶片振动测量技术被广泛研究并在各类大型旋转机械实现了应用。然而，叶尖定时技术在实际应用中还面临着许多困难和挑战，例如，叶片振动位移算法、测量精度、参数辨识、传感器安装困难等问题。
3.传统的叶尖定时测振技术是通过光纤探针感知叶尖的实际到达时间，然后利用转速同步信号计算叶尖的理论到达时间，最后根据叶尖到达光纤探针的时间差获取叶片的振动信息。西安交通大学的吴淑明在文献“an adaptive online blade health monitoring method:from raw data to parameters identification”中报道了基于转速同步信号的叶片振动测量技术。然而，转速同步测试系统的安装问题和转速同步信号的不稳定性严重限制了叶尖定时在实际应用中的可行性和可靠性。另外，基于无转速同步信号的叶尖定时测振技术也被广泛研究，主要是通过叶尖的实际到达时间构建虚拟的转速同步信号，进一步计算叶尖的理论到达时间和叶尖的振动信息。北京化工大学的陈康在文献“new step to improve the accuracy of blade tip timing method without once per revolution”中报道了基于直线拟合的虚拟转速同步信号构建方法。然而，在构建虚拟转速同步信号的过程中也会引入计算误差，造成叶片振动位移的测量误差。因此，基于叶尖定时技术，研究无转速同步信号的叶片振动位移测量方法，解决传统有转速同步系统的缺陷，有效提升叶片振动位移的测量精度，对旋转机械叶片振动在线监测和故障诊断有着重要的作用。


技术实现要素：

4.本发明提出一种无转速同步信号的叶尖定时测量技术。本发明通过光纤探针采集每个叶尖的到达时间和离去时间，然后根据相同叶片的到达时间和离去时间计算叶片振动差信号，最后结合非线性最小二乘法和叶片坎贝尔图对叶片同步振动参数进行识别。本发明无转速同步信号，根据实测的定时信号就能对叶片振动位移和振动参数进行准确的评估。本发明结果能够消除转速波动、探针振动等干扰因素对叶片振动测量精度的影响。
5.本发明的技术方案：
6.一种无转速同步信号的叶尖定时测量方法，步骤如下：
7.第一步：通过叶尖定时信号标定叶片经过光纤探针时转子转过的弧度；
8.光纤探针记录叶片到达时间为光纤探针记录叶片离去时间为其中，i表示
叶片的编号，n表示转过的圈数；在叶片无振动的条件下，记录叶尖的到达时间和离去时间；选择m圈叶尖定时数据，计算叶片经过光纤探针时转子转过的弧度θi：
[0009][0010]
第二步：通过叶尖定时数据计算叶片振动差结果；
[0011]
在转速扫频的工况下，转子转速经过叶片的共振中心频率，记录叶尖经过光纤探针的到达时间和离去时间；根据叶尖定时数据，计算相同叶片经过光纤探针的振动差：
[0012][0013]
其中，r表示叶尖的旋转半径；叶尖经过光纤探针的平均转速ω(n)：
[0014][0015]
其中，n表示叶片的数量；
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第三步：通过非线性最小二乘法识别叶片同步共振参数；
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叶片同步共振的幅值、相位、阻尼比、共振中心频率、共振阶次和固有频率分别为a、φ、ξ、ωn、ne和ωn；叶片振动差同步共振的公式为：
[0018][0019]
其中，
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首先，通过非线性最小二乘法对叶片振动差的同步共振公式进行拟合，获取叶片振动差的同步共振参数a'、q、ωn；然后，利用ansys有限元分析软件，计算叶片的坎贝尔图；结合叶片共振中心频率，确定叶片的共振倍频ne；最后，叶片同步共振参数的识别公式为：
[0021][0022]
所述的一种无转速同步信号的叶尖定时测量技术通过单支光纤探针记录叶尖到达时间和离去时间，然后计算叶片振动差。
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所述的叶片振动差是单个叶片在旋转一圈内离开光纤探针时刻和到达光纤探针时刻的叶片振动位移的差值。
[0024]
所述的平均转速ω(n)是选择一圈定时数据计算转子旋转一圈的平均转速。
[0025]
所述的叶片同步共振参数识别技术是在扫频的工况下，转子转速经过叶片的共振中心频率，通过非线性最小二乘法拟合共振曲线，根据叶片坎贝尔图确定同步共振阶次ne，
最后计算叶片同步共振参数(a、φ、ξ、ωn和ωn)。
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本发明的有益效果：本发明属于单探针、无转速同步参考的叶片振动测量技术。本发明利用叶尖的到达时间和离去时间获取叶片振动差，然后结合非线性最小二乘法和叶片坎贝尔图识别叶片同步振动参数。本发明删除了叶尖理论到达时间的计算过程，消除了转速波动、探针振动等干扰因素对叶片振动测量精度的影响。与现有的叶尖定时测振技术相比，本发明提高了叶片振动测量精度。同时，本发明利用单探针就能实现旋转叶片振动测量和叶片同步共振参数识别，提高了叶尖定时测振技术的可靠性和适用性。
附图说明
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图1为计算叶片经过光纤探针时转子转过弧度的结果。
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图2为变速工况下，计算16号叶片振动差和转子转速的结果。
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图3为通过非线性最小二乘法拟合叶片同步共振曲线的结果；图3(a)为同步共振区域r-i，图3(b)为同步共振区域r-ii，图3(c)为同步共振区域r-iii，图3(d)为同步共振区域r-iv，图3(e)同步共振为区域r-v。
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图4为基于ansys有限元分析软件，计算叶片坎贝尔图的结果。
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图5为本发明叶片振动测量和叶片同步振动参数识别的流程图。
具体实施方式
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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高速直叶片叶尖定时测振实验台。实验台由驱动电机、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为12000rpm，变频器可调节电机转速恒速或变速运行。叶尖定时测振系统由光纤探针、光电前放、信号调理模块、ni pxi-6602计数器和基于labview开发的叶片振动测试系统。
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第一步：计算叶片经过光纤探针时转子转过的弧度θi。
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拆除保护罩上的磁铁激励，电机转速设置为1800rpm，采集叶尖定时信号，数据长度为30s。按照叶片数量对定时数据进行分组，利用公式(1)计算叶片经过光纤探针时转子转过的弧度θi，如图1所示。
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第二步：通过叶尖定时数据计算叶片振动差结果。
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在保护罩上均匀安装6个磁铁激励，电机转速范围为2700rpm～6200rpm，采集叶尖定时信号，按照叶片数量对定时数据进行分组。根据公式(2)计算叶尖经过光纤探针的振动差，16号叶片振动差和转子转速的结果如图2所示。图2显示叶片振动差的精度高，不受转速波动、探针振动等干扰因素的影响。
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第三步：通过非线性最小二乘法识别叶片同步共振参数。
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a.根据公式(3)，利用非线性最小二乘法拟合叶片同步共振曲线，拟合结果如图3所示。
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b.利用ansys有限元分析软件计算叶片的坎贝尔图。结合叶片共振中心频率，确定叶片的共振倍频ne，如图4所示。
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c.根据公式(5)，计算叶片同步共振参数，如表1所示。表1显示本发明能够有效识别叶片的同步共振参数。
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表1第16号叶片同步振动参数识别结果
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