通过检测叶片静位移实现检测叶片疲劳裂纹的方法

摘要

本发明涉及旋转机械叶片检测技术领域，为实现对工作在高温、高压、高离心转速等的极端恶劣环境下叶片的健康状态进行检测，进行故障诊断，在叶片产生裂纹的早期实现裂纹叶片的辨识，本发明采取的技术方案是，通过检测叶片静位移实现检测叶片疲劳裂纹的方法，包括以下步骤：第一步，利用有限元分析软件Ansys1对转子叶片进行分析；第二步，在静态的情况下对叶片进行模态仿真；第三步，在Ansys软件中对叶片加载一定值的气动力分析其应力分布与变形；第四步，对带裂纹叶片建模；第五步，分析一定转速的特定深度的裂纹叶片的变形情况；第六步，比较正常叶片与添加裂纹后的叶片在工作状态下的振动曲线。本发明主要应用于叶片检测。

说明书

技术领域

本发明涉及旋转机械\叶片检测技术领域，具体讲,涉及通过检测叶片静位移实现检测叶 片疲劳裂纹的方法。

背景技术

作为旋转机械的功能转换核心零件，叶片的共振环境恶劣，尤其是在航空发动机运行时， 叶片工作于高温、高压高离心力和高气动载荷的极端恶劣环境中，在交变力作用下易发生高 周疲劳损伤，产生裂纹，随着裂纹的发展，叶片可能会发生断裂，造成严重的事故，对整个 发动机安全运行带来很大影响。

转子工作过程中，叶片除了受到周期性的激振力外，还会受到如离心力等的静态力作用， 会因此产生变形，而叶片叶尖也会产生位移；当叶片出现裂纹后，叶片的变形会与没有裂纹 的叶片不同，叶尖的位移也会产生变化，若能用传感器测得叶尖位移变化情况，即可实现通 过测量叶尖位移实现对叶片裂纹的检测。

在叶片高周疲劳裂纹检测方面，目前最常采用的方法多属于离线检测方法。例如电涡流 检测、超声波检测法以及红外热波检测法等。以上方法均仅能在相关设备停机状态下进行测 量，无法对实时运转的转子叶片健康状态进行检测。

叶尖定时法是当前叶片振动参数在线测量技术研究的热点，该方法起源于上世纪60年 代，通过测量叶片到达时间，并与无振动的叶片到达时间进行比较，获取叶片振动位移，并 利用所得叶片振动位移，采用相关算法对叶片振动参数进行辨识。

叶尖定时测振技术是一种非接触检测方法，其基本原理是将叶尖定时传感器安装在旋转 机械相对静止的机匣上，利用传感器测量叶片到达时产生的脉冲信号来记录叶片到来的时刻， 叶片到达时刻t随着叶片的振动而变化，通过一定算法对时间序列进行处理即可辨识出叶片 振动信息。

叶尖定时测振技术在旋转机械实时监测及故障诊断领域中占有重要地位，特别是航空发 动机、电站发电机、烟气轮机等旋转机械的叶片振动在线监测应用中，对叶尖定时测振技术 提出了更高的要求，促使其向高精度、全面参数检测方向发展。

有限元分析是一种用于解决工程实际中数值计算问题的方法，该方法在求解机械结构静 力学与动力学问题方面有重要应用。该方法通过将连续的结构离散成有限的单元，对每一个 单元根据边界条件和控制方程进行数值计算近似求解，以解决结构整体的数值计算问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在对工作在高温、高压、高离心转速等的极端恶劣环 境下叶片的健康状态进行检测，提出一种新型叶片裂纹在线检测方法，通过辨识叶片的叶尖 位移，对工作叶片进行故障诊断，在叶片产生裂纹的早期实现裂纹叶片的辨识，为此，本发 明采取的技术方案是，通过检测叶片静位移实现检测叶片疲劳裂纹的方法，包括以下步骤：

第一步，利用有限元分析软件Ansys1对转子叶片进行分析，对单个叶片进行建模，利用 Pro/e软件建立单个叶片的结构模型，再将该模型导入Ansys中，对叶片模型进行网格划分， 并对模型施加约束，得到的单个叶片有限元模型；

第二步，在静态的情况下对叶片进行模态仿真，计算叶片的各阶共振频率和振型曲线。 得到叶片的一阶弯振、一阶扭振和二阶弯振的振动的应力分布与振型曲线；对一定合理转速 下工作状态中的叶片所受离心力和气动力进行分析，同样对转子进行有限元建模，计算得到 叶片变形与应力分布结果；

第三步，在Ansys软件中对叶片加载一定值的气动力分析其应力分布与变形；

第四步，对带裂纹叶片建模，在之前所建立的叶片模型基础上，于其动应力最大位置叶 根处添加一定宽度和深度的裂纹，对叶片的振动模型进行分析，得到一阶弯振的应力分布与 振型曲线；

第五步，分析在离心力作用下，一定转速的特定深度的裂纹叶片的变形情况，分析在气 动载荷作用下，裂纹叶片的变形情况，气动载荷分布，得到裂纹叶片的有限元分析结果；

第六步，比较正常叶片与添加裂纹后的叶片在工作状态下的振动曲线，分析不同深度裂 纹叶片的叶尖周向位移，得到不同气动载荷作用下叶尖位移随叶片裂纹深度的变化情况，分 析随着裂纹深度的增加，叶尖在气动载荷作用下的位移情况。

本发明的技术特点及效果：

在裂纹深度较深的情况下，通过测量不同气动力作用下的相邻叶片叶尖周向间隔，可实 现裂纹叶片的辨识，本发明相关分析的正确性能通过验证证实，同时也具备技术上的可行性。

在工程实际中，亦可通过叶尖定时法等使用本发明所述之检测叶片裂纹的方法，通过对 叶片叶尖静位移的在线监测实现对发动机叶片裂纹的在线监测，有效防止意外事故的发生。

附图说明：

图1转子结构示意图。

图2转子叶片模型网格划分示意图。

图3静态情况下对叶片进行模态仿真所得到的振动应力分布与振型曲线，其中：a为一 弯应力分布示意图；b为一弯变形示意图；c为二弯应力分布示意图；d为二弯变形示意图； e为一扭应力分布示意图；f为一扭变形示意图。

图4叶片在特定工作状态下(3000rpm)的离心载荷分析，其中：a为应力分布示意图； b为叶片变形示意图。

图5叶片在特定工作状态下(3000rpm)的气动载荷加载示意图。

图6气动载荷作用下叶片应力分布与变形情况，其中：a为应力分布示意图；b为叶片 变形示意图。

图7带裂纹叶片的裂纹位置示意图。

图8裂纹叶片的模态仿真示意图。其中：a为一弯应力分布示意图；b为一弯变形示意 图。

图9离心力作用下的裂纹叶片的变形情况，其中：a为裂纹叶片应力分布示意图；b为 裂纹叶片变形情况示意图。

图10气动载荷作用下的裂纹叶片的变形情况，其中：a为裂纹叶片应力分布示意图；b 为裂纹叶片变形情况示意图。

图11叶尖位移与叶片根部裂纹深度以及叶片一弯固有频率的关系示意图。

图12带裂纹的叶片旋转试验台。

图13不同转速下相邻叶片叶尖的周向距离。

图14不同转速相邻叶片叶尖的周向距离之差。

具体实施方式

在叶片裂纹在线检测方面，目前尚无成熟技术，也是目前研究热点，将叶片等效为一个 悬臂梁，其裂纹的检测原理可采用基于振型曲线的方法和基于固有频率的方法：当叶片出现 裂纹时，其振型曲线会在裂纹处不连续，若能测得叶片振型曲线，则可实现叶片裂纹参数准 确辨识。

本发明是通过对旋转叶片振动参数的测量分析比较实现检测疲劳裂纹叶片的方法，确切 说是通过对疲劳裂纹叶片的叶片静位移的测量和正常叶片的参数比较实现对叶片疲劳裂纹的 在线检测。

本发明旨在找寻一种方法在叶片产生裂纹的早期实现对疲劳裂纹叶片的辨识，最大程度 减小叶片裂纹对旋转机械安全运行的影响。

本发明采用的探究方法如下：

第一步，利用有限元分析软件Ansys12.0对实验室现有的旋转试验台的转子叶片进行分 析，转子的结构如图1。对单个叶片进行建模，利用Pro/e软件建立单个叶片的结构模型， Pro/e，Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三 维软件。再将该模型导入Ansys中，对叶片模型进行网格划分，并对模型施加约束，得到的 单个叶片有限元模型如图2。

第二步，在静态的情况下对叶片进行模态仿真，计算叶片的各阶共振频率和振型曲线。 其中叶片的一阶弯振、一阶扭振和二阶弯振的振动的应力分布与振型曲线如图3。对一定合 理转速下工作状态中的叶片所受离心力和气动力进行了分析，同样对实验室现有试验台转子 进行有限元建模，计算的叶片变形与应力分布结果如图4。

第三步，在Ansys软件中对叶片加载一定值的气动力分析其应力分布与变形，如图5为 所加载的气动载荷压力分布图，图6为叶片在气动力下的变形以及应力分布的有限元计算结 果。

第四步，对带裂纹叶片建模，在之前所建立的叶片模型基础上，于其动应力最大位置叶 根处添加一定宽度和深度的裂纹，裂纹位置如图7。对叶片的振动模型进行分析，其一阶弯 振的应力分布与振型曲线如图8。

第五步，分析在离心力作用下，一定转速的特定深度的裂纹叶片的变形情况，叶片应力 分布与变形如图9。分析在气动载荷作用下，裂纹叶片的变形情况，气动载荷分布同样如图5， 对于裂纹叶片的有限元分析结果如图10。

第六步，比较正常叶片与添加裂纹后的叶片在工作状态下的振动曲线，分析不同深度裂 纹叶片的叶尖周向位移，得到不同气动载荷作用下叶尖位移随叶片裂纹深度的变化情况，结 果如图11，分析随着裂纹深度的增加，叶尖在气动载荷作用下的位移情况。

根据分析可知，当转子旋转时，叶片受到离心力的作用会发生变形，仅考虑叶片本身的 情况下，其应力最大点位于叶根，其叶片变形最大的位置为叶尖，其变形方向为转子的径向。 对于传感器安装于机匣的传感系统而言，更容易测量叶片的周向位移，所以本发明选择不对 离心力引起的叶片叶尖位移进行测量，选择通过测量叶尖周向位移的变化来辨识裂纹叶片。

根据计算结果可知，在简化的气动载荷作用下，叶片的应力最大位置位于叶片的根部。 在这种情况下，叶片叶尖处的静位移最大，且对于直板叶片，叶尖静位移的方向为转子周向， 而根据其他形状叶片分析可知，气动载荷引起的叶尖静位移同样有周向位移的分量，因此可 利用安装于机匣得传感系统对该变形进行测量。

由技术方案第九步和第十步的分析计算可知，在添加裂纹后，应力同样集中于裂纹处， 而叶片的叶尖同样有明显的沿叶盘周向的位移。分析不同深度裂纹叶片的叶尖周向位移，比 较不同气动载荷作用下叶尖位移随叶片裂纹深度的变化情况。可知当裂纹产生后叶片由一阶 弯振、离心力和气动载荷引起的应力将集中于裂纹处；叶片一阶弯振的频率降低；在气动力 作用下，裂纹叶片叶尖的位移将随裂纹深度增加而增大。

因此，可以通过测量比较工作状态下的叶尖周向位移来辨识出裂纹叶片，本发明具有理 论上的可行性。

依托实验室已有成熟条件，下面介绍基于叶尖定时的叶片裂纹检测方法，叶盘共有16只 叶片，编号分别为#0～#15，叶片的参数如第四章中有限元建模分析设置一致，从技术方案中 的仿真可知，叶片的固有频率为936Hz左右，于编号为#8，#9和#10叶片根部加工有裂纹， 模拟叶片一阶弯振产生的高周疲劳，裂纹深度分别为150μm，100μm和50μm，裂纹宽度约 为100μm。转子机匣上安装有两只叶尖定时传感器，轴附近安装有转速同步传感器，所采用 的试验台和裂纹叶片如图12。

利用一只传感器测量相邻叶片到达时间间隔，转动过程中，编号小的叶片先到达该传感 器，#8，#9和#10号叶片上有裂纹，其中#8号叶片的裂纹最深，转子由电机带动，叶片受 空气的作用力方向与其转动方向相反，通过改变转速以改变叶片受力大小，模拟叶片气动载 荷的改变。根据上文分析可知，在转动过程中，随着载荷的增大，叶片静态变形会增大，而 带裂纹的叶片的变形量将大于正常叶片的变形量。实验中，对于正常叶片，在载荷作用下叶 片变形基本一致，不同载荷下相邻叶片间的周向距离基本保持不变。由于#8号叶片有裂纹， 在空气的作用力下，其变形会大于相邻的#7号，且#8号叶片与#7号叶片形变之间的差距会 随着载荷的增加而增大；所以在叶片受力方向与其转动方向相反的情况下，#7号叶片与#8号 叶片叶尖间的周向距离将变大，且随着载荷增加，两叶片叶尖间的周向距离将增大。由于#8 号叶片裂纹最深，其变形将大于#9号叶片，所以在叶片受力方向与其转动方向相反的情况下， 随着载荷增加，两叶片叶尖间的周向距离将减小。

首先，转子转速设定为2300rpm左右，利用叶尖定时传感器测量相邻叶片叶尖的周向距 离，并测量1000圈数据取平均值以消除噪声和异步振动的影响。改变转子转速至2600rpm左 右，以改变空气作用力大小，同时利用1000圈数据取平均值，计算相邻叶片的周向距离。如 图13为不同转速下测得的相邻叶片叶尖的周向距离，图中编号为#0的数据为#0号叶片与#15 号叶片的叶尖周向距离。

不同载荷下，可求得相邻两只叶片叶尖的静位移变化量之差，利用转速为2600rpm时测 得叶尖周向距离减去转速为2300rpm时的测量值，其结果如图14。

可知，利用叶尖定时传感器测得的不同转速下，叶片叶尖周向距离的差基本为0，而其 中#7号与#8号叶片叶尖的周向距离差随转速变化增大最多，而#8号叶片与#9号叶片叶尖周 向距离差减小最多，与上述分析一致。所以，利用叶尖定时传感器对相邻叶片叶尖的周向距 离进行测量，并求取不同气动载荷下的距离测量值之差，当叶片出现裂纹时，可利用测得的 距离差作为裂纹叶片的辨识依据之一。

实验中，虽然#9号与#10号叶片同样存在裂纹，但不同转速下，并未能从这两只叶片与 相邻叶片的叶尖周向距离中观察到叶片出现裂纹的特征，可能的原因在于旋转过程中利用空 气阻力模拟气动载荷，引起的叶片变形比较小，而两只叶片的裂纹深度又比较浅，裂纹引起 的叶尖位移的差异较小，所以无法观测到明显的裂纹特征。

以上即为利用叶尖定时系统通过对旋转叶片叶尖周向距离的检测实现叶片高周疲劳裂纹 进行检测的方法。在裂纹深度较深的情况下，通过测量不同气动力作用下的相邻叶片叶尖周 向间隔，可实现裂纹叶片的辨识，验证了前文相关分析的正确性，同时也以技术上的可行性 对本发明提供了支持。

在工程实际中，亦可通过叶尖定时法等使用本发明所述之检测叶片裂纹的方法，通过对 叶片叶尖静位移的在线监测实现对发动机叶片裂纹的在线监测，有效防止意外事故的发生。