基于叶尖定时原理的动叶片单一激励源周向位置识别方法

摘要

本发明涉及一种基于叶尖定时原理的动叶片单一激励源周向位置识别方法，利用若干支安装在机匣上的叶尖定时传感器和1支安装在转轴上的转速同步传感器，测量叶片共振参数；所述叶片共振参数，包括叶片振动初始相位和振动倍频数；所述单一激励源，作用在动叶片所在叶盘的圆周范围内；其特征在于，变速扫频时，经过不同转速下叶片同步共振区，利用相邻共振区的叶片振动初始相位和振动倍频数，计算激励源周向位置。

说明书

技术领域

本发明涉及基于叶尖定时原理的动叶片单一激励源周向位置识别方法。

背景技术

动叶片作为航空发动机、燃气轮机、汽轮机等大型旋转机械的核心做功元件，直接决定了重大装备的工作效率和运行安全。旋转机械运行时，动叶片同时承受着稳定载荷和交变载荷的作用，产生稳定应力和交变应力，进而造成叶片的疲劳损伤。在叶片所受应力中，周期变化的振动应力是引起叶片振动的主要原因，对叶片造成一种高周疲劳损伤，是叶片最主要的失效形式。产生振动应力的动叶片激励源主要包括机械激励源、叶片旋转失速激励源和气流激励源，其中，由上游静叶尾流造成的尾流激励源是最主要的一种。旋转机械设计时常将进口看成均匀流场，而实际工程应用中，非均匀进气条件(即进口流场畸变)普遍存在。流场周向畸变是影响发动机性能最为严重的一种畸变类型，激励源周向位置的识别能为流场周向畸变中畸变位置的研究提供重要数据支撑，避免发动机性能下降甚至故障造成的巨大损失。

在动叶片振动参数测量方法中，叶尖定时测量方法具有低介入、非接触的优势，不影响叶片机械性能，不破坏发动机内部流场分布，可实现旋转机械全机整级叶片振动信号的频率、相位等参数的实时在线测量，已成为航空发动机台架试验的标配技术。本发明针对大型旋转机械动叶片激励源周向位置在线识别的需求，提出一种基于叶尖定时原理的动叶片激励源周向位置识别方法，旨在解决旋转机械动叶片激励源周向位置在线识别问题。

参考文献；

[1]Peter Russhard.Development of a Blade Tip Timing Based EngineHealth Monitoring System[D].University of Manchester(United Kingdom),2010.

[2]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].天津大学,2011.

[3]欧阳涛,郭文力,段发阶,李孟麟.基于叶尖定时的旋转叶片同步振动辨识新方法[J].振动与冲击,2011,30(08):249-252+257.

发明内容

本发明专利提出一种基于叶尖定时原理的动叶片单一激励源周向位置识别方法。建立了激励源周向位置与叶片振动位移关系的数学模型，利用变速下多支叶尖定时传感器测得的叶片同步振动位移数据，辨识同一枚叶片在相邻共振区的振动参数，可有效实现激励源周向位置识别。技术方案如下：

一种基于叶尖定时原理的动叶片单一激励源周向位置识别方法，利用若干支安装在机匣上的叶尖定时传感器和1支安装在转轴上的转速同步传感器，测量叶片共振参数；所述叶片共振参数，包括叶片振动初始相位和振动倍频数；所述单一激励源，作用在动叶片所在叶盘的圆周范围内；其特征在于，变速扫频时，经过不同转速下叶片同步共振区，利用相邻共振区的叶片振动初始相位和振动倍频数，计算激励源周向位置，包括如下的步骤：

1)在旋转机械机匣和转轴分别安装G支叶尖定时和1支转速同步传感器，叶尖定时传感器可任意角度安装。以正北方向为0度，逆时针为正方向，G支叶尖定时传感器的周向安装位置分别记为α

2)获取变转速下G支叶尖定时传感器测得的各叶片振动位移曲线，选定一支叶片，得到该叶片的G支叶尖定时传感器的振动位移曲线；

3)在步骤2)获取的G支叶尖定时传感器的振动位移曲线上各选取2个相邻的振幅大，无耦合的共振区；

4)对选取共振区进行振动初始相位和振动倍频数的参数辨识，对振动位移曲线进行拟合，辨识两个共振区共振参数，分别获得两个共振区的叶片振动初始相位

5)将步骤4)获取的叶片振动初始相位

6)计算G支叶尖定时传感器的激励源周向位置识别结果平均值，减小算法的随机误差。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明基于叶尖定时原理测量动叶片振动参数进而识别动叶片单一激励源周向位置，采用了非接触测量方式，不影响动叶片所在的流场环境，可实时在线监测动叶片振动参数及单一激励源周向位置。

(2)针对动叶片单一激励源周向位置识别问题，本发明建立了动叶片的振动初相位和振动倍频数与激励源周向位置之间的联系，有效实现了激励源周向位置的识别。

(3)本发明提出了一种单一激励源周向位置识别过程中的相位辨识模糊问题处理方法，利用变转速过程中叶片相邻共振区的振动参数辨识结果，准确地识别了动叶片单一激励源周向位置。

附图说明

图1为叶片激励源位置示意图。

图2为叶片、激励源和传感器的相对位置示意图。

图3为动叶片单一激励源周向位置识别方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明包括：

(1)建立单一激励源作用下动叶片激振力模型。对于单一激励源，每一枚叶片在一个旋转周期T内受到一次激励，叶片所受激振力为f(t)，时域为周期脉冲信号：

其中，A为脉冲信号的幅值，Δt为脉冲信号的宽度，T为脉冲信号的周期，n为脉冲信号的整周期数。

(2)图1所示为叶片受单一激振力的位置示意图，叶片编号沿旋转方向依次递减且i＝0,1...M-1,M，ε

其中，EO

(3)单一激励源作用下，第i枚叶片所受的激振力向量F

其中，B

(4)建立单一激励源作用下的动叶片强迫振动响应模型。单枚叶片振动动力学模型可简化为单自由度无耦合振动系统，叶片的强迫振动微分方程为：

其中，

(5)由式(3)和(4)，第i枚叶片的振动位移表达式为：

其中，ω

(6)图2所示为叶片、激励源和传感器的相对位置示意图，S

其中β为圈数，mod函数为求余函数。

(7)将式(6)代入式(5)，设

(8)利用基于叶尖定时原理的叶片振动参数辨识算法，辨识叶片振动初始相位和振动倍频数，获得角度

(9)解决相位辨识模糊问题。由于相位参数是以2π为周期变化的物理量，故动叶片振动参数辨识算法辨识出的叶片振动初始相位

其中γ＝...,-2,-1,0,1,2,...，为周期数。激励源的周向位置、叶尖定时传感器和转速同步传感器的安装位置保持不变时，相位参数

(10)改变叶片振动倍频数EO

(11)辨识相邻振动事件中的相位参数

(12)使用多支叶尖定时传感器求取平均值，消除激励源周向位置识别的随机误差。

下面结合附图说明该方法识别动叶片单一激励源周向位置的实施过程：

动叶片单一激励源周向位置识别方法流程如图3所示，具体过程如下：

(1)在旋转机械机匣和转轴分别安装G支叶尖定时和1支转速同步(OPR)传感器，叶尖定时传感器可任意角度安装。以正北方向为0度，逆时针为正方向，G支叶尖定时传感器的周向安装位置分别记为α

(2)获取变转速下G支叶尖定时传感器测得的各叶片振动位移曲线，任选一枚叶片，得到该叶片G支叶尖定时传感器的振动位移曲线；

(3)在步骤(2)获取的G支叶尖定时传感器的振动位移曲线上各选取2个相邻的振幅大，无耦合的共振区；

(4)对选取共振区进行振动初始相位和振动倍频数的参数辨识，采用基于多支叶尖定时传感器的叶片振动参数辨识算法，对振动位移曲线进行拟合，辨识两个共振区共振参数

(5)将步骤(4)获取的叶片振动初始相位

(6)计算G支叶尖定时传感器的激励源周向位置识别结果平均值，减小算法的随机误差。