鐘志才，滕光蓉，陳香，李光輝

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的非接觸振動測量

鐘志才，滕光蓉，陳香，李光輝

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

旋轉(zhuǎn)葉片的振動測量技術(shù)主要向非接觸測量方向發(fā)展，硬件技術(shù)基本成熟，國內(nèi)外主要是研究各種算法。本文對研制的基于葉尖定時原理的非接觸振動測量系統(tǒng)的小間距算法進(jìn)行了簡要介紹，并采用該測量系統(tǒng)對某風(fēng)扇試驗件轉(zhuǎn)子葉片的振動頻率和幅值進(jìn)行了測量，對6 700 r/min附近葉片的共振情況進(jìn)行了分析。與應(yīng)變計測量結(jié)果和理論計算結(jié)果進(jìn)行的對比分析表明，三者在振動頻率方面具有很好的一致性。

葉尖定時；振動；非接觸測量；小間距分布；旋轉(zhuǎn)葉片

1 引言

旋轉(zhuǎn)機械葉片振動是造成機械故障的重要因素之一，因此非常有必要對旋轉(zhuǎn)葉片的振動進(jìn)行實時監(jiān)測。常規(guī)的轉(zhuǎn)子葉片振動監(jiān)測是在葉片上粘貼一定數(shù)量的應(yīng)變計，通過引電器把信號引到外部進(jìn)行測量。這種技術(shù)比較成熟，但應(yīng)變計的粘貼比較繁瑣，而且只能監(jiān)測到同一級上粘貼有應(yīng)變計的葉片的振動情況。為此，國內(nèi)外都在致力于研究非接觸振動測量技術(shù)——特別是基于葉尖定時原理的非接觸振動測量技術(shù)。該技術(shù)可通過在機匣上安裝一定數(shù)量的傳感器，測量葉片通過葉尖傳感器的透過時間，結(jié)合葉片在已知轉(zhuǎn)速下的理論時間，可實時測量葉尖的振幅，然后通過一定算法可推導(dǎo)出葉片的其它振動信息。目前，由于微電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及激光光纖技術(shù)的發(fā)展，該測量技術(shù)的硬件部分已經(jīng)能滿足測試要求，主要發(fā)展方向是在各種傳感器的布局(即不同算法)研究上。中國燃?xì)鉁u輪研究院聯(lián)合天津大學(xué)，經(jīng)歷多年研究，在參閱大量國外科技文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對各種算法進(jìn)行了仿真研究[1]，開發(fā)出一套基于葉尖定時原理的非接觸振動測量系統(tǒng)，采用的激光光纖振動傳感器、光電轉(zhuǎn)化器和高速采集卡，驗證了國外多種傳感器布局算法[2～4]，先后開發(fā)出5+2傳感器布局新算法和更具工程化的小間距算法，并在某模擬試驗件上進(jìn)行了試驗驗證[5]。下面簡要介紹小間距算法原理和非接觸振動測量系統(tǒng)在某單級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子試驗件上的應(yīng)用。

2 小間距算法原理

小間距測量方案見圖1，采用三傳感器布局。

圖1 測量方案示意圖Fig.1 Sketch map of measurement

設(shè)葉片振動表達(dá)式為：

式中：A為葉片振動幅值，y為傳感器測得的采樣值，Nd為振動階次，f0為轉(zhuǎn)速頻率，?0為0時刻葉片振動相位。

對0號傳感器，以葉片通過它的時刻為0時刻，其測得的采樣值為：

θ1、θ2分別為1號和2號傳感器相對于0號傳感器在機匣上的夾角。如果不考慮葉片本身振動，那么當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過θ1、θ2角度時有：

則葉片振動相位增加Ndθ1、Ndθ2，故有：

聯(lián)立式(2)、式(5)和式(6)，即可求出?0、Nd、A。

3 試驗方案

試驗用風(fēng)扇試驗件先后進(jìn)行過3傳感器均布和5傳感器均布以及5+2傳感器分布的試驗，本次試驗為考核小間距算法，又在機匣上重新開了3個孔，共計10個孔。本次試驗中，所有孔都安裝了光纖振動傳感器，目的之一是封堵，之二是可以采用多種算法處理，得到該試驗件轉(zhuǎn)子葉片的振動信息。現(xiàn)定義機匣上方為0號傳感器位置，各傳感器相對0號傳感器夾角理論設(shè)計值依次為0°、17.5°、35.0°、52.5°、72.0°、120.0°、144.0°、216.0°、240.0°、288.0°，如圖2所示。圖中0、5、8號傳感器為三均布，0、4、6、7、9號傳感器為5均布，1、2、3號傳感器為小間距分布；葉片上的小黑點表示應(yīng)變計。試驗中實時監(jiān)測風(fēng)扇各葉片在不同轉(zhuǎn)速下的振動幅值，通過離線處理，準(zhǔn)確獲取各葉片在不同轉(zhuǎn)速下的振動固有頻率等參數(shù)。

圖2 葉尖定時傳感器安裝方案Fig.2 Installation scheme of tip-timing sensors

為驗證此非接觸振動測量系統(tǒng)的測量結(jié)果，在轉(zhuǎn)子葉片上粘貼有應(yīng)變計，貼片位置如圖3所示。其中A點順著葉尖邊緣貼片，對應(yīng)第8、第9階相對較大振動應(yīng)力位置，B點對應(yīng)第1階相對較大振動應(yīng)力位置。應(yīng)變計通過滑環(huán)引電器，將信號引入動態(tài)應(yīng)變儀，然后用數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行采集和分析。

圖3 轉(zhuǎn)子葉片貼片位置圖Fig.3 Position of strain gauge on rotating blade

4 結(jié)果及分析

4.1 非接觸振動測量系統(tǒng)結(jié)果

試驗現(xiàn)場軟件可實時監(jiān)測所有葉片的瞬時振動位移，也可選擇判斷每支傳感器監(jiān)測到的葉片振動位移和每個葉片的振幅。通過實時監(jiān)測單級風(fēng)扇在各轉(zhuǎn)速下的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在某些轉(zhuǎn)速下葉片有不同程度的共振。本文僅取6 700 r/min轉(zhuǎn)速附近葉片的同步共振數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析、處理，辨識出葉片同步共振幅值、倍頻、固有頻率等振動參數(shù)，再結(jié)合先前的理論知識(即對葉片坎貝爾圖的理論計算)，從而判斷出葉片振型。

圖4為0號葉片在6 700 r/min轉(zhuǎn)速附近的整體振動位移及轉(zhuǎn)速變化情況?？梢?，在此轉(zhuǎn)速下葉片的振動位移發(fā)生了突變，說明在此轉(zhuǎn)速下葉片發(fā)生了共振。6 700 r/min附近所有葉片的固有頻率及振幅分布見表1，頻率辨識分析結(jié)果見圖5(圖中實心點表示葉片同步共振的位置，粗豎線表示同步共振的相對振幅大小)。可見，此轉(zhuǎn)速下葉片發(fā)生了較強共振，振動幅值較大，最大達(dá)4.21 mm。結(jié)合理論計算結(jié)果看，轉(zhuǎn)子葉片在此轉(zhuǎn)速下發(fā)生了1彎振動，所以葉尖位置振動幅值較大；激勵階次為2階。同理，可得到各個葉片的振動情況。

4.2 應(yīng)變計測量結(jié)果

動態(tài)采集系統(tǒng)實時監(jiān)測粘貼有應(yīng)變計的葉片上的動應(yīng)變大小，并根據(jù)理論計算值進(jìn)行報警。葉片的動應(yīng)力σ與動應(yīng)變ε間的關(guān)系為σ=E×ε，其中E為彈性模量。假設(shè)葉片只有1彎振動，其振動位移x為：

式中：A為幅值。則葉片的振動速度v和振動加速度a分別為：

葉片振動位移、速度與加速度的關(guān)系分別為：

而葉片動應(yīng)力與加速度間的關(guān)系為σ=m×a，故可根據(jù)測量到的動應(yīng)變推算出葉尖的振幅。

圖4 振動位移和轉(zhuǎn)速變化圖Fig.4 Diagram of vibration displacement and follow speed

圖5 0號葉片坎貝爾圖Fig.5 Campbell diagram of No.0 blade

表2示出了其中一些應(yīng)變計上的動應(yīng)變峰峰值。對葉片在6 700 r/min時的動應(yīng)變信號取2.5 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，所得結(jié)果如圖6所示?？梢姡~片的振動頻率約為224 Hz。

由于兩套系統(tǒng)沒有同步，不能準(zhǔn)確測取同一時刻的葉片振動信號，故上述振動幅值與非接觸振動測量系統(tǒng)監(jiān)測到的振動幅值并不完全一樣，但都在同一數(shù)量級內(nèi)。

4.3 理論計算結(jié)果

根據(jù)該試驗件的旋轉(zhuǎn)葉片材料、尺寸和各種邊界條件，采用ANSYS軟件，計算出的葉片理論固有頻率見表3，坎貝爾圖見圖7。

表1 6 700 r/min附近所有葉片振動固有頻率及共振幅值分布Table 1 The distribution of inherent frequency and resonance amplitude at 6 700 r/min

表2 共振轉(zhuǎn)速下的應(yīng)變值(應(yīng)變值/共振轉(zhuǎn)速)Table 2 The value of strain at resonance speed(strain/speed)

圖6 轉(zhuǎn)速6 700 r/min葉片動應(yīng)變信號頻譜圖Fig.6 Frequency diagram of dynamic strain signal at 6 700 r/min

表3 單級風(fēng)扇試驗件轉(zhuǎn)子葉片理論固有頻率值HzTable 3 The value of inherent frequency of rotor blade in sigle fan test

表3 單級風(fēng)扇試驗件轉(zhuǎn)子葉片理論固有頻率值HzTable 3 The value of inherent frequency of rotor blade in sigle fan test

1235 4階次靜頻動頻(10 736 r/min)階次靜頻動頻(10 736 r/min) 159 296 6 1 475 1 564 405 584 7 1 510 1 643 671 724 8 1 998 2 083 894 1 090 9 2 058 2 109 1 199 1 223 10 2 359 2 350

圖7 葉片理論坎貝爾圖Fig.7 Theoretical campbell diagram of the blade

4.4 比較分析

從現(xiàn)場監(jiān)測的葉片振幅看，葉片在6 700 r/min下發(fā)生了較大振幅的共振，最大振幅達(dá)4.21 mm(葉片尺寸較大)。由于應(yīng)變計只能監(jiān)測應(yīng)變，葉尖振幅將通過理論換算得出，故本文中應(yīng)變與振幅的關(guān)系只在發(fā)生1彎振動的情況下適用；并且，由于現(xiàn)場試驗的復(fù)雜性，誤差較大，只能是在同一數(shù)量級內(nèi)。在此共振轉(zhuǎn)速下，用非接觸振動測量系統(tǒng)測到的葉片振動頻率約為224 Hz，各葉片振動頻率略有區(qū)別，振動激勵階次都為2；根據(jù)應(yīng)變計測量得到的振動頻率也約為224 Hz；而理論計算結(jié)果也在此頻率范圍內(nèi)，再結(jié)合理論坎貝爾圖可知，葉片在此轉(zhuǎn)速下發(fā)生了1彎振動，激勵階次為2?？梢?，三者在振動頻率方面有很好的一致性。

5 結(jié)論

此套非接觸振動測量系統(tǒng)能監(jiān)測同一級上所有葉片的振動信息，可實時判斷葉片的共振轉(zhuǎn)速；通過事后分析，可計算出葉片的振動頻率和共振階次，結(jié)合先期理論知識能判斷葉片振型。

該測量系統(tǒng)基于葉尖定時原理進(jìn)行測量，需根據(jù)先期理論知識來進(jìn)行光纖振動傳感器布局和在機匣上開孔，開孔位置落在振型節(jié)點上將監(jiān)測不到葉片的振動位移。對葉片復(fù)合振型的測量還有待進(jìn)一步研究。

[1]鐘志才，馮心海，敬發(fā)憲.葉尖定時測量數(shù)據(jù)計算機仿真方法研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2003，16(4)：45—48.

[2]Zielinski M，Ziller G.Noncontact Vibration Measurements on Compressor Rotor Blades[C].Measurement Science& Technology，2000，11(7)：847—856.

[3]Heath S.A New Technique for Identifying Synchronous Resonances Using Tip Timing[R].ASME 99-GT-402，1999.

[4]Zielinski M，Ziller G.Optical Blade Vibration Measure?ment at MTU[C]//.AGARD PEP Symposium.1997：20—24.

[5]鐘志才，范志強，李光輝，等.葉尖定時振動測量系統(tǒng)及其在某模擬試驗件上的應(yīng)用[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2008，21(4)：42—45.

Non-Contact Vibration Measuring System Used for Fan Rotor Blades

ZHONG Zhi-cai，TENG Guang-rong，CHEN Xiang，LI Guang-hui
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Vibration measurement of rotating blade is mainly non-contact.Nowadays,the hardware technol?ogy is growing mature and various arithmetics are now the focus study both home and abroad.Blades syn?chronization vibration arithmetic by blade-tip-timing was discussed.The vibration frequency and breadth of rotating blades on some fan sample were measured by this system.And the blade resonance at 6 700 r/min was analyzed.Compared with measurement results and theoretical calculation results,it showed con?formity in vibration frequency.

tip-timing；vibration；non-contact measurement；little space distributing；rotating blade

V241.06；V231.92

A

1672-2620(2011)04-0044-04

2010-12-07；

2011-10-10

鐘志才(1970-)，男，四川隆昌人，高級工程師，碩士，主要從事振動信號測試與分析工作。