CN101625260A - 变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于旋转机械叶片振动的检测方法，具体讲涉及变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法。为提供一种辨识精度高，适应性强的变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，本发明采用的技术方案是，变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，包括下列步骤：第一步是确定叶尖定时测振的多传感器分布方案：首先根据实际被测旋转机械性能预估被测叶片可能发生的同步振动倍频Ne，其次，根据旋转机械实际要求确定可安装叶尖定时传感器的数量、分布情况及确定传感器间安装夹角；第二步是根据以上确定方案进行同步振动测量；第三步是采用遍历方法准确获得叶片共振倍频Ne、固有频率fn等参数。本发明主要应用于旋转机械叶片振动的检测。

Description

变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法

技术领域

本发明是关于旋转机械叶片振动的检测方法，更具体地说，本发明是关于基于叶尖定时原理变速条件下多传感器任意分布的高速旋转叶片同步振动参数检测方法。

背景技术

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。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壳体上，利用传感器测量叶片通过时产生的脉冲信号来记录叶片到来的时间，叶片到达时间t随着叶片的振动而变化，通过一定算法对时间序列{t}进行处理即可辨识出叶片振动信息。由于叶尖定时测振技术属于一种严重欠采样方法，辨识叶片振动信息相对困难。针对叶片异步振动已提出并研究了差频法、三均布、五均布、延时采样等多种检测方法。叶片同步振动频率与转速成整数倍关系，从而增加了同步振动信息辨识难度，目前已被研究的检测方法主要有速矢端迹法、双参数法、二等夹角法等等。各种检测方法各有利弊，需在特定条件下才能获取部分振动参数，辨识精度有待提高，算法有待改善。

发明内容

为克服现有技术的前述不足，本发明的目的是提供一种辨识精度高，适应性强的变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法。

本发明采用的技术方案是，变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，包括下列步骤：

第一步是确定叶尖定时测振的多传感器分布方案：

首先根据实际被测旋转机械性能预估被测叶片可能发生的同步振动倍频Ne，其次，根据旋转机械实际要求确定可安装叶尖定时传感器的数量、分布情况及确定传感器间安装夹角αij，i、j为传感器标号；

第二步是根据以上确定方案进行同步振动测量；

第三步是采用遍历方法准确获得叶片共振倍频Ne、固有频率fn等参数：

选取包含叶片实际共振倍频Ne的一段倍频遍历范围，把叶尖定时传感器实际安装夹角αij和所选倍频依次代入公式1计算出不同传感器的振动相位差并规整到0~360°：

其中N_ek∈(N_e1～N_e2)        (1)

通过比较实际各传感器测得的振动相位差，以计算值与测得值的误差方和根判定二者的相近程度，倍频遍历中使得误差方和根取最小的倍频Nek为叶片实际振动的倍频值，即Ne＝Nek，从而叶片固有频率f_n＝N_e·f_r0。

在叶片转子升速或降速运行条件下，所述变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法是将叶尖定时传感器和转速同步传感器测得信号经过处理模块和采集模块提取所有叶片通过同步共振区时的振动信息，在计算机中采用处理算法处理后得到测量结果。

所述确定传感器间安装夹角αij是，通过传感器分布优化方法，根据同步振动预期辨识效果的评价函数确定叶尖定时多传感器的分布方案，即采用安装角的平均值E(Ne)和标准差D(Ne)两个评价函数对安装方案进行评估，确定传感器安装夹角和数量。

所述的倍频遍历是选取一段振动倍频值，依次算出每一倍频值下的各传感器理论测得振动相位差，与各传感器实际测量的振动相位差相比较，最相近的结果所对应的倍频值即为实际振动的倍频值。

本发明提供的可以带来如下效果：

本发明通过比较实际各传感器测得的振动相位差，采用遍历方法准确获得叶片共振倍频Ne、固有频率fn，因而本发明不需要测量的特定前提条件，适应性强。

通过比较实际各传感器测得的振动相位差，以计算值与测得值的误差方和根判定二者的相近程度，倍频遍历中使得误差方和根取最小的倍频Nek为叶片实际振动的倍频值，因而本发明测量结果准确可靠。

附图说明

图1示出本发明的同步振动检测方法系统框图。

图2示出本发明的同步振动传感器分布优化方法图。

图3示出本发明的实施例中叶片振动位移和转速曲线图。

图4示出本发明的实施例中叶片共振区振动位移曲线拟合图。

图5示出本发明的实施例中叶片共振倍频遍历分析图。

图1中：1为旋转机械机壳；2为转子叶片；3为叶尖定时传感器；4为转速同步传感器；5为信号处理模块；6为信号采集模块；7为计算机处理软件。

具体实施方式

本发明的技术方案是，根据被测旋转机械实际要求及其叶片固有特征，结合一定的先验知识，通过传感器分布优化方法择优选取一种合适的任意分布方案。实际检测中按此方案布局叶尖定时传感器，控制旋转机械大致匀变速运行，当转速通过叶片同步共振区时，各叶尖定时传感器测得叶片振动的不同相位和不同位移。结合各传感器的不同安装角度，采用倍频遍历算法即可准确辨识出叶片同步共振参数。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

第一步是确定叶尖定时测振的多传感器分布方案。

首先根据实际被测旋转机械性能设计的先验知识，得知被测叶片可能发生的同步振动倍频Ne。其次，根据旋转机械机壳实际要求确定可安装叶尖定时传感器的数量及分布情况。然后，通过传感器分布优化方法，根据同步振动预期辨识效果的评价函数确定叶尖定时多传感器的分布方案，即确定传感器间安装夹角αij(i、j为传感器标号)。在图1中，在机壳1上按设计角度分布数个叶尖定时传感器3，并按顺转速方向依次编号为TP0、TP1、TP2…。在图2中，采用安装角的平均值E(Ne)和标准差D(Ne)两个评价函数对某安装方案进行了评估，E(Ne)越大、D(Ne)越小表示在振动周期内传感器采样点分布越广、越均匀，即所对应倍频Ne处的同步振动能产生较好的辨识效果。

第二步是根据以上确定方案进行同步振动测量。

在图1中，控制旋转机械转子叶片2以相对恒定的加速度升速或匀降速运行，叶尖定时传感器3和转速同步传感器4测得信号经过处理模块5和采集模块6能提取所有叶片通过同步共振区时的振动信息。在计算机7中采用各种处理算法后，准确辨识出叶片同步振动固有频率频率fn、振动位移y、振幅A、倍频Ne等振动参数。

第三步是采用遍历方法准确获得叶片共振倍频Ne、固有频率fn等参数。

选取包含叶片实际共振倍频Ne的一段倍频遍历范围(Ne1~Ne2)，把感器实际安装夹角αij和所选倍频依次代入公式1计算出不同传感器的振动相位差并规整到(0~360°)：

其中N_ek∈(N_e1～N_e2)            (1)

通过比较实际各传感器测得的振动相位差，以计算值与测得值的误差方和根判定二者的相近程度。倍频遍历中使得误差方和根取最小的倍频Nek为叶片实际振动的倍频值，即Ne＝Nek。从而叶片固有频率f_n＝N_e·f_r0。

下面是变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法的实施例。

第一步：

某型号设备旋转叶片设计固有频率在1800Hz附近，预计在9000rpm转速附近将产生12倍频的同步共振。该设备对传感器安装角度及数量限制不高，优化设计传感器分布，依次相对TP0传感器的安装夹角为：0°、17.5°、35°、52.5°、72°、120°、216°、240°、244°。在图2中采用安装角的平均值E(Ne)和标准差D(Ne)两个评价函数对安装方案进行了评估，在12倍频处同时满足相对较大的平均值E(Ne)和较小的标准差D(Ne)，故认为此分布方案可较好地辨识出该倍频处的同步共振。

第二步：

控制叶片转子从4000rpm开始，以每秒增加90~130rpm的速度升速运行直到11000rpm。在图3中，可以清晰观察到转速变化以及叶片经过同步共振区时的振动位移情况。在图4中，针对某叶片对七支传感器在9000rpm附近测得的振动数据按照振动位移公式(2)进行曲线拟合：

其中 $\mathrm{\η}=\frac{1}{Q}\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\frac{1}{1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2}---\left(3\right)$

可以准确得到该叶片经过共振区的中心转速频率fr0＝151.40Hz，振动幅值Amax＝0.14mm，品质因素Q＝620.59，以及相对TP0传感器的振动相位差依次为：0°、231.55°、73.34°、282.71°、140.73°、352.45°、343.90°。

第三步：

在图5中，选取同步共振倍频遍历范围Ne∈(1~30)，按照公式(1)求得各传感器相对TP0传感器的振动相位差，并求出计算值与实际测量值的误差方和根。遍历过程中每个倍频所对应的误差方和根进行比较，图5中明显最小的误差方和根13.24°所对应的倍频值Ne＝12即是叶片实际振动倍频。叶片固有频率辨识结果为：fn＝Ne×fr0＝12×151.40＝1816.80Hz。

Claims (4)

1.一种变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，其特征是，包括下列步骤：

第一步是确定叶尖定时测振的多传感器分布方案：

首先根据实际被测旋转机械性能预估被测叶片可能发生的同步振动倍频Ne，其次，根据旋转机械实际要求确定可安装叶尖定时传感器的数量、分布情况及确定传感器间安装夹角αij，i、j为传感器标号；

第二步是根据以上确定方案进行同步振动测量；

第三步是采用遍历方法准确获得叶片共振倍频Ne、固有频率fn等参数：

选取包含叶片实际共振倍频Ne的一段倍频遍历范围，把叶尖定时传感器实际安装夹角αij和所选倍频依次代入公式1计算出不同传感器的振动相位差并规整到0~360°：

其中N_ek∈(N_e1～N_e2)              (1)

通过比较实际各传感器测得的振动相位差，以计算值与测得值的误差方和根判定二者的相近程度，倍频遍历中使得误差方和根取最小的倍频Nek为叶片实际振动的倍频值，即Ne＝Nek，从而叶片固有频率f_n＝N_e·f_r0。

2.根据权利要求1所述的一种变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，其特征是，在叶片转子升速或降速运行条件下，所述变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法是将叶尖定时传感器和转速同步传感器测得信号经过处理模块和采集模块提取所有叶片通过同步共振区时的振动信息，在计算机中采用处理算法处理后得到测量结果。

3.根据权利要求1所述的一种变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，其特征是，所述确定传感器间安装夹角αij是，通过传感器分布优化方法，根据同步振动预期辨识效果的评价函数确定叶尖定时多传感器的分布方案，即采用安装角的平均值E(Ne)和标准差D(Ne)两个评价函数对安装方案进行评估，确定传感器安装夹角和数量。

4.根据权利要求1所述的倍频遍历，其特征在于，所述的倍频遍历是选取一段振动倍频值，依次算出每一倍频值下的各传感器理论测得振动相位差，与各传感器实际测量的振动相位差相比较，最相近的结果所对应的倍频值即为实际振动的倍频值。

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