CN103364069A - 一种基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法，是在转子件上安装磁钢传感器，以获得定位参考脉冲信号，在被测级叶片机匣上方安装两支叶尖振幅传感器，另有一个定位参考传感器安装于轴上给出叶片转速与叶片不振动时通过叶尖振幅传感器时间间隔；当叶片振动时，叶尖沿旋转方向产生偏移，叶尖到达传感器的时间发生改变；根据这变化量得到叶片振幅、相位、频率等振动参数。本发明的优点：在发动机转子部件中，没有安装磁钢传感器，无转速定位信号，利用光纤传感器做为定位信号的测试方法。消除因转子部件安装传感器带来不安全因素，简化测试改装工作，显著地缩短了测试改装周期，为非接触叶片振动测试应用，提供了全新的测试方法。
Description
技术领域
本发明涉及非接触旋转叶片振动测试领域，特别涉及了一种基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法。
背景技术
自上个世纪七十年代美国、德国、日本等国家即先后开展了非接触式旋转叶片振动测量技术研究，是既传统应变片测量方法之后的一种新型旋转叶片振动测量方法。非接触旋转叶片振动测试技术基本原理是：在叶片旋转平面的机匣上安装叶尖振幅传感器，在发动机转子部件内安装转速定位传感器，识别高速旋转叶片，叶片掠过叶尖振幅传感器得到叶片到达时刻，通过计算得到叶片振动幅值、频率、相位等叶片振动特征。
非接触式旋转叶片振动测量技术基于发动机转子内定位传感器识别高速旋转的叶片，如图1给出非接触测试技术方法框图。在转子部件内安装定位传感器，必须保证随转子高速旋转的传感器安装的可靠性；在发动机工作时传感器脱落，测试失败，可能引起转子不平衡，严重情况造成发动机整机振动增加。
在非接触叶片振动测试技术的应用中，测试改装需分解发动机，在转子部件内安装磁钢传感器，且必须保证随转子高速旋转的磁钢安装的可靠性。否则在发动机工作时磁钢脱落，可能引起转子不平衡，严重情况造成发动机整机振动增加；测试得不到数据。基于在应用中出现问题，开展无磁钢转速定位的非接触叶片振动测试技术的应用研究。
目前非接触旋转叶片振动测试技术应用均采用转速定位测量方案，没有无转速定位的非接触叶片振动测试技术的应用实例。没有转速定位的非接触叶片振动测试技术的应用。
1962年前苏联航空研究院为监视压气机叶片颤振，提出在机匣上安装传感器测量叶片通过时间确定整级全部叶片振幅，从此开展非接触叶片振动测量技术研究。称为非接触式间断相位测量法，60年代末研制和应用显示叶片振幅的电子射线装置埃罗拉仪一直沿用至今。
1960年Hohenberg提出采用1支传感器测量叶片非整阶次振动理论，1970年Zablotsky创立了1支传感器测量叶片振动参数的算法，成为发动机非接触叶片振动测量工业标准。1980～1990年Rozelle.P.F对Zablotsky提出方法进行了精度估计。1990年以后Robinso W.W与Jone.H研究更先进的算法基于曲线拟合测量振幅和频率。1998年Jone.H发展双参数绘图方法，测量通过共振时叶片动特性。IB Carrington等用4个传感器正弦拟和测量叶片频率、幅值。
1997～2000年Rolls-Royce公司对各类算法进行验证。Rolls-Royce最终报告建议将来研究工作以AR、双参数绘制法，优化传感器位置为重点内容。非接触测量技术理论的发展从1967年Hohenberg提出单测点叶片频率分析理论之后，利用单个叶片响应累积一定转速后能够测到叶片最大值与最小值。直到1980年McCatrY运用Hohenberg理论在实测中分析叶片非整阶次振动频率，测试结果表明1个位置单个叶片频谱对噪声较为敏感。
发明内容
本发明的目的是为了进行旋转叶片振动测试，特提供了一种基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法。
本发明提供了一种基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法，其特征在于：所述的基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法，是针对通常使用的非接触式旋转叶片振动测试存在问题，改进的一种以叶片脉冲定位的非接触式叶片振动测试方法，非接触式旋转叶片振动测试原理如图1，在转子件上安装磁钢传感器，以获得定位参考脉冲信号，在被测级叶片机匣上方安装两支叶尖振幅传感器，另有一个定位参考传感器安装于轴上给出叶片转速与叶片不振动时通过叶尖振幅传感器时间间隔；当叶片振动时，叶尖沿旋转方向产生偏移，叶尖到达传感器的时间发生改变；根据这变化量得到叶片振幅、相位、频率等振动参数，转子件上安装的定位参考传感器具有两个作用，第一个作用产生每转1个转速周期信号，做为叶片没有发生振动时的标准时间，第二个作用是对旋转叶片进行识别，转子件的参考传感器与转子叶片有明确定位关系，可假设参考传感器相邻的叶片为1#叶片，即每转定位脉冲到达后的第1个叶片脉冲为1#叶片，叶片脉冲定位的非接触式叶片振动测试装置原理，在机匣上安装3个叶片振幅传感器，其中1#传感器替代转子定位参考传感器，外2个为叶片振幅测量传感器；当发动机旋转时，叶片掠过叶片振幅传感器产生源源不断的脉冲序列如图2中部图，脉冲数目是转子每转1转产生叶片数个脉冲信号，将叶片振幅传感器获取的脉冲序列按照叶片数分频，得到每转1个脉冲，如图2下部图，只要叶片振幅传感器测量叶片脉冲没有丢失，按照叶片数分频得到脉冲序列与叶片脉冲相对应的关系不会发生变化；该脉冲之后出现的第一个脉冲定义为1#叶片，因此通过每转1个脉冲识别叶片，按照叶片数分频，得到每转1个脉冲将做为叶片振幅归一化处理的标准；每转1个脉冲周期为转速周期，转速周期除以叶片数得到叶片没有振动的各叶片脉冲出现的时刻，如图2上部图标准脉冲(实线脉冲)；当叶片发生振动时，叶片脉冲到达时间比标准脉冲提前或滞后，依据提前或滞后时间确定叶片振幅；
当产生每转1个脉冲对应的发生叶片振动时，相应的转速周期可能变化，该转速周期计算的各叶片脉冲到达时刻不是标准脉冲，叶片没有振动，将引起各叶片振幅测量误差，为避免以上的影响，用1#传感器替代转子定位参考传感器安装于其它级的转子叶片，因为其它级叶片振动通常与被测级不相关；
叶片脉冲定位的非接触式叶片振动测试系统将在原系统进行硬、软件改进，硬件改进如图3，在机匣上安装3支光纤传感器，1#光纤传感器为转子定位参考传感器，叶片通过光纤传感器时，产生反射光通过光电变换器形成一序列脉冲，该脉冲接至计算机的NI6602计数器/定时器的Source端，定时器/计数器工作于计数状态，计数器预置数根据叶片数由软件设置，当脉冲个数达到叶片数时，计数器1个输出脉冲；此脉冲为每转1个定位脉冲；此脉冲输出至信号预处理器同步脉冲端，在信号预处理器中将该脉冲与光纤脉冲合成，形成以每转1个定位脉冲为起始的脉冲序列，按照原系统识别叶片的方法，可以在每转内识别高速旋转的叶片；
非接触式旋转叶片振动测试，在发动机转子部件中，不安装磁钢传感器，无转速定位信号，利用光纤传感器作为定位信号实现转子叶片振动测试；在非接触叶片振动测试技术的应用中，消除了安装磁钢带来的隐患，简化了发动机测试改装工作，使非接触叶片振动测试技术的应用更简便。
非接触测量叶片振动分析技术分为非整阶次振动与整阶次振动两个方向发展。叶片非整阶次振动由气动不稳定激起，包括叶片颤振、旋转失速共振，整阶次振动与转速成整数倍关系主要是叶片共振。
叶片整阶次振动即叶片振动频率与转速成整数倍由静子叶片气流尾迹激起叶片共振。叶片整阶次振动测量理论分为非直接分析法与直接分析法。
机匣上光纤传感器测到的叶片整阶与非整阶共振振幅及相位的变化有明显的区别，本发明通过叶片振幅变化趋势判断叶片振动特征。
测量整阶次叶片共振响应比非整阶次振动显得尤为重要，该共振响应通常由静子叶片尾流激振激起，从理论上讲若发动机转速稳定不变，叶片的共振响应是不能由机匣上安装的光纤传感器测到。但在发动机缓慢加速时，根据叶片通过共振转速时，叶片振幅连续变化，振动相位改变180°的特征，可以判断叶片共振。
图3指出在共振响应附近计算机采集得到叶片振幅和相位变化过程，纵坐标表示时间和幅值。发动机缓慢加速过程中，不同转速下叶片的振动幅值，其中各波形表示在加速过程中不同转速下叶片从起振、到达共振及从退出共振的过程。虚线表示机匣某位置安装传感器。
传感器1测到叶片起振时，振幅向负值变化，过共振转速后叶片振动相位改变180°。振幅向正值变化。
当ktn为偶数时，叶片从起振到共振点，相位φ在[0，-π/2]之间变化，a＜0；叶片通过共振响应点后相位φ在[-π/2，-π]之间变化，a＞0。
发动机缓慢的加速过程中，叶片发生共振时经过机匣不同位置时，振幅变化规律是由零到负再由负到正变化过程，或与其相反。
本发明的优点：
本发明所述的基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法，在发动机转子部件中，没有安装磁钢传感器，无转速定位信号，利用光纤传感器做为定位信号的测试方法。突破了没有安装磁钢传感器情况下，实现非接触叶片振动测试关键技术；该方法消除因转子部件安装传感器带来不安全因素，简化测试改装工作。显著地缩短了测试改装周期。运用光纤传感器用于转速定位信号，解决了定位脉冲与整级叶片脉冲技术难题；建立了光纤传感器做为定位信号的测试方法，为非接触叶片振动测试应用，提供了全新的测试方法。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为非接触旋转叶片振动测试原理示意图；
图2为光纤传感器做定位的测试原理示意图；
图3为叶片振幅和相位变化过程示意图；
图4为新型非接触旋转叶片振动测试系统示意图；
图5为燃机试验无转速定位一级转子叶片振动测试结果。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法，其特征在于：所述的基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法，是针对通常使用的非接触式旋转叶片振动测试存在问题，改进的一种以叶片脉冲定位的非接触式叶片振动测试方法，非接触式旋转叶片振动测试原理如图1，在转子件上安装磁钢传感器，以获得定位参考脉冲信号，在被测级叶片机匣上方安装两支叶尖振幅传感器，另有一个定位参考传感器安装于轴上给出叶片转速与叶片不振动时通过叶尖振幅传感器时间间隔；当叶片振动时，叶尖沿旋转方向产生偏移，叶尖到达传感器的时间发生改变；根据这变化量得到叶片振幅、相位、频率等振动参数，转子件上安装的定位参考传感器具有两个作用，第一个作用产生每转1个转速周期信号，做为叶片没有发生振动时的标准时间，第二个作用是对旋转叶片进行识别，转子件的参考传感器与转子叶片有明确定位关系，可假设参考传感器相邻的叶片为1#叶片，即每转定位脉冲到达后的第1个叶片脉冲为1#叶片，叶片脉冲定位的非接触式叶片振动测试装置原理，在机匣上安装3个叶片振幅传感器，其中1#传感器替代转子定位参考传感器，外2个为叶片振幅测量传感器；当发动机旋转时，叶片掠过叶片振幅传感器产生源源不断的脉冲序列如图2中部图，脉冲数目是转子每转1转产生叶片数个脉冲信号，将叶片振幅传感器获取的脉冲序列按照叶片数分频，得到每转1个脉冲，如图2下部图，只要叶片振幅传感器测量叶片脉冲没有丢失，按照叶片数分频得到脉冲序列与叶片脉冲相对应的关系不会发生变化；该脉冲之后出现的第一个脉冲定义为1#叶片，因此通过每转1个脉冲识别叶片，按照叶片数分频，得到每转1个脉冲将做为叶片振幅归一化处理的标准；每转1个脉冲周期为转速周期，转速周期除以叶片数得到叶片没有振动的各叶片脉冲出现的时刻，如图2上部图标准脉冲(实线脉冲)；当叶片发生振动时，叶片脉冲到达时间比标准脉冲提前或滞后，依据提前或滞后时间确定叶片振幅；
当产生每转1个脉冲对应的发生叶片振动时，相应的转速周期可能变化，该转速周期计算的各叶片脉冲到达时刻不是标准脉冲，叶片没有振动，将引起各叶片振幅测量误差，为避免以上的影响，用1#传感器替代转子定位参考传感器安装于其它级的转子叶片，因为其它级叶片振动通常与被测级不相关；
叶片脉冲定位的非接触式叶片振动测试系统将在原系统进行硬、软件改进，硬件改进如图3，在机匣上安装3支光纤传感器，1#光纤传感器为转子定位参考传感器，叶片通过光纤传感器时，产生反射光通过光电变换器形成一序列脉冲，该脉冲接至计算机的NI6602计数器/定时器的Source端，定时器/计数器工作于计数状态，计数器预置数根据叶片数由软件设置，当脉冲个数达到叶片数时，计数器1个输出脉冲；此脉冲为每转1个定位脉冲；此脉冲输出至信号预处理器同步脉冲端，在信号预处理器中将该脉冲与光纤脉冲合成，形成以每转1个定位脉冲为起始的脉冲序列，按照原系统识别叶片的方法，可以在每转内识别高速旋转的叶片；
非接触式旋转叶片振动测试，在发动机转子部件中，不安装磁钢传感器，无转速定位信号，利用光纤传感器作为定位信号实现转子叶片振动测试；在非接触叶片振动测试技术的应用中，消除了安装磁钢带来的隐患，简化了发动机测试改装工作，使非接触叶片振动测试技术的应用更简便。
非接触测量叶片振动分析技术分为非整阶次振动与整阶次振动两个方向发展。叶片非整阶次振动由气动不稳定激起，包括叶片颤振、旋转失速共振，整阶次振动与转速成整数倍关系主要是叶片共振。
叶片整阶次振动即叶片振动频率与转速成整数倍由静子叶片气流尾迹激起叶片共振。叶片整阶次振动测量理论分为非直接分析法与直接分析法。
机匣上光纤传感器测到的叶片整阶与非整阶共振振幅及相位的变化有明显的区别，本发明通过叶片振幅变化趋势判断叶片振动特征。
测量整阶次叶片共振响应比非整阶次振动显得尤为重要，该共振响应通常由静子叶片尾流激振激起，从理论上讲若发动机转速稳定不变，叶片的共振响应是不能由机匣上安装的光纤传感器测到。但在发动机缓慢加速时，根据叶片通过共振转速时，叶片振幅连续变化，振动相位改变180°的特征，可以判断叶片共振。
图3指出在共振响应附近计算机采集得到叶片振幅和相位变化过程，纵坐标表示时间和幅值。发动机缓慢加速过程中，不同转速下叶片的振动幅值，其中各波形表示在加速过程中不同转速下叶片从起振、到达共振及从退出共振的过程。虚线表示机匣某位置安装传感器。
传感器1测到叶片起振时，振幅向负值变化，过共振转速后叶片振动相位改变180°。振幅向正值变化。
当ktn为偶数时，叶片从起振到共振点，相位φ在[0，-π/2]之间变化，a＜0；叶片通过共振响应点后相位φ在[-π/2，-π]之间变化，a＞0。
发动机缓慢的加速过程中，叶片发生共振时经过机匣不同位置时，振幅变化规律是由零到负再由负到正变化过程，或与其相反。
结构如图4所示，机匣上安装3个以上光纤传感器，其中一个光纤传感器用于转速定位信号，测量整级所有叶尖脉冲到达时刻，通过软件控制NI6602计数器实现整级叶片数分频，并在NI6602计数器的输出端产生每转1个脉冲，分频脉冲输出至同步信号预处理器同步脉冲输入端，与另一光纤传感器测量脉冲合成，识别两传感器间隔角度叶片脉冲数确定1#叶片。
光纤传感器2#、3#测量整级叶片脉冲，经光电变换器连接至同步信号预处理器光纤脉冲A1、A2输入端。同步信号预处理器对光纤脉冲、同步脉冲进行放大、整形产生了合成逻辑脉冲序列。用计算机采集NI6602计数器测量该脉冲序列周期，得到各叶片到达时刻计算出叶片振幅。
图5某燃机试验无转速定位非接触式一级转子叶片振动测试结果，表明2#叶片在4100rpm～5200rpm范围叶片振幅变化状况。
Claims (1)
1.一种基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法，其特征在于：所述的基于无转速定位的非接触式旋转叶片振动测试方法的原理，是在转子件上安装磁钢传感器，以获得定位参考脉冲信号，在被测级叶片机匣上方安装两支叶尖振幅传感器，另有一个定位参考传感器安装于轴上给出叶片转速与叶片不振动时通过叶尖振幅传感器时间间隔；当叶片振动时，叶尖沿旋转方向产生偏移，叶尖到达传感器的时间发生改变；根据这变化量得到叶片振幅、相位、频率等振动参数，转子件上安装的定位参考传感器具有两个作用，第一个作用产生每转1个转速周期信号，做为叶片没有发生振动时的标准时间，第二个作用是对旋转叶片进行识别，转子件的参考传感器与转子叶片有明确定位关系，可假设参考传感器相邻的叶片为1#叶片，即每转定位脉冲到达后的第1个叶片脉冲为1#叶片，叶片脉冲定位的非接触式叶片振动测试装置原理，在机匣上安装3个叶片振幅传感器，其中1#传感器替代转子定位参考传感器，外2个为叶片振幅测量传感器；当发动机旋转时，叶片掠过叶片振幅传感器产生源源不断的脉冲序列，脉冲数目是转子每转1转产生叶片数个脉冲信号，将叶片振幅传感器获取的脉冲序列按照叶片数分频，得到每转1个脉冲，只要叶片振幅传感器测量叶片脉冲没有丢失，按照叶片数分频得到脉冲序列与叶片脉冲相对应的关系不会发生变化；该脉冲之后出现的第一个脉冲定义为1#叶片，因此通过每转1个脉冲识别叶片，按照叶片数分频，得到每转1个脉冲将做为叶片振幅归一化处理的标准；每转1个脉冲周期为转速周期，转速周期除以叶片数得到叶片没有振动的各叶片脉冲出现的时刻；当叶片发生振动时，叶片脉冲到达时间比标准脉冲提前或滞后，依据提前或滞后时间确定叶片振幅；
当产生每转1个脉冲对应的发生叶片振动时，相应的转速周期可能变化，该转速周期计算的各叶片脉冲到达时刻不是标准脉冲，叶片没有振动，将引起各叶片振幅测量误差，为避免以上的影响，用1#传感器替代转子定位参考传感器安装于其它级的转子叶片，因为其它级叶片振动通常与被测级不相关；
叶片脉冲定位的非接触式叶片振动测试系统将在原系统进行硬、软件改进，在机匣上安装3支光纤传感器，1#光纤传感器为转子定位参考传感器，叶片通过光纤传感器时，产生反射光通过光电变换器形成一序列脉冲，该脉冲接至计算机的NI6602计数器/定时器的Source端，定时器/计数器工作于计数状态，计数器预置数根据叶片数由软件设置，当脉冲个数达到叶片数时，计数器1个输出脉冲；此脉冲为每转1个定位脉冲；此脉冲输出至信号预处理器同步脉冲端，在信号预处理器中将该脉冲与光纤脉冲合成，形成以每转1个定位脉冲为起始的脉冲序列，按照原系统识别叶片的方法，可以在每转内识别高速旋转的叶片；非接触式旋转叶片振动测试，在发动机转子部件中，不安装磁钢传感器，无转速定位信号，利用光纤传感器作为定位信号实现转子叶片振动测试。
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