CN105352586A - 通过检测共振频率实现叶片疲劳裂纹检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及叶片疲劳裂纹的在线检测技术领域，为对工作在高温、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，本发明采取的技术方案是，通过检测共振频率实现叶片疲劳裂纹检测的方法，包括以下步骤：第一步，利用有限元分析软件Ansys对实验室现有的旋转试验台的转子叶片进行分析；第二步，在静态的情况下对叶片进行模态仿真；第三步，根据应力图找出叶片共振时最大应力出现的位置；第四步，对工作状态下的叶片的静态力进行分析；第五步，在模型分析中，设置一个合理的转子转速；第六步，对带裂纹的叶片建模；第七步，得到叶片固有频率随裂纹深度变化的关系曲线，观察其中关系。本发明主要应用于叶片疲劳裂纹的在线检测。

Description

通过检测共振频率实现叶片疲劳裂纹检测的方法

技术领域

本发明涉及叶片疲劳裂纹的在线检测技术领域，具体讲,涉及通过检测共振频率实现叶片疲劳裂纹检测的方法。

背景技术

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，叶片在出现裂纹后，其自身振动信息以及转子的振动会发生改变，裂纹的在线检测通常是通过分析叶片的振动参数实现的。若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，且当叶片出现裂纹时，由于叶片整体刚度的变化，其固有频率会减小，利用不同振型对应的固有频率变化可实现叶片裂纹参数辨识，包括裂纹深度、裂纹位置等再利用相关算法对测量的振动信号进行分析，也可从中提取出叶片的故障信息。

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。

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，叶片在出现裂纹后，其自身振动信息以及转子的振动会发生改变，裂纹的在线检测通常是通过分析叶片的振动参数实现的。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在克服叶片通常工作的高温、高压、高离心转速等的极端恶劣环境下对叶片的健康状态进行检测，根据叶尖定时测震技术，提出一种新型叶片裂纹在线检测方法，通过辨识叶片的共振频率，对工作叶片进行故障诊断，在叶片产生裂纹的早期实现叶片裂纹的辨识，最大程度减小叶片裂纹对旋转机械安全运行的影响,对发动机安全运行有重要意义。为此，本发明采取的技术方案是，通过检测共振频率实现叶片疲劳裂纹检测的方法，包括以下步骤：

第一步，利用有限元分析软件Ansys对实验室现有的旋转试验台的转子叶片进行分析，并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，包括轴向与径向的位移约束以及对称约束，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；

第三步，分析在静态情况下正常叶片的一阶弯振、二阶弯振、一阶扭振的自然频率情况，根据应力图找出叶片共振时最大应力出现的位置；

第四步，对工作状态下的叶片的静态力进行分析，对叶片的离心力和气动力进行分析，计算出叶片变形与应力分布结果；在Ansys软件中对叶片加载气动力分析其应力分布与变形；

第五步，在模型分析中，设置一个合理的转子转速，检测在静态力作用下，正常叶片的固有频率所发生的变化；

第六步，对带裂纹的叶片建模，在第二步所介绍的叶片模型中，于其动应力最大位置叶根处添加裂纹，针对叶片所受一阶弯振、二阶弯振和一阶扭振的模型，分析在这类振动引起的高周疲劳损伤裂纹对叶片模型固有频率的影响；

第七步，分析疲劳裂纹叶片模型在不同转速下，所受一阶弯振、二阶弯振和一阶扭振时的固有频率的影响，得到叶片固有频率随裂纹深度变化的关系曲线，观察其中关系。

本发明的技术特点及效果：

依照本发明各个步骤对所建模型进行分析计算，通过对叶片固有频率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裂纹叶片的一弯固有频率与叶片根部裂纹深度关系示意图。

图9#0号叶片与#8号叶片的振动位移差与转速的关系示意图，其中：a为#0号叶片；b为#8号叶片。

图10不同叶片一阶弯振固有频率比较示意图。

具体实施方式

本发明旨在克服叶片通常工作的高温、高压、高离心转速等的极端恶劣环境下对叶片的健康状态进行检测，根据叶尖定时测震技术，提出一种新型叶片裂纹在线检测方法，通过辨识叶片的共振频率，对工作叶片进行故障诊断，在叶片产生裂纹的早期实现叶片裂纹的辨识，对发动机安全运行有重要意义。

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共振频率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。并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，包括轴向与径向的位移约束以及对称约束，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。

第三步，分析在静态情况下正常叶片的一阶弯振、二阶弯振、一阶扭振的自然频率情况，根据应力图找出叶片共振时最大应力出现的位置。

第四步，对工作状态下的叶片的静态力进行分析，对叶片的离心力和气动力进行了分析，计算的叶片变形与应力分布结果如图4。在Ansys软件中对叶片加载气动力分析其应力分布与变形，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形变以及应力分布的有限元计算结果。

第五步，在模型分析中，设置一个合理的转子转速，检测在静态力作用下，正常叶片的固有频率所发生的变化。

第六步，对带裂纹的叶片建模，在第二步所介绍的叶片模型中，于其动应力最大位置叶根处添加裂纹，纹位置如图7，针对叶片所受一阶弯振、二阶弯振和一阶扭振的模型，分析在这类振动引起的高周疲劳损伤裂纹对叶片模型固有频率的影响。

第七步，分析疲劳裂纹叶片模型在不同转速下，所受一阶弯振、二阶弯振和一阶扭振时的固有频率的影响，得到叶片固有频率随裂纹深度变化的关系曲线如图9，观察其中关系。

根据以上各个步骤对所建模型进行分析计算，静态情况下，叶片的一阶弯振的自然频率为935.7Hz，二阶弯振的自然频率为5745.6Hz，一阶扭振的自然频率为4073.6Hz。在静态力作用下，叶片的共振频率会发生变化。在模型分析中，设置转子转速为3000rpm，加载离心力后，叶片的一阶弯振、二阶弯振和一阶扭振的共振频率分别变为939.9Hz，5749.2Hz和4074.5Hz。

在叶片叶根处添加裂纹后，叶片的最大应力集中于裂纹所在位置，一阶弯振的固有频率减小，减小为923.3Hz；而在3000rpm左右考虑离心力的作用时，其一阶弯振的固有频率减小为927.6Hz。改变裂纹的深度，分析不同深度裂纹的叶片的共振频率，得到不同转速下一阶弯振共振频率随叶根处裂纹深度以及转速的变化情况如图9所示。

模拟计算可知随着裂纹深度的增加，叶片共振频率减小，所以对于有明显裂纹的叶片，在不同工作转速下，其一阶弯振共振频率均会小于正常叶片的共振频率。

由于在叶片裂纹在线检测方面，目前尚无成熟技术。但是通过实验室已有技术已经能够通过叶尖定时系统实现在线对叶片振动参数的实时监测，因此本发明方法也从技术上也具备了可行性。具体实验数据说明和实验条件以及方法将在最佳实施方式中给出。

对叶片有裂纹的转子进行叶尖定时测量，验证利用叶尖定时进行叶片高周疲劳裂纹检测的方法。采用16叶片的旋转试验台进行叶尖定时实验。首先，利用两只叶尖定时传感器，采用曲线拟合的方式，对叶片的共振参数进行测量，在转速为67Hz左右时，转子叶片发生共振，共振转速附近#0号叶片与#8号叶片测得的振动位移差与转速的关系由图9表示，其中，#8号叶片的根部有裂纹，裂纹深度150μm，从图中可知，#8号带裂纹叶片的共振转速明显小于#0号叶片的共振转速。

根据前文所述模型分析可知，当前转速下共振倍频数为14。对所有叶片的共振参数进行辨识，其叶片共振频率辨识的结果如图10。

由实验结果可知，#8，#9和#10的叶片固有频率明显低于其他正常叶片的固有频率，而此三个叶片的叶片根部均预制有裂纹，且裂纹最深的#8号叶片的共振频率最低。

由此可知，本发明所述的利用叶尖定时法对叶片固有频率进行测量，当某叶片的固有频率远小于其他叶片时，认为其有可能出现裂纹的方法是有效的。

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，通过对叶片固有频率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。

Claims (1)

1.一种通过检测共振频率实现叶片疲劳裂纹检测的方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步，利用有限元分析软件Ansys对实验室现有的旋转试验台的转子叶片进行分析，并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，包括轴向与径向的位移约束以及对称约束，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；

第三步，分析在静态情况下正常叶片的一阶弯振、二阶弯振、一阶扭振的自然频率情况，根据应力图找出叶片共振时最大应力出现的位置；

第四步，对工作状态下的叶片的静态力进行分析，对叶片的离心力和气动力进行分析，计算出叶片变形与应力分布结果；在Ansys软件中对叶片加载气动力分析其应力分布与变形；

第五步，在模型分析中，设置一个合理的转子转速，检测在静态力作用下，正常叶片的固有频率所发生的变化；

第六步，对带裂纹的叶片建模，在第二步所介绍的叶片模型中，于其动应力最大位置叶根处添加裂纹，针对叶片所受一阶弯振、二阶弯振和一阶扭振的模型，分析在这类振动引起的高周疲劳损伤裂纹对叶片模型固有频率的影响；

第七步，分析疲劳裂纹叶片模型在不同转速下，所受一阶弯振、二阶弯振和一阶扭振时的固有频率的影响，得到叶片固有频率随裂纹深度变化的关系曲线，观察其中关系。