CN109000787A - 叶尖定时测振系统标定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非接触式叶尖定时测振领域，为实现叶尖定时测振系统的标定，验证叶尖定时测振系统测量结果的准确性与可靠性，本发明，叶尖定时测振系统标定装置和方法，包括信号发生器，振动台，电容传感器，旋转试验台，包含叶尖定时传感器的叶尖定时测振系统，叶尖定时传感器固定于振动台，信号发生器发出的信号控制振动台产生模拟叶片振动，安装在振动台上的电容传感器将振动台振动情况进行反馈；初始时，旋转试验台及安装在上面的叶片不运动，信号发生器发出的信号控制振动台产生模拟叶片振动；然后振动台不运动，旋转试验台上面的叶片运动，获得最终测试结果。本发明主要应用于非接触式叶尖检测场合。

Description

叶尖定时测振系统标定装置和方法

技术领域

本发明涉及非接触式叶尖定时测振领域，具体讲,涉及叶尖定时测振系统标定装置和方法。

背景技术

在航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械中，动叶片作为核心做功元件，其运行状态参数直接影响设备的工作性能及运行安全，高温下叶片振动参数的在线测量是保证设备工作性能和运行安全的关键。

叶尖定时测振技术是目前叶片振动参数在线测量方面研究的热点。叶尖定时原理如图1所示，叶尖定时传感器1安装于机匣2上，在定子上安装转速同步传感器3，当叶片4扫过叶尖定时传感器1时测量电路产生脉冲信号记录叶片相对转速同步传感器3的到达时间。根据测得的叶片到达时间与无振动情况下叶片理论上的到达时间进行比较，结合当前转速，即可获得叶片的振动位移。然后通过上位机程序和相关辨识算法即可计算得到叶片振动频率、幅值等振动参数。常用的测量同步振动的叶尖定时相关辨识算法有：单参数法[1]、双参数法[2]、自回归法[3]，基于任意角的叶片同步振动参数辨识算法[4]，去OPR的叶片同步振动参数辨识算法[5]等。常用的测量异步振动的叶尖定时相关辨识算法有：Prony谱估计法、传感器均布法、差频法、“5+2”法[6]，恒速下叶片异步振动参数辨识算法[4],变速激励下叶片异步振动参数辨识算法[7]等。

一方面，基于叶尖定时的叶尖定时测振系统主要由传感器、传感器驱动与信号调理模块、数据采集系统和上位机软件四个部分组成。叶尖定时测振系统在发动机叶片振动测量中的成功应用已近10年，经过不断地改进，在产品化、工程化、功能、算法、软件方面的主要技术已经被证明能够满足航空发动机的测试需求。传感器主要是感受叶片和轴上基准到来时的物理量变化，目前国内外已经研制出不同种类和参数的多种传感器，主要有光纤式、电涡流式和微波式等。传感器驱动与信号调理模块主要是对传感器进行驱动，对传感器信号进行降噪、放大等。数据采集系统前置电路模块输出的多路并行脉冲信号进行识别、计数，滤波等数字化处理，然后按照通讯协议将数字化的叶尖定时信号传送给上位机。上位机软件采用多种算法从数据采集模块上传的叶尖定时信号中提取出叶片振动信息，辨识出位移、振幅、频率、相位等振动参数，并提供实时采集、数据回放、离线分析等功能。

另一方面，工程试验中多通过叶尖定时测振法与应变片法数据结果对比分析，相互验证。但应变片法是通过在叶片表面粘贴应变片来测量，属于接触式测量，会改变叶片的振动特性，其测量结果只能验证说明叶尖定时测振系统测量结果的正确性，其准确度难以满足叶尖定时测振系统标定的需求。目前尚无成熟的叶尖定时测振系统标定方法。

[1]I.Y.Zablotsky and Yu.A.Korostelev,Measurement of resonancevibrations of turbine blades with the ELURA device[J].Energomashinostroneniye1970(2):36-39.

[2]Heath S.A New Technique for Identifying Synchronous ResonancesUsing Tip-Timing[C]//1999:219-225.

[3]Gallegogarrido J,Dimitriadis G,Carrington I B,et al.A Class ofMethods for the Analysis of Blade Tip Timing Data from Bladed AssembliesUndergoing Simultaneous Resonances—Part II:Experimental Validation[J].International Journal of Rotating Machinery,2007,2007(4):981-1077.

[4]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

[5]Guo H,Duan F,Zhang J.Blade resonance parameter identificationbased on tip-timing method without the once-per revolution sensor[J].Mechanical Systems&Signal Processing,2016,s 66–67:625-639.

[6]张玉贵,段发阶,方志强,叶声华,石小江.旋转叶片异步振动的频率识别技术[J].振动与冲击,2007(12):106-108+174-175.

[7]岳林,李海洪,王德友,王磊,胡伟.变速激励下叶片异步振动参数识别方法[P].江苏：CN104697623A,2015-06-10.

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出叶尖定时测振系统标定方法，实现叶尖定时测振系统的标定，验证叶尖定时测振系统测量结果的准确性与可靠性。为此，本发明采取的技术方案是，叶尖定时测振系统标定装置，包括信号发生器，振动台，电容传感器，旋转试验台，包含叶尖定时传感器的叶尖定时测振系统，叶尖定时传感器固定于振动台，信号发生器发出的信号控制振动台产生模拟叶片振动，安装在振动台上的电容传感器将振动台振动情况进行反馈；初始时，旋转试验台及安装在上面的叶片不运动，信号发生器发出的信号控制振动台产生模拟叶片振动，从而标定叶尖定时测振系统的参考值；然后振动台不运动，旋转试验台上面的叶片运动，将叶尖定时测振系统辨识得到的叶片振动信息与参考值进行比对，获得最终测试结果。

还包括上位机控制机，接收电容传感器输出的反馈信号，产生控制信号发生器的信号。

叶尖定时测振系统标定方法，步骤如下：

进一步，搭建好待标定的叶尖定时测振系统，将叶叶尖定时测振系统尖定时传感器刚性连接安装在振动台上，以便振动台发生振动时，叶尖定时传感器能与振动台振动状态一致；

进一步，利用上位机控制程序控制信号发生器产生多路频率相同、幅值相同、相位差固定的简谐信号，相位差为零时模拟的是叶片同步振动，相位差不为零时模拟的是叶片异步振动；

进一步，简谐信号传输至振动台，使多台振动台发生频率相同、幅值相同、相位差固定的简谐振动；

进一步，采用电容传感器对振动台的实际振动情况进行监测，并监测信号反馈至上位机，由上位机程序控制信号发生器对之前产生的简谐信号进行调整，直至多台振动台实际的振动频率、幅值和相位差满足频率相同、幅值相同、相位差固定的条件，记录此时振动频率、幅值信息，作为标定叶尖定时测振系统的参考值；

进一步，开启旋转试验台，令叶片进行恒速或变速转动；

进一步，开启叶尖定时测振系统，此时叶尖定时传感器测量得到振动信号，经过传感器驱动与信号调理模块、数据采集系统对此信号进行降噪、放大、滤波、识别计数处理之后传至上位机软件；

进一步，对于叶片同步振动，上位机采用基于任意角的叶片同步振动参数辨识算法；对于叶片异步振动，上位机采用“5+2”法从信号中辨识到“叶片振动信息”；

进一步，将叶尖定时测振系统辨识得到的“叶片振动信息”与参考值进行记录，获得叶尖定时测振系统标定曲线，实现叶尖定时测振系统的标定。

本发明的特点及有益效果是：

(1)根据相对运动原理，以传感器振动叶片不振动产生的振动信号代替传感器不振动叶片振动产生的信号，无需叶片激振装置，通过振动台的控制便可模拟叶片振动。

(2)本方法可根据电容传感器监测信号实时调整振动台的振动情况，根据需要产生稳定合理，准确有序的振动，多台振动台可实现振动频率相同、幅值相同、相位差固定的联动，因而此方法具有理想的标定精度。

附图说明：

图1示出基于基于叶尖定时的叶片振动测量原理。

图2示出叶尖定时测振系统标定方案框图。

图1中：1为叶尖定时传感器，2为机匣，3为转速同步传感器，4为叶片。

图2中：1为叶尖定时传感器，4为叶片，5为上位机控制程序，6为信号发生器，7为振动台，8为电容传感器，9为旋转试验台，10为叶尖定时测振系统。

具体实施方式

为克服现有技术的不足，本发明提出一种叶尖定时测振系统标定方法。

为达到上述目标，本发明采取的技术方案如图2所示，包括：

上位机控制程序5，信号发生器6，振动台7，电容传感器8，叶片4，旋转试验台9，叶尖定时测振系统10(包含叶尖定时传感器1)。

进一步，搭建好待标定的叶尖定时测振系统10，将叶尖定时传感器1刚性连接安装在振动台7上，以便振动台7发生振动时，叶尖定时传感器1能与振动台7振动状态一致；

进一步，利用上位机控制程序5控制信号发生器6产生多路频率相同、幅值相同、相位差固定的简谐信号。相位差为零时模拟的是叶片同步振动，相位差不为零时模拟的是叶片异步振动；

进一步，简谐信号传输至振动台7，使多台振动台发生频率相同、幅值相同、相位差固定的简谐振动；

进一步，由于元器件个体差异及环境因素干扰，多台振动台实际的振动频率、幅值和相位差可能不满足频率相同、幅值相同、相位差固定的条件。因此采用电容传感器8对振动台7的实际振动情况进行监测，并监测信号反馈至上位机，由上位机程序5控制信号发生器6对之前产生的简谐信号进行调整，直至多台振动台实际的振动频率、幅值和相位差满足频率相同、幅值相同、相位差固定的条件，记录此时振动频率、幅值信息，作为标定叶尖定时测振系统10的参考值；

进一步，开启旋转试验台9，令叶片4进行恒速或变速转动；

进一步，开启叶尖定时测振系统10，此时叶尖定时传感器1测量得到振动信号，经过传感器驱动与信号调理模块、数据采集系统对此信号进行降噪、放大、滤波、识别计数等处理之后传至上位机软件，上位机软件采用“速矢端迹法”、“双参数法”、“5+2”等多种算法从信号中辨识到“叶片振动信息”。由于此方法中，叶片只发生旋转运动而无受迫振动，所以此时的“叶片振动信息”是指传感器1的振动频率、幅值；

进一步，将叶尖定时测振系统10辨识得到的“叶片振动信息”与参考值进行比对，即可实现叶尖定时测振系统10的标定。

为克服现有技术的不足，本发明提供一种叶尖定时测振系统标定方法，主要解决的技术问题是：

(1)根据相对运动原理，以传感器振动叶片不振动产生的振动信号代替传感器不振动叶片振动产生的信号，无需叶片激振装置，通过振动台的控制便可模拟叶片振动。

(2)本方法可根据电容传感器监测信号实时调整振动台的振动情况，根据需要产生稳定合理，准确有序的振动，多台振动台可实现振动频率相同、幅值相同、相位差固定的联动，因而此方法具有理想的标定精度。

本发明是这样实现的：

进一步，搭建好待标定的叶尖定时测振系统10，将叶尖定时传感器1刚性连接安装在振动台7上，以便振动台7发生振动时，叶尖定时传感器1能与振动台7振动状态一致；

进一步，叶尖定时传感器1与叶尖定时传感器1之间安装角度为90°，即振动台7与振动台7之间安装角度为90°；

进一步，利用上位机控制程序5控制信号发生器6产生多路频率为200hz、幅值4mm、相位差π/2的简谐信号；

进一步，简谐信号传输至振动台6，使多台振动台发生频率200hz、幅值4mm、相位差π/2的简谐振动；

进一步，由于元器件个体差异及环境因素干扰，多台振动台实际的振动频率、幅值和相位差可能不满足频率200hz、幅值4mm、相位差3π/4固定的条件。因此采用电容传感器8对振动台7的实际振动情况进行监测，并监测信号反馈至上位机，由上位机程序5控制信号发生器6对之前产生的简谐信号进行调整，直至多台振动台实际的振动频率、幅值和相位差满足频率200hz、幅值4mm、相位差π/2的条件；

进一步，开启旋转试验台9，令叶片4进行旋转，转速为8000转/分钟；

进一步，开启叶尖定时测振系统10，进行测振试验，将辨识得到的“叶片振动信息”，即叶尖定时传感器1的振动频率、幅值，与参考值(频率200hz、幅值4mm)进行对比记录，即可完成当叶片发生频率200hz、幅值4mm的振动时，叶尖定时测振系统10的标定；

进一步，若要进行叶尖定时测振系统10在叶片发生不同频率或幅值振动时的标定，只需改变参考值与相位差值(相位差值＝频率*30*π/转速)，然后重复上述过程即可。

Claims (3)

1.一种叶尖定时测振系统标定装置，其特征是，包括信号发生器，振动台，电容传感器，旋转试验台，包含叶尖定时传感器的叶尖定时测振系统，叶尖定时传感器固定于振动台，信号发生器发出的信号控制振动台产生模拟叶片振动，安装在振动台上的电容传感器将振动台振动情况进行反馈；初始时，旋转试验台及安装在上面的叶片不运动，信号发生器发出的信号控制振动台产生模拟叶片振动，从而标定叶尖定时测振系统的参考值；然后振动台不运动，旋转试验台上面的叶片运动，将叶尖定时测振系统辨识得到的叶片振动信息与参考值进行比对，获得最终测试结果。

2.如权利要求1所述的叶尖定时测振系统标定装置，其特征是，还包括上位机控制机，用于接收电容传感器输出的反馈信号，产生控制信号发生器的信号。

3.一种叶尖定时测振系统标定方法，其特征是，步骤如下：

进一步，搭建好待标定的叶尖定时测振系统，将叶叶尖定时测振系统尖定时传感器刚性连接安装在振动台上，以便振动台发生振动时，叶尖定时传感器能与振动台振动状态一致；

进一步，利用上位机控制程序控制信号发生器产生多路频率相同、幅值相同、相位差固定的简谐信号，相位差为零时模拟的是叶片同步振动，相位差不为零时模拟的是叶片异步振动；

进一步，简谐信号传输至振动台，使多台振动台发生频率相同、幅值相同、相位差固定的简谐振动；

进一步，采用电容传感器对振动台的实际振动情况进行监测，并监测信号反馈至上位机，由上位机程序控制信号发生器对之前产生的简谐信号进行调整，直至多台振动台实际的振动频率、幅值和相位差满足频率相同、幅值相同、相位差固定的条件，记录此时振动频率、幅值信息，作为标定叶尖定时测振系统的参考值；

进一步，开启旋转试验台，令叶片进行恒速或变速转动；

进一步，开启叶尖定时测振系统，此时叶尖定时传感器测量得到振动信号，经过传感器驱动与信号调理模块、数据采集系统对此信号进行降噪、放大、滤波、识别计数处理之后传至上位机软件；

进一步，对于叶片同步振动，上位机采用基于任意角的叶片同步振动参数辨识算法；对于叶片异步振动，上位机采用“5+2”法从信号中辨识到“叶片振动信息”；

进一步，将叶尖定时测振系统辨识得到的“叶片振动信息”与参考值进行记录，获得叶尖定时测振系统标定曲线，实现叶尖定时测振系统的标定。