CN110823580B - 航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，包括如下步骤：安装测振系统，将振动传感器安装在航空发动机高温涡轮机匣测点，并依次与电荷放大器和频谱分析仪电信号连接；调整频谱分析仪的采样频率，使采样频率至少大于振动传感器共振频率的2倍；观察频谱分析仪显示的FFT频谱，判断在指定频带范围内是否出现呈指数衰减的低频干扰现象；在指定频带范围内出现呈指数衰减的低频干扰现象时，滤除指定频带范围内呈指数衰减的低频干扰信号。本发明的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，避免测振过程中受低频信号的干扰，在指定频带范围内能够有效地提取真实的低频振动分量用于发动机高温涡轮机匣部位的振动监测与分析。

Description

航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法

技术领域

本发明涉及航空发动机振动测试技术领域，特别地，涉及一种航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法。

背景技术

航空发动机结构复杂，工作条件严苛，为保证其能够稳定、可靠地工作，其性能参数监测为重中之重，其中，振动作为航空发动机的动态参数之一，对于发动机结构疲劳特性的考核非常之关键。为此，准确地对发动机振动进行测试，既关乎到航空发动机工作的可靠性，也可确保振动分析工作者能够对振动异常发动机所测量的振动信号进行有效、合理地分析。

如图1所示，现有的测振系统通常是将加速度传感器直接安装在航空发动机机匣上进行振动测试，图2所示，当前，在对航空发动机高温涡轮机匣部位进行振动测试的过程中，特别是在发动机从低转速运转至高转速状态的过程中，时常会遇到低频干扰信号，不能够有效地提取真实的低频振动分量用于发动机高温涡轮机匣部位的振动监测与分析，严重影响发动机低频振动与指定频带范围内的振动总量测量的准确性。特别是对于装备飞行器的发动机振动测试，多数采用无频谱分析且仅有振动总量显示功能的便携式测振设备，此类低频干扰信号引入振动总量，频繁导致发动机振动出现超标现象。

发明内容

本发明提供的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，避免航空发动机高温涡轮机匣测振过程中受低频信号的干扰，在指定频带范围内不能够有效地提取真实的低频振动分量用于发动机高温涡轮机匣部位的振动监测与分析的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，包括如下步骤：S101，安装测振系统，将振动传感器安装在航空发动机高温涡轮机匣测点，并依次与电荷放大器和频谱分析仪电信号连接；S102，调整频谱分析仪的采样频率，使采样频率至少大于振动传感器共振频率的2倍；S103，启动航空发动机进行振动测试，观察频谱分析仪显示的FFT频谱，判断在指定频带范围内是否出现呈指数衰减的低频干扰现象；S104，在指定频带范围内出现呈指数衰减的低频干扰现象时，判断振动传感器是否产生了共振；在振动传感器产生了共振时，滤除指定频带范围内呈指数衰减的低频干扰信号。

进一步地，步骤S104具体包括：在指定频带范围内出现呈指数衰减的低频干扰现象时，查看振动传感器共振频率附近是否存在高频振动；在存在高频振动时，调取对应的原始时域信号，检查原始时域信号是否过载，在原始时域信号出现过载时，滤除指定频带范围内由于频率混叠产生的呈指数衰减的低频干扰信号。

进一步地，步骤滤除指定频带范围内由于频率混叠产生的呈指数衰减的低频干扰信号包括：下调电荷放大器的高频截止频率，并使高频截止频率不小于待测振信号的频率的上限，滤除指定频带范围内振动传感器的高频安装共振区。

进一步地，步骤滤除指定频带范围内由于频率混叠产生的呈指数衰减的低频干扰信号包括：在振动传感器靠近机匣的表面上安装减震垫，并通过固定螺钉使减震垫和振动传感器固定在机匣的表面上，以降低振动传感器的安装共振频率，使航空发动机的高频振动避开振动传感器的安装共振频率，滤除指定频带范围内呈指数衰减的低频干扰信号。

进一步地，还包括步骤S105，持续运转航空发动机，使振动传感器受热均匀，滤除除航空发动机高温涡轮机匣部位振动测试过程中由于热释电产生的呈指数衰减的低频干扰。

进一步地，在步骤S103之前，确保测振线缆靠近航空发动机的一端固定牢固，并确保测振线缆无破损或鼓泡，以排除航空发动机高温涡轮机匣部位振动测试过程中由于摩擦生电产生的呈指数衰减的低频干扰。

进一步地，还包括步骤S106，通过频谱分析仪显示的FFT频谱，计算航空发动机高温涡轮机匣部位振动总量。

进一步地，提高电荷放大器的量程，使电荷放大器的量程大于振动传感器的共振幅度。

进一步地，振动传感器的安装共振频率在14kHz至16kHz范围内。

进一步地，减震垫的材料为不锈钢。

本发明具有以下有益效果：

本发明的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，通过调整频谱分析仪的采样频率，使采样频率至少大于振动传感器共振频率的2倍，完整地保留了原始信号中的的振动信息，防止在进行模拟/数字转换过程中原始信号失真；通过在发动机测试过程中，观察FFT频谱，在指定频带范围内出现呈指数衰减的低频干扰现象时，判断振动传感器是否产生了共振进而进行滤除共振产生的频率混叠现象，避免测振过程中受低频信号的干扰，在指定频带范围内能够有效地提取真实的低频振动分量用于发动机高温涡轮机匣部位的振动监测与分析。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有的航空发动机的测振系统示意图；

图2是现有的航空发动机振动测试时的异常测振FFT频谱图；

图3是本发明优选实施例的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法的流程图；

图4是本发明优选实施例的测振点时域振动信号削波现象图；

图5是本发明优选实施例的下调电荷放大器的高频截止频率消除高频共振的原理图；

图6是本发明优选实施例的减震垫安装结构示意图；

图7是本发明优选实施例的增加减震垫避开振动传感器的安装共振频率的原理图；

图8是本发明优选实施例的滤除指定频带范围内呈指数衰减的低频干扰信号后的FFT频谱图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是现有的航空发动机的测振系统示意图；图2是现有的航空发动机振动测试时的异常测振FFT频谱图；图3是本发明优选实施例的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法的流程图；图4是本发明优选实施例的测振点时域振动信号削波现象图；图5是本发明优选实施例的下调电荷放大器的高频截止频率消除高频共振的原理图；图6是本发明优选实施例的减震垫安装结构示意图；图7是本发明优选实施例的增加减震垫避开振动传感器的安装共振频率的原理图；图8是本发明优选实施例的滤除指定频带范围内呈指数衰减的低频干扰信号后的FFT频谱图。

如图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本实施例的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，S101，安装测振系统，将振动传感器安装在航空发动机高温涡轮机匣测点，并依次与电荷放大器和频谱分析仪电信号连接；S102，调整频谱分析仪的采样频率，使采样频率至少大于振动传感器共振频率的2倍；S103，启动航空发动机进行振动测试，观察频谱分析仪显示的FFT频谱，判断在指定频带范围内是否出现呈指数衰减的低频干扰现象；S104，在指定频带范围内出现呈指数衰减的低频干扰现象时，判断振动传感器是否产生了共振；在振动传感器产生了共振时，滤除指定频带范围内呈指数衰减的低频干扰信号。

本发明的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，通过调整频谱分析仪的采样频率，使采样频率至少大于振动传感器共振频率的2倍，完整地保留了原始信号中的的振动信息，防止在进行模拟/数字转换过程中原始信号失真；通过在发动机测试过程中，观察FFT频谱，在指定频带范围内出现呈指数衰减的低频干扰现象时，判断振动传感器是否产生了共振进而进行滤除共振产生的频率混叠现象，避免测振过程中受低频信号的干扰，在指定频带范围内能够有效地提取真实的低频振动分量用于发动机高温涡轮机匣部位的振动监测与分析。

可以理解地，在具体实施时，可以是频谱分析仪的采样频率大于振动传感器共振频率的2.56倍，通过观察频谱分析仪显示的FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)频谱，可以直接观察在指定频带范围内是否出现呈指数衰减的低频干扰现象。

进一步地，步骤S104具体包括：在指定频带范围内出现呈指数衰减的低频干扰现象时，查看振动传感器共振频率附近是否存在高频振动；在存在高频振动时，调取对应的原始时域信号，检查原始时域信号是否过载，在原始时域信号出现过载时，滤除指定频带范围内由于频率混叠产生的呈指数衰减的低频干扰信号。可以理解地，频率混叠是由于安装在发动机机匣上的振动传感器(加速度传感器)存在安装共振频率，发动机运转至某一状态时，其安装振动传感器的部位受到高温影响，致使其刚度下降，在具备大幅振动加速度的高频区(特别是航空发动机涡轮叶片的通过频率所产生的高频簇振动)与振动传感器安装共振频率接近或一致，放大振动幅值，振动传感器后端具备高频截至特性的电荷放大器(前置放大器)在处理该高频振动信号时，出现过采用及欠采样，从而导致振动原始信号的高频振动被削波，并将削波后的高频振动进行采样，混叠成低频簇周期性干扰信号。通过具体查看振动传感器共振频率附近是否存在高频振动，并检查对应的时域信号是否过载，便于准确判断在航空发动机高温涡轮机匣部位振动测试是否受到频率混叠的干扰。

进一步地，步骤滤除指定频带范围内由于频率混叠产生的呈指数衰减的低频干扰信号包括：下调电荷放大器的高频截止频率，并使高频截止频率不小于待测振信号的频率的上限，滤除指定频带范围内振动传感器的高频安装共振区。

进一步地，步骤滤除指定频带范围内由于频率混叠产生的呈指数衰减的低频干扰信号包括：在振动传感器靠近机匣的表面上安装减震垫，并通过固定螺钉使减震垫和振动传感器固定在机匣的表面上，以降低振动传感器的安装共振频率，使航空发动机的高频振动避开振动传感器的安装共振频率，滤除指定频带范围内呈指数衰减的低频干扰信号。

进一步地，还包括步骤S105，持续运转航空发动机，使振动传感器受热均匀，滤除除航空发动机高温涡轮机匣部位振动测试过程中由于热释电产生的呈指数衰减的低频干扰。

进一步地，在步骤S103之前，确保测振线缆靠近航空发动机的一端固定牢固，并确保测振线缆无破损或鼓泡，以排除航空发动机高温涡轮机匣部位振动测试过程中由于摩擦生电产生的呈指数衰减的低频干扰。可以理解地，摩擦生电是引起航空发动机高温涡轮机匣部位振动测试过程中的低频干扰之一，摩擦生电是由于航空发动机在运转过程中，测振线缆的受迫振动，测振线缆低电位端的屏蔽层与其高温区受热膨胀的绝缘套管之间摩擦，以及测振线缆各连接插头松动所引起的摩擦均存在低频簇周期性。

进一步地，还包括步骤S106，通过频谱分析仪显示的FFT频谱，计算航空发动机高温涡轮机匣部位振动总量。可以理解地，本发明中航空发动机高温涡轮机匣部位所关注的f1至f3内的振动总值为：sqrt(A2²⁺A3²+A4²+A5²+A6²)，现有的测试方法中，航空发动机机匣部位所关注的f1至f3内的振动总值为：sqrt(f1至f2内所有干扰频率对应赋值的平方+A4²+A5²+A6²)，确保发动机高温涡轮机匣测点在指定频带范围内振动总量的准确性。

进一步地，提高电荷放大器的量程，使电荷放大器的量程大于振动传感器的共振幅度。具体地，在提高电荷放大器(前置放大器)的量程时，电荷放大器输出信号需要能够保证最大共振幅值不会超过频谱分析仪的量程。

更优地，振动传感器的安装共振频率在14kHz至16kHz范围内，减震垫的材料为不锈钢。

具体地，某型号航空发动机测振具备2个测振位置，即附件传动机匣一个(低温部位)、高温涡轮机匣一个(高温部位)，两个测振位置所选择的振动传感器均为同一型号振动传感器，而且振动传感器参数(幅值线性度与频率响应特性)均满足航空发动机振动频率测量的常规要求。

本发明通过在多种类型航空发动机高温部位进行大量试验，确定针对航空发动机高温涡轮机匣测点在测振过程中时常出现的呈指数衰减的低频干扰主要归结于三种原因：分别为摩擦生电、频率混叠及高温瞬变热释电。

其中：摩擦生电是由于航空发动机在运转过程中，测振线缆的受迫振动，测振线缆低电位端的屏蔽层与其高温区受热膨胀的绝缘套管之间摩擦，以及测振线缆各连接插头松动所引起的摩擦均存在低频簇周期性；频率混叠是由于安装在发动机部件上的振动传感器存在安装共振频率，发动机运转至某一状态时，其安装振动传感器的部位受到高温影响，致使其刚度下降，在具备大幅振动加速度的高频区(特别是航空发动机涡轮叶片的通过频率所产生的高频簇振动)与振动传感器安装共振频率接近或一致，放大振动幅值，振动传感器后端具备高频截至特性的前置放大器(电荷放大器)在处理该高频振动信号时，出现过载及欠采样，从而导致振动原始信号的高频振动被削波，并将削波后的高频振动进行采样，混叠成低频簇周期性干扰信号；高温瞬变热释电是由于某些应用于航空发动机高温涡轮机匣测点的振动传感器，在高温变化较快的条件下，内置压电晶体材料受热不均，间歇性地释放出低频簇电荷。

实验过程如下：

一，在航空发动机振动测量时，为了防止测量不准确导致发动机错误分解检查，影响到生产的顺利进行，需要准确地测量出发动机真实的振动数值。而在呈现出指数衰减的低频信号出现时，作为航空发动机振动判据的振动总量值出现超差现象，为能够快速排除摩擦生电测试故障，及时更换一套同类型的测振系统，结果在测量时，同样存在该问题。此时测量人员存在疑虑，怀疑该信号可能是发动机本身的振动信号。为了进一步验证，对比低频类信号出现的故障模式(气动谐波、转静子碰磨损、轴承故障、发动机转子的传动链频率、转子不对中及动不平衡)，测量的信号均不符合。因此，对该类信号是否属于发动机本身振动信号还是测量问题，无法给出准确答案。怀疑因素有：1.发动机两个测振点的位置不同，是否是由于发动机真实的振动信号存在差异所引起2.两个测振点位置的温度存在差异，是否是温度导致振动传感器在高温区出现异常？

二，进一步分析与处理方法：航空发动机常规测振，在对发动机信号进行FFT频谱分析来计算出与振动判据对比的振动总量值时，均选择发动机主要转子的频率范围段进行分析，该频率范围一般不超过0—1000Hz。监测发动机的FFT频谱查看振动分量，也仅查看该频率范围段的振动变化，在不做特殊要求时，10kHz乃至更高频率的振动基本不进行关注。而发动机的FFT频谱是由所测量的时间域信号通过快速傅里叶变换进行转化，此时，怀疑可能是发动机的高频信号削波造成，如图4所示。因此，增加频谱分析仪的采样频率，放大至100kHz，分析带宽为100/2.56(Hz)，完全覆盖所测量的发动机全息振动频率及振动传感器的频率响应，测量后发现在15kHz左右位置出现集中频率簇，且对应的振动幅值也比较高，但是未超过频谱分析仪器的量程，因此频谱分析仪不存在削波现象，但该15kHz左右的范围基本为振动传感器的安装共振频率范围。后来将异常定位在前置放大器，怀疑前置放大器量程无法覆盖振动传感器安装共振频率下测量的大幅值振动信号。为了解决该问题，在发动机常温下，利用静频测试方法，测量发动机附件机匣和涡轮机匣测振点处的固有频率，发现附件机匣在15kHz甚至更高不存在较高的贡献响应频率，而涡轮机匣高频出现了高幅值贡献响应，但该高频的频率接近15.5kHz左右，与15kHz相比在常温下不会出现共振，但若温度增高，刚度下降，会导致固有频率下降，在该15kHz处出现共振。

三，为此提出了4种方案：改变振动传感器的安装共振频率(前提：改变后的安装共振频率与发动机的高频信号不会出现重叠而引起共振加强)；.提高前置放大器的量程(提高量程后，放大器输出信号需要能够保证最大共振幅值不会超过频谱分析仪的量程，否则再次出现此类问题；调整前置放大器的高频滤波范围，滤除共振频率；改变发动机的固有频率，显然，从经济角度看，该方案不可行。通过第一种方案(增加减振垫片，降低振动传感器安装共振频率，并在标准振动台对测振系统进行标定后用于发动机测量)与第三种方案(降低前置放大器高频截止滤波至10kHz)的进行，经过再次发动机开车振动测量，呈指数衰减的低频信号消失，解决此类问题。

四，在后来进一步对该测试问题的完善和总结，怀疑前期振动传感器选型未考虑到频率混叠因素的影响，重新对振动传感器进行了选型，选择了安装共振频率更高且温度范围、幅值线性与频率响应特性均满足发动机振动测试要求的振动传感器。整套测振系统重新标定后，对发动机进行测试时，再次出现类似现象。排除以上因素，可能的问题是发动机高温涡轮机匣处的温度变化，传递给振动传感器，致使振动传感器异常。为了进一步验证温度变化对振动传感器的影响，将振动传感器固定于加温器表面，在振动传感器可承受的温度范围内开始加温，并观察FFT频谱。随着温度的持续上升，FFT频谱低频区出指数衰减的低频信号，而后停止加温，待加温器冷却至一定温度后，重新开始加温，该信号消失。为进一步排除这种温度瞬变对振动传感器的影响(热释电：热变化传感器释电量)，将振动传感器安装于发动机后，第一次进行开车振动测量，是振动传感器均匀受热后，停车并再次按发动机振动测量的开车程序进行测振，消除了该类问题。

本发明优选实施例提供的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法具体操作如下：

现有往往得到的振动FFT频谱及振动总量值如图3所示，在频谱中所指定的f1至f3内的频带范围引入了呈指数衰减的低频干扰成分，导致振动总量值引入干扰幅值参与计算。根据上述实验分析得到低频干扰产生的机理，首先检查测振系统，确保测振系统外观及各连接处无异常；然后，设置频谱分析仪采样率及分辨率，采样率建议设置100KHz，完全覆盖一般振动传感器的安装共振频率；接着，按航空发动机开车测振程序进行测振，观察FFT频谱，若在低频段出现图3所示的呈指数衰减的干扰现象，则调取其原始时域信号，如存在如4所示的削波现象，按图5所示的方式处理，下调前置放大器(电荷放大器)的高通截止频率，滤除振动传感器的高频安装共振区，直到低频干扰消失，即前置放大器的量程合适于所关注振动信号的量程，在调节放大器高通截止频率时，切记其截止频率应不小于所关注振动信号的频率上限，否则更换具备较其高频率测量的振动传感器。一般情况下，若非专门定制，测振所使用的前置放大器皆无滤波调节功能，则采用图6的方式处理，在振动传感器下方增加减震垫螺钉，降低振动传感器的安装共振频率，使发动机的高频振动避开振动传感器的安装共振频率，如图7所示；然后，若出现上述手段无法排除的低频干扰，则继续运转航空发动机，使振动传感器在高温涡轮机匣处充分受热，待FFT振动频谱中的低频干扰现象消失，即可排除热释电效应；最后，在排除干扰后，按航空发动机的振动测试程序进行开车测振，最后所得到的结果如图8所示。从图8中可看出，低频干扰消失，指定频带范围内的振动总量正常。与此同时，对于该正常频谱，可对发动机低频信号进行有效地测取，并为后续需要提供支持。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101，安装测振系统，将振动传感器安装在航空发动机高温涡轮机匣测点，并依次与电荷放大器和频谱分析仪电信号连接；

S102，调整所述频谱分析仪的采样频率，使采样频率至少大于所述振动传感器共振频率的2倍；

S103，启动航空发动机进行振动测试，观察所述频谱分析仪显示的FFT频谱，判断在指定频带范围内是否出现呈指数衰减的低频干扰现象；

S104，在指定频带范围内出现呈指数衰减的低频干扰现象时，判断所述振动传感器是否产生了共振；在所述振动传感器产生了共振时，滤除指定频带范围内呈指数衰减的低频干扰信号，

步骤S104具体包括：在指定频带范围内出现呈指数衰减的低频干扰现象时，查看振动传感器共振频率附近是否存在高频振动；在存在高频振动时，调取对应的原始时域信号，检查原始时域信号是否过载，在原始时域信号出现过载时，滤除指定频带范围内由于频率混叠产生的呈指数衰减的低频干扰信号，步骤滤除指定频带范围内由于频率混叠产生的呈指数衰减的低频干扰信号包括：下调电荷放大器的高频截止频率，并使高频截止频率不小于待测振信号的频率的上限，滤除指定频带范围内振动传感器的高频安装共振区；

还包括步骤S105，持续运转航空发动机，使振动传感器受热均匀，滤除除航空发动机高温涡轮机匣部位振动测试过程中由于热释电产生的呈指数衰减的低频干扰。

2.根据权利要求1所述的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，其特征在于，

步骤滤除指定频带范围内由于频率混叠产生的呈指数衰减的低频干扰信号包括：

在所述振动传感器靠近机匣的表面上安装减震垫，并通过固定螺钉使减震垫和振动传感器固定在机匣的表面上，以降低所述振动传感器的安装共振频率，使航空发动机的高频振动避开所述振动传感器的安装共振频率，滤除指定频带范围内呈指数衰减的低频干扰信号。

3.根据权利要求2所述的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，其特征在于，

在步骤S103之前，确保所述测振线缆靠近航空发动机的一端固定牢固，并确保所述测振线缆无破损或鼓泡，以排除航空发动机高温涡轮机匣部位振动测试过程中由于摩擦生电产生的呈指数衰减的低频干扰。

4.根据权利要求3所述的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，其特征在于，

还包括步骤S106，通过所述频谱分析仪显示的FFT频谱，计算航空发动机高温涡轮机匣部位振动总量。

5.根据权利要求1所述的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，其特征在于，

提高所述电荷放大器的量程，使所述电荷放大器的量程大于所述振动传感器的共振幅度。

6.根据权利要求4所述的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，其特征在于，

所述振动传感器的安装共振频率在14kHz至16kHz范围内。

7.根据权利要求2所述的航空发动机高温涡轮机匣部位的振动测试方法，其特征在于，

所述减震垫的材料为不锈钢。

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