CN112241600B - 一种使用叶尖计时及数字孪生模型的叶盘调频的测试与计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用叶尖计时及数字孪生模型的叶盘调频的测试与计算方法，通过叶尖计时系统获得叶片的初步标准失谐系数；构建叶盘的数字孪生模型，并对模型进行迭代更新，获得叶片的最终识别的标准失谐系数；计算获得叶片的测量的质量失谐系数；根据设计的叶片质量失谐系数，计算获得叶片的质量失谐加工量；进行叶盘的人工失谐加工。本方法通过叶尖计时系统对旋转态叶轮的所有叶片同时进行实时失谐识别，获得叶盘质量失谐加工量，进而进行人工失谐的加工。不需要叶轮从转子系统上拆卸后再进行专门的静态振动测试，而是在机器停止后，根据识别结果直接在叶片上进行去重或者配重，调节叶盘的失谐的状态，从而节约了时间及经济成本。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮叶片振动失谐识别及调频的测试与计算方法，尤其是涉及一种通过叶片非接触测量建立数字孪生模型并进行主动失谐设计的方法。
背景技术
涡轮机是国防和工业生产的关键设备，而叶片是涡轮机的核心部件，其健康状况对于涡轮机的安全、平稳、高效运行具有重大意义。由于叶片加工制造误差及运行磨损等因素，导致涡轮机叶盘出现失谐问题，进而导致部分叶片的振动幅值和应力明显高于其他叶片。在叶轮加工后一般均要进行主动失谐优化与调频设计加工。设计合理的叶盘失谐形式，调整叶片的动频，以保证叶轮的叶片最大振动幅值满足设计要求。另一方面，对于工作过一段时间后的叶轮，由于叶顶磨损等因素，叶轮的失谐状态也会发生改变，在对磨损叶轮进行检修过程中，对叶轮进行再次的调频设计和加工也是必要的。因此，对叶盘进行主动失谐优化及调频设计是叶轮设计和加工过程中的一项重要工作。
叶尖振动的非接触式测量方式为旋转态叶片的在线失谐识别提供了实现的可能，叶尖计时(Blade Tip Timing)方法是一种典型的叶片非接触测量方式。通过叶尖计时可以实时获得叶片在一定转速下的共振频率，为叶盘的在线失谐识别及建立数字孪生模型提供了可能。
主动失谐(Intentional Mistuning)即指人为失谐或人工失谐，主动失谐是相对于叶盘的自然失谐提出的。通过人为设计合理的叶盘失谐状态，对进行减振设计，达到提高叶盘寿命的目的。通常主动失谐设计关注的主要目标就是叶片的共振频率值，主要涉及到叶片的调频技术等。
传统的调频方法是对静态叶轮进频率测试，获得叶片的频率偏差，以叶片的频率偏差作为叶片调频加工依据。相对于叶尖计时的叶片旋转态测试方式，静态测试需对叶片逐一进行测试，相对耗费时间。
对比文件：
[1]王维民，户东方，赵芳慧.一种旋转态叶盘的失谐识别和模型更新方法[P].申请号：202010192402.1
[2]刘震，孙勇，等.一种燃气轮机压气机叶片调频设计方法[P].中国专利：申请号2019105902688
[3]贺进，李晓明，等.一种涡轮整体叶盘叶片固有频率调整结构及方法[P].中国专利：CN104314619B,2016.02.24
[4]张家忠，张文帆，曹盛力，王乐，党南南，张庆.一种避免叶轮振动中靶向能量传递现象发生的叶轮优化设计方法[P].中国专利：CN106499665A,2017.03.15
[5]段勇亮，臧朝平，Petrov E.P..主动失谐叶盘振动特性及鲁棒性研究[J].航空发动机,2015,(6):6-10
[6]陈玉刚.整体叶盘振动特性分析与硬涂层阻尼减振设计研究[D].大连理工大学,2017
[7]訾艳阳，王帅，李兵，陈景龙，曹宏瑞，成玮，张春林，万志国.一种离心压缩机裂纹叶轮结构的振动建模与分析方法[P].中国专利：CN103984813A,2014.08.13
[8]袁惠群，张亮，韩清凯，宋琳.基于蚁群算法的航空发动机失谐叶片减振排布优化分析[J].振动与冲击,2012,(11):169-172
[9]张家忠，李凯伦，康伟，雷鹏飞.一种避免振动局部化发生的离心叶轮优化设计方法[P].中国专利：CN102374190A,2012.03.14
[10]姚建尧，王建军，李其汉.基于振型节径谱的失谐叶盘结构动态特性评价[J].推进技术,2011,(5):645-653
[11]廖海涛，王建军，李其汉.随机失谐叶盘结构失谐特性分析[J].航空动力学报,2010,(1):160-168
[12]张家忠，李凯伦，康伟，雷鹏飞.一种避免振动局部化发生的离心叶轮优化设计方法[P].中国专利：CN102374190A,2012.03.14
[13]毕庆贞，尚海.针对失谐叶轮抗扰动的优化方法及系统[P].中国专利：CN109710993A,2019.05.03
发明内容
本发明提供一种使用叶尖计时及数字孪生模型的叶盘调频的测试与计算方法，对旋转态叶轮的所有叶片同时进行失谐识别，进而对叶盘进行主动失谐的调频加工。
本发明提出一种基于叶尖计时监测及有限元数字孪生模型技术的，快速实现调频设计的测试及加工应用方法。所述的叶尖计时测试与主动失谐的调频设计是统一一体的。叶尖计时测试是以最终的失谐设计为目标进行的，叶尖计时测试的结果用于计算最终的叶片主动失谐的质量失谐加工量。
本方法主要解决如何由叶尖计时方法在线获得叶片主动失谐加工量，避免在静态下对叶轮的所有叶片进行逐一的振动频率测试，以缩短叶轮的加工(或修复)的周期。这也是本发明的一大优点。该方法主要应用于透平机械中叶片在加工和叶轮修复过程中的主动失谐的调频设计与加工上。本发明方法不包括如何设计叶盘主动失谐形式，即本方法中设计的叶片质量失谐系数是已知的。
此外在本方法中，使用了对比文件[1]“一种旋转态叶盘的失谐识别和模型更新方法”中的失谐识别与数字孪生模型建立方法，获得测量的质量失谐系数。因此，本方法中预先获得参考叶片(即标准叶片)的静态响应频率，和指定转速下的响应频率。之后基于叶尖计时监测系统、依据本方法，快速地对同一批次、同型号的数个叶轮进行旋转态响应频率测试，进而完成主动失谐加工。
为实现上述目的，本方案采用如下技术方案：
(1)对同一个叶轮或同一批次、同型号的数个叶轮进行旋转态叶尖计时系统测试，依据对比文件[1]方法获得初步标准失谐系数——
(2)依据对比文件[1]方法构建数字孪生模型。对于函数
其中，为第i个迭代的数字孪生模型的第s个叶片的计算响应频率，/>为叶尖计时系统测试的第s个叶片的响应频率，a％为定义的允许误差数值。
以为迭代目标；对/>的值进行迭代，并对数字孪生有限元模型进行更新。当迭代的/>值满足/>的迭代目标条件时，即获得了最终识别的标准失谐系数/>迭代与更新方法如下文所述：
所述的对有限元模型进行更新，即对有限元模型的材料参数进行更新。材料参数的更新，依据对比文件[1]中标准失谐系数与叶片的材料参数关系进行。
依据对比文件[1]，对于标准失谐系数有
其中δms为质量失谐系数，δes为刚度失谐系数。在迭代计算中，假设δes＝0，有则有标准失谐系数与叶片的材料参数关系式：
其中，ρs为迭代的第s个叶片的等效密度值，ρo为初始的叶片的密度值。将所有叶片的ρs输入叶盘有限元模型中，获得迭代的有限元模型。由迭代的有限元模型计算获得迭代的叶片响应频率(其中/>表示第i个迭代的有限元模型的第s个叶片的特征频率)。由/>和测试的叶片响应频率/>获得/>函数值。以/>为判定条件，修正初始的/>数值，这样一次迭代完成。获得修正的/>再次带入式(3)进行相似的迭代步骤，直至由迭代修正的/>数值计算得到的叶片响应频率/>满足条件则此时的所有叶片的/>即为最终求取的/>
当最终求取的所有满足/>此时的所有/>即为最终识别的所有叶片的标准失谐系数/>
(3)由步骤2获得的最终识别的标准失谐系数计算获得测量的质量失谐系数：
(4)由测量的质量失谐系数δms，以及已知的设计的叶片质量失谐系数计算获得质量失谐加工量：
其中p为通过有限元预先获得的质量失谐转换系数。对于同一型号尺寸的叶轮，在叶轮失谐为较小程度时，p为定值。
(5)以计算获得质量失谐加工量ΔMMC为指导，进行主动失谐加工。
与传统调频测试与计算方法对比，本计算方法针对于旋转态的失谐叶盘，直接对旋转态叶轮的所有叶片进行振动测试，并计算获得其质量是的加工量。具有经济快速的特点。
基于叶尖计时系统的优点，应用本方法对同型号多个叶轮进行测试与调频设计时，本方法将更加经济快速。
综上所述，本发明旨在提供一种使用叶尖计时及数字孪生模型的叶盘调频的测试与计算方法。本方法可快速地通过叶尖计时测试系统，获得叶轮所有叶片的质量失谐加工量，从而快速完成主动失谐加工的设计。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了根据本发明公开的实施例的失谐识别和模型更新的流程图；
图中：
步骤101-叶盘旋转态叶尖计时系统测试；
步骤102-构建数字孪生模型及模型迭代更新；
步骤103-测量的质量失谐系数计算；
步骤104-质量失谐加工量计算，步骤105-叶片的主动失谐加工；
数据201-初步标准失谐系数
数据202-最终识别的标准失谐系数
数据203-测量的质量失谐系数δms；
数据204-设计的叶片质量失谐系数
数据205-质量失谐加工量ΔMMC。
图2示出了实施例中的失谐叶盘有限元模型图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
首先，对本申请可适用的应用场景进行介绍。本申请可以应用于国防和工业系统中，对涡轮机叶片进行主动失谐，以便控制叶片振动最大幅值，延长叶片寿命。
图1示出了根据本发明公开的实施例的失谐识别和模型更新的流程图。图中：步骤101-叶盘旋转态叶尖计时系统测试；步骤102-构建数字孪生模型及模型迭代更新；步骤103-测量的质量失谐系数计算；步骤104-质量失谐加工量计算，步骤105-叶片的主动失谐加工；数据201-初步标准失谐系数数据202-最终识别的标准失谐系数/>数据203-测量的质量失谐系数δms；数据204-设计的叶片质量失谐系数/>数据205-质量失谐加工量ΔMMC。
图2示出了根据本公开的实施例的失谐叶盘有限元模型图。
为实现本发明所述的使用叶尖计时及数字孪生模型的叶盘主动失谐的测试与计算方法，本方案采用如下技术方案流程：
步骤101-叶盘旋转态叶尖计时系统测试：获取数据201-初步标准失谐系数
本步骤依据对比文件[1]所述原理，现简要概述如下：
将叶盘扇区振动视为叶片主导振动模态，则每个叶片扇区振动状态可单独分离考虑。扇区振动动力学方程为：
其中是第s扇区第i阶特征值。/>为第i阶模态；Ms o,Gs o和Ks o分别为第s扇区自由度的谐调质量矩阵、谐调质量矩阵、谐调陀螺矩阵和谐调刚度矩阵；ΔMs,ΔGs o和ΔKs o分别为对应的失谐矩阵。
上式化简为单自由度模型为
其中和/>分别为谐调扇区等效质量、谐调扇区等效陀螺力、谐调扇区基于弹性模量的等效刚度和谐调扇区基于离心力的等效刚度；δms为质量失谐系数，δes为刚度失谐系数。
式(7)可写为：
其中
对于对应模态的特征频率ωi,s，ωi,s为/>的虚部。并且根据上式有
在式(8)中，有两个特征根，本文取其中一个特征根ωi,s进行分析，另一个特征根具有与ωi,s相同的性质，并且也能得到与本文最终结论相同的结论。
接下来针对两个叶片的特征频率进行分析：失谐叶片-s和标准叶片-o。标准叶片o在转速Ω1(Ω1＝0)和Ω2下对应的特征频率为和/>失谐叶片-s在转速Ω1(Ω1＝0)和Ω2下对应的特征频率为/>和/>以上四个特征频率值可写为
其中可表示为
其中Δsqr形式为
根据不等式关系有
因此可表示为
进而有
综上，考虑旋转效应的标准失谐因子表达式，即的证明完毕。初步标准失谐系数/>的计算方法即为式(1)。
依赖于叶尖计时系统获取旋转态叶片的响应频率，并代入式(1)中
依靠对比文件[1]所述计算方法，实现了在线识别计算失谐叶片的初步标准失谐系数的目的。
步骤102-构建数字孪生模型及模型迭代更新，获取数据202-最终识别的标准失谐系数列于表1中。
步骤102的具体实施细节为：由步骤101获得数据201-初步标准失谐系数后，由式(3b)计算获得每个叶片的等效密度ρs。将所有叶片的等效密度值ρs输入叶盘有限元模型中，获得迭代的有限元模型。由迭代的有限元模型计算获得迭代后的叶片响应频率/>(其中/>表示第i个迭代的有限元模型的第s个叶片的特征频率)。由/>和测试的叶片响应频率/>获得/>函数值。以/>为判定条件，修正初始的/>数值，这样一次迭代完成。获得修正的/>再次带入式(3b)进行相似的迭代步骤，直至由迭代修正的/>数值获得的计算叶片响应频率/>当/>满足条件/>则此时的/>即为最终求取的/>
本步骤相比于对比文件[1]所述方法，加入了迭代计算步骤，获得了更为精确的标准失谐系数数据202-最终识别的标准失谐系数/>相比于数据201-初步标准失谐系数误差更小。体现在：以/>为迭代目标；对/>的值进行迭代，并对数字孪生有限元模型进行更新，迭代的/>值满足/>的条件。也就是使用迭代的/>进行建模的有限元模型与实际叶盘在叶片响应频率这一特性上保持了很好的一致性。这种一致性程度具体取决于式/>中a的取值大小和迭代的步骤数。
表1：最终识别的标准失谐系数
步骤103-测量的质量失谐系数计算；将数据202-最终识别的标准失谐系数代入式(4)，计算获得数据203-测量的质量失谐系数δms，列于表2中。
表2：测量的质量失谐系数δms
| 叶片号 | δms(％) | 叶片号 | δms(％) |
| 1 | -1.17 | 7 | -0.99 |
| 2 | 0.00 | 8 | -0.18 |
| 3 | -0.14 | 9 | -2.05 |
| 4 | -1.96 | 10 | -0.99 |
| 5 | -0.99 | 11 | -1.03 |
| 6 | -0.94 | 12 | -0.94 |
步骤104-质量失谐加工量计算。将数据203-测量的质量失谐系数δms和数据204-设计的叶片质量失谐系数代入式(5)中。计算获得数据205-质量失谐加工量ΔMMC。本方法给出的已知的(即设计部门给出的叶片质量失谐设计系数)/>列于表3中，同时也列于表3中。
表3：设计的叶片质量失谐系数以及/>
步骤105-叶片的主动失谐加工：根据获得的对叶片进行主动失谐加工。叶片加工前后质量差为/>其中系数3.5为通过有限元计算的质量失谐转换系数。当ΔMMC＞0时，需对叶顶进行增材修复加工，当ΔMMC＜0时，需对叶顶进行磨削加工。此外采取何种加工方式还应考虑经济效益与叶顶间隙设计要求，本发明实例只针对主动失谐计算方法作举例说明。
本方法依赖于实时在线监测的叶尖计时系统和精准的叶盘数字孪生模型，实现了对在运行叶轮进行实时失谐识别及在线主动失谐设计的功能。运用本方法可以在叶轮运行过程中就对叶轮进行主动失谐加工量计算(对应步骤101至105的计算步骤)。在叶轮进行检修维护时，可直接进行叶片的主动失谐加工(对应步骤105中的加工步骤)，不必进行额外的叶轮静态振动测试等试验步骤。节省了叶轮的维护时间和维护成本。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种使用叶尖计时及数字孪生模型的叶盘调频测试与计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过叶尖计时系统对旋转态叶盘进行测试，获得叶片的初步标准失谐系数；
(2)建立叶盘数字孪生模型，并对数字孪生模型进行迭代更新，获得最终识别的标准失谐系数；
(3)由最终识别的标准失谐系数，计算获得叶片的测量质量失谐系数；
(4)根据设计的叶片质量失谐系数，计算获得叶片的质量失谐加工量；
测量的质量失谐系数δms，测量的质量失谐系数δms是由最终识别的标准失谐系数计算得到：
叶片的质量失谐加工量ΔMMC，ΔMMC由测量的质量失谐系数δms和设计的叶片质量失谐系数得到；质量失谐加工量计算方法为
其中p为通过有限元预先获得的质量失谐转换系数。
2.根据权利要求1所述的一种使用叶尖计时及数字孪生模型的叶盘调频测试与计算方法，其特征在于，由质量失谐加工量，进行叶片的主动失谐的调频加工。
3.根据权利要求1所述的一种使用叶尖计时及数字孪生模型的叶盘调频测试与计算方法，其特征在于，最终识别的标准失谐系数是由叶片的初步标准失谐系数进行迭代计算得到的，迭代步骤中包括对有限元模型的材料参数迭代更新。
4.根据权利要求1所述的一种使用叶尖计时及数字孪生模型的叶盘调频测试与计算方法，其特征在于，叶片的主动失谐的调频加工，叶片的加工依据为质量失谐加工量ΔMMC。
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