CN112763103A - 一种转子叶片的非接触动应力标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转子叶片的非接触动应力标定方法，包括：通过有限元仿真分析，建立叶尖振动位移与转子叶片动应力的标定关系；执行接触式和非接触测量试验，对转子试验台上的转子叶片，同时测量接触式动应力和非接触式叶尖振动位移，建立转子叶片的非接触式叶尖振动位移和接触式动应力的试验校准关系；通过对试验校准关系与所述标定关系的对比分析，对建立的标定关系进行验证。该非接触动应力标定方法具体应用于航空发动机转子叶片非接触动应力测量中，解决了现有方式中无法直接通过非接触测量技术测量出转子叶片的动应力的问题。

Description

一种转子叶片的非接触动应力标定方法

技术领域

本发明涉及但不限于飞行测试技术领域，尤指一种转子叶片的非接触动应力标定方法。

背景技术

传统的旋转叶片振动测量采用应变计测量法，该方法具有很大的局限性，涉及到发动机转子部件的改装，操作复杂，而且成本很高、使用时间短。

转子叶片叶尖振动的非接触测量技术是航空发动机研究领域的先进测试技术之一，也是航空发动机及飞机安全飞行的关键试飞技术之一。转子/压气机叶片的非接触叶尖振动测量技术的原理是利用安装在发动机静子机匣上的叶尖定时传感器，得到一系列脉冲信号，通过脉冲实际到达时间与预计到达时间差值计算出叶片的叶尖振动位移。

然而，无法直接通过非接触测量技术测量出转子叶片的动应力。

发明内容

本发明的目的：本发明实施例提供一种转子叶片的非接触动应力的标定方法，以解决现有方式中无法直接通过非接触测量技术测量出转子叶片的动应力的问题。

本发明的技术方案：本发明实施例提供一种转子叶片的非接触动应力标定方法，包括：

步骤1，通过有限元仿真分析，建立叶尖振动位移与转子叶片动应力的标定关系；

步骤2，执行接触式和非接触测量试验，对转子试验台上的转子叶片，同时测量接触式动应力和非接触式叶尖振动位移，建立转子叶片的非接触式叶尖振动位移和接触式动应力的试验校准关系；

步骤3，通过对所述试验校准关系与所述标定关系的对比分析，对建立的标定关系进行验证。

可选地，如上所述的转子叶片的非接触动应力标定方法中，所述步骤2在执行接触式和非接触测量试验之前，还包括：

步骤2a，建立非接触式叶尖振动位移测量的改装方案，安装多个非接触振动测量传感器；

步骤2b，建立接触式动应力测量的改装方案，进行转子叶片的接触式应变改装。

可选地，如上所述的转子叶片的非接触动应力标定方法中，所述步骤2a中的非接触式叶尖振动位移测量的改装方案，包括：

通过带有可移动滑块的固定支架，在转子试验台上转子叶盘外侧的周向上安装多个非接触振动测量传感器，并调整传感器的周向位置。

可选地，如上所述的转子叶片的非接触动应力标定方法中，所述步骤2b中的接触式动应力测量的改装方案，包括：

在每个叶片的叶背侧靠近根部位置各粘贴1个应变片，通过安装于转子转轴上的刷式滑环引电器进行数据的传输。

可选地，如上所述的转子叶片的非接触动应力标定方法中，所述步骤2包括：

步骤21，建立叶尖振动重构优化算法，用于非接触叶尖振动位移测量结果的处理；

步骤22，对转子叶片的非接触式叶尖振动位移进行测量，根据步骤21建立的叶尖振动重构优化算法对测量得到的非接触式叶尖振动位移数据进行处理，并通过剔除转速波动的干扰优化叶尖振动时域波形，得到非接触式叶尖振动位移的幅值；

步骤23，根据非接触式叶尖振动位移的幅值与接触式动应力测量装置测量得到的接触式动应力，建立转子叶片的非接触式叶尖振动位移和接触式动应力的试验校准关系。

可选地，如上所述的转子叶片的非接触动应力标定方法中，所述步骤1中的通过有限元仿真分析，建立叶尖振动位移与转子叶片动应力的标定关系，包括：

步骤11，建立转子叶片的有限元模型，对转子叶片真实的固定方式和运动方式进行分析，确定转子叶片有限元分析的边界条件；

步骤12，对转子叶片的动应力特性进行分析，得到转子叶片固有频率和临界转速的动应力特性参数，为试验验证方案的设计提供依据；

步骤13，对转子叶片进行多个转速点的谐响应分析，得到每个转速下叶尖振动位移与转子叶片动应力的关系曲线；

步骤14，根据多个转速下叶尖振动位移与转子叶片动应力的关系曲线，通过数据拟合得到用于表征标定关系的标定方程，方便工程应用。

可选地，如上所述的转子叶片的非接触动应力标定方法中，所述步骤2的测量试验方案，包括：

根据步骤12中得到的转子叶片的动应力特性参数，设计试验的转速试验点和试验方法，试验方法包括：采用气体激励的方法使转子叶片在指定主振频率下出现较大幅值的振动，提高叶尖振动信号的信噪比，用于接触式动应力和非接触式叶尖振动位移的试验校准关系的建立。

可选地，如上所述的转子叶片的非接触动应力标定方法中，步骤3之后还包括：

步骤4，基于对标定关系的验证结果，对步骤11中建立的转子叶片的有限元模型进行优化。。

本发明的优点：本发明实施例提供一种转子叶片的非接触动应力标定方法，基于有限元仿真分析，分析叶片动应力与叶尖振动位移的关系，并与转子试验台接触式/非接触式同步测量结果进行对比，从而建立起风扇叶片非接触动应力标定方法。本发明利用有限元仿真平台进行转子叶片动应力和叶尖振动位移虚拟标定，具有以下优点：1)节约成本和时间；2)可以进行反复修正和改进；3)可得到叶片各个位置的动应力分布情况和变化规律；4)可以在基本不改变方法流程的情况下，对不同发动机叶片进行虚拟标定，可扩展性强。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种转子叶片的非接触动应力标定方法的流程图；

图2为本发明实施例中一种非接触式叶尖振动位移测量的改装方案的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

基于背景技术中介绍的非接触测量技术，要想利用非接触叶尖振动测量技术获得转子叶片的动应力，就需要建立转子叶片动应力与叶尖振动位移的标定关系，从而通过测量获得的非接触叶尖振动位移计算得到转子叶片的动应力。就此，本发明实施例提出一种转子叶片的非接触动应力标定方法，该标定方法的作用是建立叶尖振动位移与应力关系，是非接触动应力测量的一个重要部分，可以应用于航空发动机转子叶片非接触动应力测量中。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明实施例提供的一种转子叶片的非接触动应力标定方法的流程图。如图1所示，本发明实施例提供的技术方案为：

通过转子叶片非接触式振动测量装置对转子叶片的非接触式叶尖振动位移进行测量，根据叶尖振动重构优化算法对叶尖振动位移数据进行处理，剔除转速波动等干扰因素的影响，优化叶尖振动时域波形，得到非接触式叶尖振动位移的幅值，与接触式动应力测量装置测量得到的接触式动应力建立转子叶片的非接触式叶尖振动位移和接触式动应力的实际关系，最后与根据有限元仿真得到的转子叶片动应力与叶尖振动位移的标定关系进行对比以验证仿真得到的标定关系。

本发明实施例的技术方案，基于仿真建立转子叶片动应力与叶尖振动位移标定关系，并通过试验室动态校准试验对此标定关系进行检验，从而形成一种用于转子叶片非接触动应力测量的动应力标定方法，该动应力标定方法可以应用于航空发动机转子叶片非接触动应力测量中。

以下对本发明实施例提供的转子叶片的非接触动应力标定方法中的详细步骤和各步骤的具体实施方式进行说明。该标定方法包括如下步骤：

步骤1，通过有限元仿真分析，建立叶尖振动位移与转子叶片动应力的标定关系；

步骤2，执行接触式和非接触测量试验，对转子试验台上的转子叶片，同时测量接触式动应力和非接触式叶尖振动位移，建立转子叶片的非接触式叶尖振动位移和接触式动应力的试验校准关系；

步骤3，通过对试验校准关系与标定关系的对比分析，对建立的标定关系进行验证。

本发明实施例中，在步骤2在执行接触式和非接触测量试验之前，还可以包括如下步骤：

步骤2a，建立非接触式叶尖振动位移测量的改装方案，安装多个非接触振动测量传感器；如图2所示，为本发明实施例中一种非接触式叶尖振动位移测量的改装方案的示意图。

步骤2b，建立接触式动应力测量的改装方案，进行转子叶片的接触式应变改装。

该步骤2b中建立的接触式动应力测量的改装方案，可以包括：在每个叶片的叶背侧靠近根部位置各粘贴1个应变片，通过安装于转子转轴上的刷式滑环引电器进行数据的传输。

如图2所示，本发明实施例中步骤2的具体实施过程，可以包括：

步骤21，建立叶尖振动重构优化算法，用于非接触叶尖振动位移测量结果的处理；

步骤22，对转子叶片的非接触式叶尖振动位移进行测量，根据步骤21建立的叶尖振动重构优化算法对测量得到的非接触式叶尖振动位移数据进行处理，并通过剔除转速波动的干扰优化叶尖振动时域波形，得到非接触式叶尖振动位移的幅值；

步骤23，根据非接触式叶尖振动位移的幅值与接触式动应力测量装置测量得到的接触式动应力，建立转子叶片的非接触式叶尖振动位移和接触式动应力的试验校准关系。

本发明实施例在具体实现方式中，步骤1的具体实施过程，可以包括：

步骤11，建立转子叶片的有限元模型，对转子叶片真实的固定方式和运动方式进行分析，确定转子叶片有限元分析的边界条件；

步骤12，对转子叶片的动应力特性进行分析，得到转子叶片固有频率和临界转速的动应力特性参数，为试验验证方案的设计提供依据；

步骤13，对转子叶片进行多个转速点的谐响应分析，得到每个转速下叶尖振动位移与转子叶片动应力的关系曲线；

步骤14，根据多个转速下叶尖振动位移与转子叶片动应力的关系曲线，通过数据拟合得到用于表征标定关系的标定方程，方便工程应用。

相应地，本发明实施例中步骤2的测量试验方案，包括：

根据步骤12中得到的转子叶片的动应力特性参数，设计试验的转速试验点和试验方法，试验方法包括：采用气体激励的方法使转子叶片在指定主振频率下出现较大幅值的振动，提高叶尖振动信号的信噪比，用于接触式动应力和非接触式叶尖振动位移的试验校准关系的建立。

进一步地，本发明实施例提供的动应力测量标定方法，在步骤3之后还可以包括：

步骤4，基于对标定关系的验证结果，对步骤11中建立的转子叶片的有限元模型进行优化。

本发明实施例提供的转子叶片的非接触动应力标定方法，基于有限元仿真分析，分析叶片动应力与叶尖振动位移的关系，并与转子试验台接触式/非接触式同步测量结果进行对比，从而建立起风扇叶片非接触动应力标定方法。本发明利用有限元仿真平台进行转子叶片动应力和叶尖振动位移虚拟标定，具有以下优点：1)节约成本和时间；2)可以进行反复修正和改进；3)可得到叶片各个位置的动应力分布情况和变化规律；4)可以在基本不改变方法流程的情况下，对不同发动机叶片进行虚拟标定，可扩展性强。

以下通过一个应用示例对本发明实施例提供的转子叶片的非接触动应力标定方法的实施方式进行说明。

该实施例在转子试验台上应用，在2300r/min时测量得到转子叶片的非接触式叶尖振动位移，并采用本发明实施例提供的标定方法计算得到转子叶片的非接触式动应力，从而将通过标定方法得到的转子叶片的非接触式动应力与接触式方法测得的接触式动应力进行对比，对比结果如表1所示。

表1 2300r/min时应变片测量换算的应力与非接触换算的应力对比

	B1	B2	B6	B12
					接触式测量值/MPa	8.55	7.73	8.78	6.66
非接触结果/MPa	9.30	7.18	8.18	7.12
					相对误差/％	7.98	-7.74	-7.36	6.47

由该实施例的对比结果可以看出，本发明实施例提供的转子叶片的非接触动应力标定方法可以用于非接触测量中，获得比较可靠的叶片动应力数据。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种转子叶片的非接触动应力标定方法，其特征在于，包括：

步骤1，通过有限元仿真分析，建立叶尖振动位移与转子叶片动应力的标定关系；

步骤2，执行接触式和非接触测量试验，对转子试验台上的转子叶片，同时测量接触式动应力和非接触式叶尖振动位移，建立转子叶片的非接触式叶尖振动位移和接触式动应力的试验校准关系；

步骤3，通过对所述试验校准关系与所述标定关系的对比分析，对建立的标定关系进行验证。

2.如权利要求1所述的转子叶片的非接触动应力标定方法，其特征在于，所述步骤2在执行接触式和非接触测量试验之前，还包括：

步骤2a，建立非接触式叶尖振动位移测量的改装方案，安装多个非接触振动测量传感器；

步骤2b，建立接触式动应力测量的改装方案，进行转子叶片的接触式应变改装。

3.如权利要求2所述的转子叶片的非接触动应力标定方法，其特征在于，所述步骤2a中的非接触式叶尖振动位移测量的改装方案，包括：

通过带有可移动滑块的固定支架，在转子试验台上转子叶盘外侧的周向上安装多个非接触振动测量传感器，并调整传感器的周向位置。

4.如权利要求2所述的转子叶片的非接触动应力标定方法，其特征在于，所述步骤2b中的接触式动应力测量的改装方案，包括：

在每个叶片的叶背侧靠近根部位置各粘贴1个应变片，通过安装于转子转轴上的刷式滑环引电器进行数据的传输。

5.如权利要求1所述的转子叶片的非接触动应力标定方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤21，建立叶尖振动重构优化算法，用于非接触叶尖振动位移测量结果的处理；

步骤22，对转子叶片的非接触式叶尖振动位移进行测量，根据步骤21建立的叶尖振动重构优化算法对测量得到的非接触式叶尖振动位移数据进行处理，并通过剔除转速波动的干扰优化叶尖振动时域波形，得到非接触式叶尖振动位移的幅值；

步骤23，根据非接触式叶尖振动位移的幅值与接触式动应力测量装置测量得到的接触式动应力，建立转子叶片的非接触式叶尖振动位移和接触式动应力的试验校准关系。

6.如权利要求5所述的转子叶片的非接触动应力标定方法，其特征在于，所述步骤1中的通过有限元仿真分析，建立叶尖振动位移与转子叶片动应力的标定关系，包括：

步骤11，建立转子叶片的有限元模型，对转子叶片真实的固定方式和运动方式进行分析，确定转子叶片有限元分析的边界条件；

步骤12，对转子叶片的动应力特性进行分析，得到转子叶片固有频率和临界转速的动应力特性参数，为试验验证方案的设计提供依据；

步骤13，对转子叶片进行多个转速点的谐响应分析，得到每个转速下叶尖振动位移与转子叶片动应力的关系曲线；

步骤14，根据多个转速下叶尖振动位移与转子叶片动应力的关系曲线，通过数据拟合得到用于表征标定关系的标定方程，方便工程应用。

7.如权利要求6所述的转子叶片的非接触动应力标定方法，其特征在于，所述步骤2的测量试验方案，包括：

根据步骤12中得到的转子叶片的动应力特性参数，设计试验的转速试验点和试验方法，试验方法包括：采用气体激励的方法使转子叶片在指定主振频率下出现较大幅值的振动，提高叶尖振动信号的信噪比，用于接触式动应力和非接触式叶尖振动位移的试验校准关系的建立。

8.如权利要求6所述的转子叶片的非接触动应力标定方法，其特征在于，步骤3之后还包括：

步骤4，基于对标定关系的验证结果，对步骤11中建立的转子叶片的有限元模型进行优化。

Images