CN112880811B - 一种移动直线拟合的无键相叶尖定时测振方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动直线拟合的无键相叶尖定时测振方法，属于旋转机械无键相叶片振动测量技术领域。本发明包括以下步骤：首先，在标定工况下，随机选择一组数据得到相邻叶片的夹角并建立叶片的标准顺序；然后，在标定工况下，标定各通道测量的相邻叶片的夹角和识别各通道测量的叶片顺序；最后，在实验工况下，先对各通道测量的叶片顺序进行识别，再利用移动直线拟合的方法得到计算每个叶片振动的最优参考时间，从而进一步计算叶片的振动位移。通过与有键相法的计算结果对比，本发明完全可以替代有键相法进行叶片振动测量，而且测量精度更高。

Description

一种移动直线拟合的无键相叶尖定时测振方法

技术领域

本发明属于高速旋转叶片振动测量技术领域，特别是基于叶尖定时技术的无键相叶片振动测量方法。

背景技术

高速旋转叶片在工作时，由于不稳定气流载荷、离心力和转子不平衡等因素会使叶片产生振动。叶片的振动会导致高周疲劳(HCF)，HCF会导致叶片失效，降低叶片的耐久性和寿命，造成叶片脱落、裂纹和折断等故障，甚至会产生严重的安全事故。因此，叶片的振动监测和早期故障预警对旋转机械机组的安全运行至关重要。自20世纪60年代开始，为了提高旋转叶片振动测量系统，适应旋转机械高转速、叶片振动测量高精度的需求，基于非接触式的叶片振动测量技术被广泛研究。其中，叶尖定时技术是叶片振动非接触测量的研究热点。

叶尖定时测振技术的原理是通过安装在机匣上的定时传感器连续感知叶尖到达传感器的时间，然后通过安装在转轴附近的键相传感器确定叶尖到达传感器的期望时间，最后根据叶片到达传感器的时间差提取叶片的振动信息。有键相法的叶尖定时测振技术需要安装键相信号测量系统，而无键相法的叶尖定时技术则不需要安装键相系统。有键相法在稳定的工况下，能够准确的测量叶片的振动。然而，在实际应用中，大部分旋转机械是封闭式或者半封闭式的，键相系统安装困难或者无法安装。另外，旋转机械在恶劣的工况下运行或转速变化较大时，有键相法的测量误差较大。键相系统的不稳定性也会导致键相信号的失效。因此，研究高精度的无键相叶片振动测量技术能够有效克服有键相法的不足，提高叶尖定时技术的适用性，对旋转机械叶片振动监测和早期故障预警有着重要的意义。

发明内容

本发明针对有键相法叶尖定时的不足和测量精度低的问题，提出一种移动直线拟合的无键相叶尖定时测振方法。本发明从不同叶片开始移动选择一圈叶尖定时数据，然后利用直线拟合，得到中间点(转子转过的弧度为π)的期望到达时间，利用该点的期望到达时间计算转过弧度最接近π点的叶片的期望到达时间，最后根据叶片的到达传感器的时间差提取叶片的振动信息。本发明取消了键相系统，在没有键相信号的情况下，可以代替有键相法高精度的测量叶片的振动。

本发明的技术方案：

一种移动直线拟合的无键相叶尖定时测振方法，步骤如下：

第一步：旋转叶片低速运行，采集叶尖定时数据。随机选择m+1圈叶尖定时数据

定义

中叶片的顺序为标准顺序。根据随机选择的叶尖定时数据计算相邻叶片的夹角Δa_i：

其中，

表示第n圈叶片i到达定时通道的实际时间，i表示叶片的编号，n表示转过的圈数，r表示随机选择的叶尖定时数据，N_b表示叶片的数量；

第二步：在标定工况下或实验工况下，选择m+1圈叶尖定时数据

计算每个通道测量的相邻叶片的夹角

其中，

表示第n圈叶片i到达通道p的实际时间，p表示通道的编号。

在标定工况下，旋转叶片低速运行，叶尖无振动。根据公式(2)标定通道p测量的相邻叶片的夹角Δa_(i,p)。标定工况下得到的Δa_(i,p)用于识别通道p测量的叶片顺序和计算叶片振动位移。

在实验工况下，取100圈叶尖定时数据根据公式(2)计算通道p测量的相邻叶片的夹角Δa_(i,p)。实验工况下得到的Δa_(i,p)用于识别通道p测量的叶片顺序；

第三步：基于第一步建立的叶片标准顺序，根据Δa_i和Δa_(i,p)识别通道p测量的叶片顺序。

首先，计算Δa_i和cyc(Δa_(i,p),q)的差值

其中，cyc(Δa_(i,p),q)表示Δa_(i,p)序列向左循环移位q项。

然后，计算

的标准差σ_p(q)：

当σ_p(q)取最小值，其索引q表示通道p测量的第q号叶片对应叶片标准顺序的第1号叶片。同理，每个通道测量的叶片顺序都可以通过公式(3)和公式(4)确定；

第四步：基于叶尖定时的叶片振动测量。

调整叶片转子的速度，在不同实验工况下，采集和保存叶尖定时数据。各通道的叶片振动测量是相互独立的，叶片振动计算过程如下：

a.取通道p采集的100圈叶尖定时数据，重复第二步和第三步的计算过程。根据叶片顺序的识别结果，按照叶片标准顺序对叶尖定时数据进行重新排序。

b.从i号叶片截取转子转过一圈的叶尖定时数据，数据长度为N_b+1，选择的时间序列为

根据第二步标定的结果

得转子转过的弧度序列为

定义i号叶片转过的弧度为0，所以不同叶片到达通道p时转子转过弧度的计算公式有：

其中，j表示序列φ^(i,p)的索引。当i+j-2＞N_b，

c.将弧度序列和时间序列进行直线拟合，根据拟合结果计算转子转过弧度π的理论到达时间

然后将

作为第

号叶片振动位移计算的参考时间；

d.重复步骤b和c，从不同的叶片编号选择一圈叶尖定时数据，利用直线拟合的方法得到每个叶片振动位移计算的参考时间；

e.当叶片数为偶数时，根据

可得到叶片编号为

叶片的振动位移

其中，当N_b/2+i＞N_b,N_b/2+i＝i-N_b/2。R表示叶尖旋转半径，Ω表示转子的平均速度：

转子转过一圈，计算所有的叶片的振动位移需要重复移动拟合过程N_b次，得到的振动位移序列有：

当叶片数为奇数时，根据

可得到叶片编号为

和

的振动位移：

转子转过一圈，计算所有的叶片的振动位移需要重复移动拟合过程(N_b+1)/2次，得到的振动位移序列有：

f.重复a-e的过程，得到其它通道测量的叶片振动位移。

以上所述的第一步至第四步是针对叶尖定时测振技术在没有键相信号的条件下，实现了一种移动直线拟合的无键相叶尖定时测振方法。

本发明的有益效果：本发明属于无键相叶片振动测量方法。本发明认为利用直线拟合一圈的叶尖定时数据时，转子转过弧度π点的拟合效果最优，并将该点的拟合结果作为参考用来计算靠近该点的叶片的振动位移。本发明取消了键相系统，能够代替有键相法进行叶片振动的测量，提高了叶尖定时技术的适用性和可靠性。同时，本发明也属于多参考叶片振动计算方法，可以减小转速波动对叶片振动计算结果的影响，提高了叶片振动测量精度。

附图说明

图1为计算相邻叶片夹角和建立叶片标准顺序的结果；

图2为各通道测量的叶片顺序识别结果；

图3为各通道标定的相邻叶片的夹角结果；

图4为变速工况下，本发明和有键相法测量的叶片振动位移结果；图4(a)为有键相法，图4(b)为本发明；

图5为变速工况下，本发明和有键相法测量的叶片共振曲线结果；图5(a)为有键相法，图5(b)为本发明；

图6为恒速工况下，本发明和有键相法测量的叶片振动位移结果；图6(a)为有键相法，图6(b)为本发明；

图7为恒速工况下，本发明和有键相法测量的叶片振动的标准差结果；图7(a)为有键相法，图7(b)为本发明；

图8为本发明的叶片振动位移计算的示意图；图8(a)为叶片数为偶数时，移动直线拟合计算叶片振动位移示意图；图8(b)为叶片数为奇数时，移动直线拟合计算叶片振动位移示意图；

图9为本发明的叶片振动测量流程图。

具体实施方式

以下为结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。实施例的数据来自于叶尖定时测振实验台。该叶尖定时实验台主要由驱动电机、叶盘和带有磁铁激励的保护罩组成，叶盘直接安装在电机的输出轴上，叶片数为32，电机的额定运行转速12000rpm，通过变频器可实现变速扫频和恒定转速运行工况。叶尖定时测振系统主要由光纤传感器、霍尔传感器、光电前放、信号调理模块、计数器和基于LabVIEW开发的采集和处理程序组成。

第一步：计算相邻叶片的夹角和建立叶片的标准顺序。

拆掉保护罩上的磁铁激励，调节电机转速为1800rpm，存储叶尖定时信号，数据长度1min。根据通道1的数据，利用公式(1)计算叶片的相邻夹角Δa_i，并建立叶片的标准顺序如图1所示。

第二步：标定各通道相邻叶片的夹角和识别各通道叶片顺序识别。

根据公式(2)标定通道2和通道3的相邻叶片的夹角Δa_i ^p，并根据公式(3)和(4)对通道2和通道3的叶片顺序进行识别，如图2所示。根据叶片顺序的识别结果，对标定的相邻叶片的夹角重新排序，如图3所示。

第三步：基于叶尖定时技术的叶片振动测量。

a.在保护罩上沿圆周方向上均匀安装12个磁铁激励，通过调节电机转速，在多工况下进行叶片振动测量试验，包括变速实验和恒速实验，实时采集和保存叶尖定时数据

b.取每个通道测量的100圈的叶尖定时数据根据公式(2)计算每个通道测量的相邻叶片的夹角，然后重复公式(3)和公式(4)确定每个通道测量的叶片顺序，并对叶尖定时数据进行重新排序。各个通道之间叶片振动位移计算过程是相同且独立的，首先计算通道1测量的叶片振动。

c.从i号叶片开始选择一圈的叶尖定时数据

数据长度为33。假设叶片i转过的弧度为0，根据公式(5)可得各叶片到达传感器时，转子转过的弧度序列为

然后利用直线拟合得到转子转过弧度为π的参考时间

d.根据c中得到的

利用公式(6)和公式(7)计算叶片编号为(16+i)的振动位移。

e.同样，从其它叶片开始选择一圈叶尖定时数据，重复c和d的过程可以得到其它叶片的振动位移。

f.重复c-e的过程，得到其它通道测量的叶片振动位移。

图4对本发明和有键相法在变速工况下得到的叶片振动位移的结果进行了对比，从图中可以发现两种方法测量的叶片振动位移曲线基本相同。

图5对本发明和有键相法在变速工况下得到的叶片共振曲线的结果进行了对比，从图中可以发现两种方法测量的叶片共振曲线基本重合，且本发明得到共振曲线更加光滑。

图6对本发明和有键相法在恒速工况下得到的叶片振动位移的结果进行了对比，从图中可以发现两种方法测量的叶片振动位移曲线基本相同，但是有键相法的振动幅值变化较大。

图7对本发明和有键相法在恒速工况下得到的叶片振动的标准差进行了对比，从图中可以发现本发明的测量精度比有键相法的测量精度高。

Claims (1)

1.一种移动直线拟合的无键相叶尖定时测振方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：在标定工况下，旋转叶片低转速运行，采集叶尖定时数据；随机选择m+1圈叶尖定时数据

计算相邻叶片的夹角Δa_i：

其中，

表示第n圈叶片i到达定时通道的实际时间，i表示叶片的编号，n表示转过的圈数，r表示随机选择的叶尖定时数据，N_b表示叶片的数量；

定义

中叶片的顺序为标准顺序；在以后的试验中，根据Δa_i确定各通道测量的叶片顺序；

第二步：在标定工况下或实验工况下，选择m+1圈叶尖定时数据

计算各通道测量的相邻叶片的夹角Δa_(i,p)：

其中，

表示第n圈叶片i到达通道p的实际时间，p表示通道的编号；

在标定工况下，旋转叶片低速运行，叶尖无振动； 根据公式(2)标定通道p测量的相邻叶片的夹角Δa_(i,p)；标定工况下得到的Δa_(i,p)用于识别通道p测量的叶片顺序和计算叶片的振动位移；

在实验工况下，取100圈叶尖定时数据根据公式(2)计算通道p测量的相邻叶片的夹角Δa_(i,p)；实验工况下得到的Δa_(i,p)用于识别通道p测量的叶片顺序；

第三步：基于第一步建立的叶片标准顺序，根据Δa_i和Δa_(i,p)识别通道p测量的叶片顺序；

首先，计算Δa_i和cyc(Δa_(i,p),q)的差值

其中，cyc(Δa_(i,p),q)表示Δa_(i,p)序列向左循环移位q项；

然后，计算

的标准差σ_p(q)：

当σ_p(q)取最小值，其索引q表示通道p测量的第q号叶片对应叶片标准顺序的第1号叶片；同理，每个通道测量的叶片顺序都可以通过公式(3)和公式(4)确定；

第四步：基于叶尖定时的叶片振动测量；

调整叶片转子的转速，在不同实验工况下，采集和保存叶尖定时数据；各通道的叶片振动测量是相互独立的；叶片振动计算过程如下：

a.取通道p采集的100圈叶尖定时数据

重复第二步和第三步的计算过程；根据叶片顺序的识别结果，按照叶片标准顺序对叶尖定时数据进行重新排序；

b.从i号叶片截取转子转过一圈的叶尖定时数据，数据长度为N_b+1，选择的时间序列为

根据第二步标定的结果Δa_(i,p)，得转子转过的弧度序列为

定义i号叶片转过的弧度为0，所以各叶片到达通道p时，转子转过弧度的计算公式有：

其中，j表示序列φ^(i,p)的索引；当i+j-2＞N_b，

c.将弧度序列和时间序列进行直线拟合，根据拟合结果计算转子转过弧度π的理论到达时间

然后将

作为第

号叶片振动计算的参考时间；

d.重复步骤b和c，从不同的叶片编号开始选择一圈叶尖定时数据，利用直线拟合的方法得到每个叶片振动位移计算的参考时间；

e.当叶片数为偶数时，根据

得到叶片编号为

的振动位移

其中，当N_b/2+i＞N_b,N_b/2+i＝i-N_b/2； R表示叶尖旋转半径，Ω表示转子的平均速度：

转子转过一圈，计算所有的叶片的振动位移需要重复移动拟合过程N_b次，得到的振动位移序列有：

当叶片数为奇数时，根据

得到叶片编号为

和

的振动位移；

转子转过一圈，计算所有的叶片的振动位移需要重复移动拟合过程(N_b+1)/2次，得到的振动位移序列有：

f.重复a-e的过程，得到其它通道测量的叶片振动位移。

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