CN115717866A - 一种测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置，包括数据采集处理系统、光纤阵列、光纤探头组，所述光纤探头组包括至少两个光纤探头，所述光纤探头沿弦向安装在机匣上，每一个所述光纤探头相对于转轴的轴向位置各不相同，所述光纤阵列具有与所述光纤探头数量相匹配的光纤，所述光纤探头通过所述光纤阵列的光纤连接至所述数据采集处理系统，所述数据采集处理系统采集和处理所述光纤探头组采集的数据，所述数据采集处理系统被配置为计算所述叶片的稳态变形。本发明还公开了测量机匣内部旋转叶片稳态变形的方法。本发明可同时得到周向平移、轴向平移和反扭角度三个参数，计算精度高。

Description

一种测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置及方法

技术领域

本发明涉及旋转叶片测量技术领域，尤其涉及一种测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置及方法。

背景技术

叶片是叶轮机械最重要的工作部件之一，在叶轮机械运行过程中，叶片的静态变形是叶片的关键运行参数，该参数可分为轴向移动、平移和扭转，如果没有可靠的测量方法，研发人员往往难以准确测量叶片静态变形。现有的测量位于机匣内部、处于旋转状态的叶片稳态变形量的装置和方法有以下几种。

三坐标测量仪法，是叶片质检时检测外形的先进手段，依靠灵敏的接触式探针和高精度的位移机构测量叶片外形，精度高。然而，三坐标测量仪设备体积与机床相当，无法应用于机匣内部旋转叶片的测量。

三维扫描仪法，使用结构光扫描法快速测量叶片外形，比三坐标测量仪法效率高，但精度略低。然而，在测量处于机匣内部的叶片时，其光路受到遮挡，无法开展测量。

光学消转仪与高速摄影仪法，直接拍摄叶片外形，原理简单。但当叶片处于机匣内部时，照明和拍摄光路受到遮挡，无法开展测量。此外，当转速较高时，测量精度也较差。

基于叶尖定时的非接触式测量技术有以下几种。

弦线拟合法，将叶片考虑为一维模型，视为叶片的稳态变形仅包含垂直于弦向的平移，利用一个叶尖传感器和预设的叶片安装角计算得到平移的距离。但实际上，真实的发动机叶片具有三维的造型，发生的变形也具有三维特征。这种方法不能实现对轴向平移、周向平移和扭转同时精确测量，不具有实用性，不能提供设计人员所需的参数。尤其是，趋势项法会错误地将扭转和轴向平移引起的变化归结于垂直于弦向的平移，从而导致极大误差。

前向拟合法，考虑了叶片压力面的叶型，和五种类型的叶顶运动形式，通过指定运动形式，拟合出叶片在这种运动形式下移动的距离。这种方法没有考虑叶片不同运动形式之间的耦合，导致计算结果准确度很低。

除此之外，弦线拟合法和前向拟合法仅使用了叶片到达时间进行计算，实际使用过程中叶片沿弦向的变形分辨力很低。

因此，本领域的技术人员致力于提供一种测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置及方法，解决现有测量装置旋转叶片稳态变形测量方法不完善，仅能测量叶片平移这一单一静态变形参数的问题，实现对静态变形的轴向移动和扭转的精确测量，提高静态变形测量的能力。

发明内容

有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够对叶片静态变形的周向、轴向和扭转进行精确测量的测量装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置，用于叶片的稳态变形测量，所述叶片安装在转轴上，所述叶片和所述转轴位于机匣内，包括数据采集处理系统、光纤阵列、光纤探头组，所述光纤探头组包括至少两个光纤探头，所述光纤探头沿弦向安装在所述机匣上，每一个所述光纤探头相对于所述转轴的轴向位置各不相同，所述光纤阵列具有与所述光纤探头数量相匹配的光纤，所述光纤探头通过所述光纤阵列的光纤连接至所述数据采集处理系统，所述数据采集处理系统采集和处理所述光纤探头组采集的数据，所述数据采集处理系统被配置为计算所述叶片的稳态变形。

进一步地，所述光纤探头采集所述叶片的到达和离开时间。

进一步地，所述叶片的稳态变形包括叶顶前缘点的位移d、叶顶投影曲线前缘点的反扭角度ψ。

进一步地，所述叶顶前缘点的位移d包括周向位移Δζ和轴向位移Δη。

优选地，所述光纤探头组用电容传感器或电涡流传感器代替。

本发明还提供了一种测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将所述光纤探头组安装在机匣上，记录所述光纤探头的安装角

和

步骤2、启动叶轮机，由数据采集处理系统采集叶片到达与离开的数据，计算周向位置偏移量ζ^offset和轴向位置偏移量η^offset；

步骤3、在相同光纤探头配置下运行叶轮机，由数据采集处理系统采集叶片到达与离开的数据，计算ψ，Δζ，Δη。

进一步地，步骤2具体包括：

启动叶轮机，使叶片工作于低转速低气动力下；

由数据采集处理系统采集叶片到达与离开的数据，直至叶片旋转n_rev圈；

计算压力面的初始参数；

建立目标函数，求解最优化问题，得到ζ^offset和η^offset。

进一步地，压力面的初始参数为：

建立的目标函数为：

最优化求解方式为：

min e_pre∩suc

进一步地，步骤3具体包括：

在与步骤2相同的光纤探头配置方案下，启动叶轮机，运行在稳定工况下；

由数据采集处理系统采集叶片到达与离开的数据；

计算参数点的初始坐标；

建立目标函数，求解最优化问题，得到ψ，Δζ，Δη。

进一步地，参数点的初始坐标为：

目标函数为：

最优化求解方式为：

min e_pre∩suc

ψ_min＜ψ＜ψ_max,

s.t.Δζ_min＜Δζ＜Δζ_max,

Δη_min＜Δη＜Δη_max.。

本发明至少具有如下有益技术效果：

1、本发明实现了通过非接触方式获取运转于机匣内部叶片的稳态变形的功能，可同时计算周向平移、轴向平移和反扭角度三个参数，技术难度低，易于维护。

2、本发明可融合叶片到达时间和叶片离开时间两个特征，提高了计算精度，尤其提高了叶片沿弦向的变形大小的计算精度；本发明的计算方法能够融合超过2支传感器的数据，进一步提高了计算精度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明实施例的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置示意图；

图2是本发明实施例的测量原理示意图；

图3是本发明实施例的计算原理示意图；

图4是本发明实施例的标定结果示意图；

图5是本发明实施例的测量结果示意图。

具体实施方式

以下介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提供了一种测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置及测量方法，实现对叶片静态变形的周向移动、轴向移动和扭转的精确测量，提高静态变形测量的能力。

如图1所示，本实施例的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置，用于叶片3的稳态变形测量，叶片3沿转轴4的周向设置，并随转轴4旋转；叶片3和转轴4设于机匣2内。本实施例的测量装置包括一套叶尖定时系统1，具体由数据采集处理系统101、光纤阵列102、光纤探头组103组成，光纤探头组103的光纤探头沿弦向安装在机匣2上，并且每一支光纤探头相对于转轴4的轴向位置不同。光纤探头组103的每一个光纤探头分别通过光纤阵列102的光纤连接至数据采集处理系统101，光纤探头组103中的每一个光纤探头都能够探测到叶片3的到达和离开，将探测信号通过光纤阵列102传输给数据采集处理系统101，由数据采集处理系统101记录叶片3到达和离开的时间，通过数据处理计算叶片3的稳态变形。

如图2和图3所示，叶片3的变形可由叶顶前缘点的位移d和叶顶投影曲线绕前缘点的反扭角度ψ来表示，前缘点的位移d又可以分解为周向位移Δζ和轴向位移Δη两个分量，即叶片3的变形可以用三个参数来描述：反扭角度ψ、周向位移Δζ、轴向位移Δη。

在以上实施方式中，光纤探头组103也可以用电容传感器或电涡流传感器代替。

本实施例的测量装置的测量原理如下。

为区分光纤探头和叶片的相对运动，设置两个参考系，第一个参考系为固定在转轴4上并与转轴4一同旋转的转子参考系，第二个参考系为固定在机匣2上的机匣参考系。假设转轴4在时间t内旋转φ(t)角度，则两个参考系之间存在变换：

ζ^C＝ζ^R+r_LEφ(t)， (1)

η^C＝η^R+η^offset， (2)

式中，上标C表示机匣参考系，上标R表示转子参考系。如果转子和机匣在轴向上的相对位置设计完全相同，则η^C应等于η^R。由于装配精度的限制以及转子的轴向运动，转子通常偏离设计。为了补偿误差，公式(2)中包含了偏移量η^offset。

将光纤探头组103中第i个光纤探头的周向位置记作

轴向位置记作

当一个叶片在第n次旋转中扫过它时，数据采集处理系统101测出到达时间或离开时间t_i,n，此时转轴4转过的角度φ(t_i,n)，r_LE为叶片前缘半径，此时有：

在转子坐标系上表达为：

由于加工精度的限制，光纤探头组103中每一个光纤探头的实际安装位置可能不同于设计位置。通常，所有光纤探头的轴向误差较小且一致，可以简单地用一个变量η^offset来表示。光纤探头的周向安装误差也可以在运行过程中通过BTT传感器进行校准，校准后，有：

上式中，φ'_i,n＝φ_i,n-2π(n-1)，

为周向安装误差，

在转速恒定的理想状态下，φ'_i，n在任意一圈的数值应恒定，可以用一个常数

代替，公式(7)化为：

当转速存在微小波动时，每圈采样到φ'_i,n会在理想的

上下波动，可以通过多圈平均标定获得：

用

代替式(9)中的

可得：

保持在稳定的转速下运行，可利用所测得的

和

计算出叶顶外型的初始状态坐标：

计算出的初始点位置应满足：

在式(13)中，η₀是一个已知的函数，

包含两个待标定的变量η^offset和

式(12)中需要求解三个变形参数：反扭角度ψ、周向位移Δζ、轴向位移Δη。为了使问题有唯一解或最小二乘解，方程的数目必须等于或大于未知数的个数(3个)。考虑到每一个光纤探头可以采集叶片到达时间和离开时间两个特征，因此，本实施例需要光纤探头组103包含至少两个光纤探头，从而采集到四个特征，使方程适定。传感器数量越多，测量精度越高。

光纤探头在圆周方向上分布在一个有限的小范围内，可以精确测量其相对位置，并且不会受到外壳热变形的显著影响。因此，实际光纤探头位置可以用其设计位置加上周向偏移量ζ^offset来表示：

为了标定ζ^offset和η^offset，本实施例要求保持转子在低速低气动载荷下运行。在此期间，数据采集处理系统101采集数据。在低速低气动载荷情况下，叶片变形可以忽略，可令ψ＝Δζ＝Δη＝0，通过求解如下优化问题即得到ζ^offset和η^offset。

min e_pre∩suc

上式中目标函数的表达式为：

最后，测量耦合静态变形参数的任务即可以通过解决以下最优化问题来完成：

min e_pre∩suc

ψ_min＜ψ＜ψ_max,

s.t.Δζ_min＜Δζ＜Δζ_max,

Δη_min＜Δη＜Δη_max. (17)

需要注意的是，式(15)和(17)具有相同的目标函数，不同之处在于，在式(15)中，变形参数ψ＝Δζ＝Δη＝0，求解的是标定参数ζ^offset和η^offset；在式(17)中，标定参数ζ^offset和η^offset为已知，求解的是变形参数，即高转速、大负荷工况下的反扭角度ψ、周向位移Δζ、轴向位移Δη。

因此，本实施例的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的测量方法如下：

1、将光纤探头组安装在机匣上，记录安装角

和

2、启动叶轮机，使叶片3工作于低转速低气动力下，数据采集处理系统101采集叶片到达与离开的数据，直至旋转n_rev后，计算压力面的初始参数：

建立如式(16)的目标函数，根据式(15)求解最优化问题计算ζ^offset和η^offset。典型的标定结果如图4所示。

3、采用与上述步骤相同的光纤探头配置，启动叶轮机，运行在任意所需测量的稳定工况下，数据采集处理系统101采集叶片到达与离开的数据，计算参数点的初始坐标：

建立如式(16)所示的目标函数，根据式(17)求解最优化问题计算ψ、Δζ、Δη。典型的标定结果如图5所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到。

Claims (10)

1.一种测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置，用于叶片的稳态变形测量，所述叶片安装在转轴上，所述叶片和所述转轴位于机匣内，其特征在于，包括数据采集处理系统、光纤阵列、光纤探头组，所述光纤探头组包括至少两个光纤探头，所述光纤探头沿弦向安装在所述机匣上，每一个所述光纤探头相对于所述转轴的轴向位置各不相同，所述光纤阵列具有与所述光纤探头数量相匹配的光纤，所述光纤探头通过所述光纤阵列的光纤连接至所述数据采集处理系统，所述数据采集处理系统采集和处理所述光纤探头组采集的数据，所述数据采集处理系统被配置为计算所述叶片的稳态变形。

2.如权利要求1所述的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置，其特征在于，所述光纤探头采集所述叶片的到达和离开时间。

3.如权利要求1所述的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置，其特征在于，所述叶片的稳态变形包括叶顶前缘点的位移d、叶顶投影曲线前缘点的反扭角度ψ。

4.如权利要求3所述的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置，其特征在于，所述叶顶前缘点的位移d包括周向位移Δζ和轴向位移Δη。

5.如权利要求1所述的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置，其特征在于，所述光纤探头组用电容传感器或电涡流传感器代替。

6.如权利要求1-5任一项所述的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将所述光纤探头组安装在机匣上，记录所述光纤探头的安装角

和

步骤2、启动叶轮机，由数据采集处理系统采集叶片到达与离开的数据，计算周向位置偏移量ζ^offset和轴向位置偏移量η^offset；

步骤3、在相同光纤探头配置下运行叶轮机，由数据采集处理系统采集叶片到达与离开的数据，计算ψ，Δζ，Δη。

7.如权利要求6所述的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置的测量方法，其特征在于，步骤2具体包括：

启动叶轮机，使叶片工作于低转速低气动力下；

由数据采集处理系统采集叶片到达与离开的数据，直至叶片旋转n_rev圈；

计算压力面的初始参数；

建立目标函数，求解最优化问题，得到ζ^offset和η^offset。

8.如权利要求7所述的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置的测量方法，其特征在于，压力面的初始参数为：

建立的目标函数为：

最优化求解方式为：

min e_pre∩suc

9.如权利要求8所述的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置的测量方法，其特征在于，步骤3具体包括：

在与步骤2相同的光纤探头配置方案下，启动叶轮机，运行在稳定工况下；

由数据采集处理系统采集叶片到达与离开的数据；

计算参数点的初始坐标；

建立目标函数，求解最优化问题，得到ψ，Δζ，Δη。

10.如权利要求9所述的测量机匣内部旋转叶片稳态变形的装置的测量方法，其特征在于，参数点的初始坐标为：

目标函数为：

最优化求解方式为：

min e_pre∩suc

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