CN117664039A - 一种压气机叶片检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种压气机叶片检测方法及装置，涉及燃气轮机压气机的叶片检测技术，目的是为了解决现有压气机由于结构复杂，导致无法检测叶片裂纹的问题。上述方法包括：测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的流场、结构场和声场，得到标准数据；测量压气机的流场、结构场和声场，得到测量数据；将测量数据与标准数据进行比对，以获得压气机叶片状态，完成压气机叶片的测试。上述装置中，流场部分采用树脂进行3D打印进行加工；结构场部分的叶片通过榫槽插接在轮盘上，轮盘两侧设置有挡盘，支撑部分包括用于支撑所述进口流域机匣的前支撑座、用于支撑所述出口流域机匣的中支撑座和用于支撑所述结构场部分的后支撑座。

Description

一种压气机叶片检测方法及装置

技术领域

本发明涉及燃气轮机压气机的叶片检测技术。

背景技术

燃气轮机具有质量轻、体积小、功率大、启动快、污染小、热效率高、经济性好、可靠性高、寿命长等优点，被广泛用于电力、航空、船舶等邻域。燃气轮机体现一个国家在设计、材料、制造及自动控制等多学科、多领域的综合发展水平，被誉为制造业王冠上的明珠。轴流式压气机作为旋转机械的一种，是燃气轮机中不可或缺的一部分，在压气机工作时，压气机的转子需要以极高的转速旋转，旋转叶片(以下简称叶片)产生裂纹后，不仅会对旋转机械内流场的流动特性产生影响，影响压气机性能，还会对叶片-转子系统的动力学特性产生影响，造成机械异常振动，威胁机械的运行安全，甚至引起严重事故。

但是，由于压气机结构非常复杂，如果每次压气机运行异常时都拆卸叶片并检查叶片是否出现裂纹，将会耗费大量的时间和人力，检测效率极低。

发明内容

本发明的目的是为了解决或缓解以上问题，提出了一种压气机叶片检测方法及装置。

本发明的压气机叶片检测方法包括：测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的流场、结构场和声场，得到标准数据，所述压气机叶片安装在压气机叶片检测装置的叶片轮盘中，所述压气机叶片检测装置能够模拟压气机工作；测量压气机的流场、结构场和声场，得到测量数据；以及将所述测量数据与所述标准数据进行比对，以获得压气机叶片状态，完成压气机叶片的测试。

可选地，所述压气机叶片检测装置中叶片轮盘的转速低于所述压气机中叶片轮盘的转速。

可选地，测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的流场的步骤包括：在压气机叶片检测装置的出口处布置皮托管以及总压管，并将皮托管和总压管与压力扫描阀相连；测量不同转速下以及不同压气机叶片工况压气机叶片检测装置出口处的空气总压和静压。

可选地，测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的结构场的步骤包括：在所述压气机叶片检测装置的转轴的轴端联轴器处布置光电传感器，测量压气机叶片检测装置在不同转速下、压气机叶片在不同工况下的轴系扭振；在所述压气机叶片检测装置的转轴上布置电涡流位移传感器，测量压气机叶片检测装置在不同转速下、压气机叶片在不同工况下的的轴系横振；在所述压气机叶片检测装置的轴承座和机匣上布置加速度传感器，测量压气机叶片检测装置在不同转速下、压气机叶片在不同工况下的轴系振动加速度。

可选地，测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的声场的步骤包括：在所述压气机叶片检测装置的安装基座的边缘处布置声传感器，测量不同转速下、压气机叶片在不同工况下所述压气机叶片检测装置的实验场地的混响；在所述压气机叶片检测装置的进口处布置环形声传感器阵列，测量不同转速下、压气机叶片在不同工况下的进口流场的噪声；沿所述压气机叶片检测装置的转轴的轴向方向布置线性声传感器阵列，测量不同转速下、压气机叶片在不同工况下的轴向噪声；在所述压气机叶片检测装置的轮盘截面上沿圆周方向布置圆形声传感器阵列，测量不同转速下、压气机叶片在不同工况下所述轮盘处的噪声。

本发明的压气机叶片检测装置包括流场部分、结构场部分以及支撑部分；所述流场部分包括依次连接的导流罩、进口流域机匣以及出口流域机匣，所述流场部分采用3D打印技术加工；所述结构场部分包括转轴、叶片和叶片轮盘，所述叶片轮盘安装在所述转轴的一端，所述叶片通过叶片轮盘上的榫槽插接在所述叶片轮盘上，所述叶片轮盘两侧设置有挡盘；所述支撑部分包括用于支撑所述进口流域机匣的前支撑座、用于支撑所述出口流域机匣的中支撑座和用于支撑所述结构场部分的后支撑座。

可选地，所述结构场部分还包括轴承座和两个轴承，所述两个轴承用于支撑所述转轴，所述轴承座用于支撑所述两个轴承，所述叶片轮盘安装在所述转轴的一端。

可选地，所述结构场部分还包括平衡盘，所述平衡盘安装在所述转轴的另一端。

可选地，所述流场部分采用树脂加工。

可选地，所述结构场部分采用金属加工。

本发明针对压气机在实际工作中出现的裂纹叶片故障导致的流-固-声多场耦合作用，提出了一种能够同时满足流场、声场、以及结构场测试，并能方便快捷拆装裂纹叶片的压气机叶片检测装置，将利用该装置测量的物理场作为标准与实测数据进行比对，以确定压气机叶片的状态，有效解决了现有压气机结构复杂、安装拆卸工艺繁琐、不方便对叶片裂纹情况进行检测的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的流场部分的结构示意图，其中图1(a)为流场部分的外部结构示意图，图1(b)为图1(a)的轴向剖视图；

图2为本发明实施例的导流罩的结构示意图，其中图2(a)为导流罩的正视图，图2(b)为图2(a)的左视图；

图3为本发明实施例的进口流域机匣的结构示意图，其中图3(a)为进口流域机匣的正视图，图3(b)为进口流域机匣的轴向剖视图；

图4为本发明实施例的出口流域机匣的结构示意图，其中图4(a)为出口流域机匣的正视图，图4(b)为出口流域机匣的轴向剖视图；

图5为本发明实施例的叶片的结构示意图；

图6为本发明实施例的轮盘的结构示意图；

图7为本发明实施例的叶片与轮盘的插接方式示意图；

图8为本发明实施例的叶片插接到轮盘上的结构示意图；

图9为本发明实施例的挡盘的结构示意图，其中图9(a)为挡盘的正视图，图9(b)为挡盘的轴向剖视图；

图10为本发明实施例的叶片轮盘的结构示意图，其中图10(a)为叶片轮盘的正视图，图10(b)为图10(a)的左视图；

图11为本发明实施例的转轴的结构示意图；

图12为本发明实施例的叶片-转子系统的结构示意图，其中图12(a)为叶片-转子系统的整体结构示意图，图12(b)为图12(a)中卡簧的结构示意图；

图13为本发明实施例的轴承座的结构示意图；

图14为本发明实施例的前端法兰和后端法兰的结构示意图，其中图14(a)为前端法兰的结构示意图，图14(b)为后端法兰的结构示意图；

图15为本发明实施例的安装了轴承座的轴系结构示意图；

图16为本发明实施例的平衡盘的结构示意图，其中图16(a)为平衡盘的正视图，图16(b)为图16(a)为的侧视图；

图17为本发明实施例的前支撑座的结构示意图，其中图17(a)为前支撑座的正视图，图17(b)为图17(a)为的侧视图；

图18为本发明实施例的后支撑座的结构示意图，其中图17(a)为后支撑座的正视图，图18(b)为图18(a)为的侧视图；

图19为本发明实施例的压气机叶片检测装置的结构示意图，其中图19(a)为压气机叶片检测装置的外部结构示意图，图19(b)为压气机叶片检测装置的内部结构示意图；

图20为本发明实施例的压气机叶片检测方法的流程图。

具体实施方式

实施例一

研究表明，压气机运行过程中，若叶片出现颤振，则会影响压气机的流场、结构场与声场的分布，尤其是在叶片产生裂纹后，叶片颤振会对叶片-转子系统的动力学特性产生影响，叶片裂纹也会对旋转机械内流场的流动特性产生影响，流场的压力、流速等参数会因为裂纹的出现产生变化，同时，叶片裂纹还会对压气机的声学特性产生影响。

在叶片裂纹故障中，叶片颤振与转子系统扭振特性相互耦合，产生较强的相互耦合作用。裂纹位置与尺寸并不固定，不同裂纹位置与尺寸对声学特性的影响规律不同、对叶片-转子耦合系统的动力学特性的影响规律不同、对压气机流场的影响规律也不同。

压气机结构复杂，包括流场部分、结构场部分、外机匣、以及外部支撑结构等。流场部分包括导流罩、前静叶栅、后静叶栅、进口流域机匣、以及出口流域机匣等结构。结构场部分包括转轴、滚动轴承、推力轴承、多级轮盘、以及轴承座等结构，轮盘周围布满叶片，轮盘上还设置有各种限定机构，用来保证压气机运转过程中叶片与轮盘的相对位置不发生变化；转轴、滚动轴承、以及轮盘构成压气机的轴系结构，轴系结构与进口流域机匣和出口流域机匣相连，进口流域机匣和出口流域机匣再与外机匣相连，外机匣通过外部支撑结构进行固定。拆卸叶片前，需要拆卸外部支撑结构、外机匣、内机匣、流场部分、以及轮盘上的各种固定结构，拆卸过程非常繁琐，这使得通过拆卸叶片来检查叶片上的裂痕几乎是不可能完成的工作。

为了解决上述问题，本实施例提供了一种压气机叶片检测方法和压气机叶片检测装置，可通过测量压气机的流场、结构场以及声场来判断叶片的状态。

压气机叶片检测装置是压气机模型，是在真实压气机结构的基础上进行的简化，主要包括流场部分、结构场部分以及支撑部分。

如图1所示，流场部分包括依次连接的导流罩1、进口流域机匣2以及出口流域机匣3三部分。导流罩1位于压气机叶片检测装置的入口位置，目的是为扩大流域进口面积，增加压气机叶片检测装置工作时吸入的空气的流量，其结构如图2所示。进口流域机匣2位于导流罩1下游，其内的流道为进口空气所流经的区域，在进口流域机匣2内设置有前静叶栅21，结构如3所示。出口流域机匣3位于进口流域机匣2下游，其内为经过旋转叶片压缩做工的空气所流出的区域，在出口流域机匣3内设置有后静叶栅31，出口流域机匣3的结构如图4所示。流场部分的出口流域机匣3与进口流域机匣2之间、以及进口流域机匣2与导流罩1之间均通过连接法兰和螺栓相连接。整个流场部分可以采用树脂进行3D打印加工，目的是能够在满足流场测试精度的前提下，缩短加工周期，简化设计方案，方便组装拆卸。

结构场部分主要包括转轴4、叶片轮盘5、平衡盘6以及必要的支撑结构，结构场部分采用金属加工，一方面满足轴系以及结构场测试的精度，另一方面能够保证结构强度。

叶片轮盘5包括叶片51和轮盘52两部分，其中，叶片51为真实压气机上所使用的旋转叶片，其根部设置有榫，结构如图5所示。轮盘52的主体结构与真实压气机上轮盘的结构基本一致，如图6所示，轮盘52的边缘布满槽，叶片51通过图7所示的榫-槽插接方式固定在轮盘52上，插接了叶片51的轮盘52的局部结构如图8所示。为了对叶片51在轴线方向进行限位，轮盘52两侧分别固定一块挡盘53，如图9所示，挡盘53上开有若干个螺栓孔，这些孔沿圆周方向均匀分布在挡盘53的边缘，螺栓孔与轮盘52靠近边缘处的螺纹孔相对应，挡盘53通过螺栓固定在轮盘52上。所形成的叶片轮盘5的整体结构如图10所示。

转轴4可以采用如图11所示的阶梯轴，上述压气机叶片检测装置设计最高转速为2000r/min，相较于实际工作中的压气机转速偏低，因此为在满足实验要求以及安全的前提下，为方便加工与安装，可以采用2个滚动轴承7连接转轴4与轴承座9，滚动轴承7位于阶梯轴中部，通过阶梯轴台肩、轴承座9台肩和卡簧、轴承座法兰盘限制滚动轴承7的位移。

如图12所示，将叶片轮盘5安装在转轴4的一端，形成叶片-转子系统，轴端固定卡簧8，以限制叶片轮盘5的轴向位移。

轴承座9的结构如图13所示，轴承座9的两端分别固定有前端法兰和后端法兰，前端法兰和后端法兰的结构如图14所示。如图15所示，叶片-转子系统贯穿轴承座9，叶片轮盘5位于轴承座9的外部，转轴4通过两个滚动轴承7与轴承座9连接。

转轴4的另一端安装有平衡盘6，设置平衡盘6是为了对叶片-转子系统进行动平衡实验，以减少叶片-转子系统转动过程中因不平衡量产生的轴系振动。平衡盘6的结构如图16所示，将平衡盘6安装在转轴4的另一端，转轴4的另一端的端部(平衡盘6外侧)同样安装卡簧以限制平衡盘6的轴向位移。

为将上述压气机叶片检测装置安装到实验场地中，根据场地基座尺寸以及实际需求，本实施例采用结构强度高、安装便捷的支撑座部分。支撑部分包括用于支撑进口流域机匣2的前支撑座10、用于支撑出口流域机匣3的中支撑座11和用于支撑结构场部分的后支撑座12。

前支撑座10的结构如图17所示，前支撑座10的圆环部分套固在进口流域机匣2的外部。中支撑座11的结构与前支撑座10相同，其圆环部分分为可拆卸的上、下两部分，圆环部分套固在出口流域机匣3的外部。后支撑座12的结构如图18所示，后支撑座12的结构与前支撑座10相似，其圆环部分套固在结构场部分的外部，由于结构场部分重量大，并且与旋转部件相对较近，后支撑座需承受高负载和高强度的振动，因此后支撑座12的主支撑板结构121更宽、更厚，同时增加了两侧肋板122进一步增强其刚性。

以上各部件加工完成之后，按照设计时既定的安装方案组装成整机，安装步骤为：

(1)将各支撑座按照设计时的相对位置安装在实验场地的基座上；

(2)安装轴承座；

(3)安装叶片-转子系统；

(4)安装进口机匣、出口机匣、以及导流罩。

安装完成后，得到的压气机测试装置如图19所示。

与真实压气机相比，本实施例的压气机叶片检测装置将多级叶片轮盘简化为一级叶片轮盘，叶片51插入轮盘52后，两侧仅使用两块挡盘53来限制叶片51的轴向位移，流场部分(包括前、后静叶栅上)整体采用3D打印技术进行加工，流场部分和结构场部分直接固定在支撑座上。拆卸叶片51时，只需要将前支撑座1和中支撑座11的圆环部分进行拆卸、然后将流场部分整体拆卸下来、再将轮盘52一侧的挡盘53拆卸下来，便可以将叶片51从轮盘52上拆卸下来，叶片51的安装流程与拆卸流程相反。上述压气机叶片检测装置具有结构简单、拆卸方便的特点。压气机叶片检测装置能够模拟真实压气机进行运转，在最高2000r/min的设计转速工况下，压气机叶片检测装置能够长时间安全稳定地运行。

将叶片安装在压气机叶片检测装置的轮盘上，可以进行流场、结构场、以及声场的测试。

本实施例的压气机叶片检测方法包括：测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的流场、结构场和声场，得到标准数据，所述压气机叶片安装在压气机叶片检测装置的叶片轮盘中，所述压气机叶片检测装置能够模拟压气机工作；测量压气机流场、结构场和声场，得到测量数据；以及将所述测量数据与所述标准数据进行比对，以获得压气机叶片状态，完成压气机叶片的测试。

图20给出了压气机叶片检测方法的流程图，如图20所示，压气机叶片检测方法始于步骤一。

在步骤一中，测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的流场、结构场和声场，得到标准数据，压气机叶片安装在压气机叶片检测装置的轮盘中。

本步骤的目的是为了获得标准数据，包括流场标准数据、结构场标准数据以及声场标准数据。

流场标准数据的测量方法如下：在压气机叶片检测装置的出口处布置皮托管以及总压管，皮托管和总压管分别测量在压气机叶片检测装置出口处的静压和空气总压，并将皮托管和总压管与压力扫描阀相连，压力扫描阀采集皮托管和总压管测得的实时数据，并将采集到的实时数据传输到计算机中，这些实时数据作将作为流场标准数据。流场标准数据应当包含叶片-转子系统在不同转速工况下、压气机叶片在不同工况(状态)下的压气机叶片检测装置出口处的空气总压和静压，例如转速可以是500r/min、1000r/min、1500r/min、以及2000r/min，压气机叶片工况包括是否存在裂纹、裂纹在压气机叶片上的位置、裂纹尺寸等。

结构场标准数据的测量方法如下：在转轴4的轴端(距离平衡盘6较近的一端)联轴器处布置光电传感器，光电传感器能够测量转轴4的实时转速信号，经过测试软件处理能得到转轴4的扭振信号，测量压气机叶片检测装置叶片-转子系统在不同转速工况下、压气机叶片在不同工况下的压气机叶片检测装置的轴系扭振；在转轴4安装平衡盘6处的阶梯轴段布置电涡流位移传感器，测量叶片-转子系统在不同转速工况下、压气机叶片在不同工况下的压气机叶片检测装置的轴系横振；在轴承座和机匣上布置加速度传感器，测量叶片-转子系统在不同转速工况下、压气机叶片在不同工况下的压气机叶片检测装置的轴系振动加速度。

声场标准数据的测量方法如下：在(1.5级)压气机叶片检测装置安装基座的边缘处布置声传感器，用发令枪作为噪声触发，测量压气机叶片检测装置实验场地的混响；在压气机叶片检测装置进口处布置环形声传感器阵列，环形声传感器阵列布置在以压气机叶片检测装置进口中心为圆心、半径为1.2m的二分之一圆周上，以测量进口流场的噪声；在沿压气机叶片检测装置转轴4轴向平行的方向上、距离沿转轴4轴心1.2m处，布置线性声传感器阵列，以测量压气机叶片检测装置轴向的噪声；在压气机叶片检测装置的叶片轮盘处截面位置，间隔0.2m布置一圈圆形声传感器阵列，以测量叶片轮盘处的噪声。通过布置的多个声传感器阵列，测量压气机叶片检测装置在不同转速工况、不同裂纹叶片工况下的噪声。

接下来，在步骤二中，测量压气机的流场、结构场和声场，得到测量数据。

接下来，在步骤三中，将测量数据与标准数据进行比对，以获得压气机叶片状态，完成压气机叶片的测试。

上述压气机叶片检测方法在测量标准数据时，可根据不同转速下测得的物理场来确定各物理场随转速变化的规律，还可以根据物理场随转速变化的规律对高转速下的物理场进行仿真。将测量数据与标准数据进行比对时，结合物理场随转速变化的规律来确定压气机叶片的状态(工况)。以声场和结构场为例，同样的叶片工况下(叶片存在裂纹)，转速在500r/min、1000r/min、1500r/min、以及2000r/min时，声场和结构场的变化依次升高，假设转速在500r/min声场变化是5～10％，但是在2000r/min时声场变化会达到15～20％。不同的叶片工况对应物理场不同的变化情况，将测量数据与标准数据进行比对即可获得压气机叶片的状态，还可以根据测量数据对仿真数据进行验证，以便对物理场随转速变化的规律进行修正。

本发明实施例给出了叶片工况测量的原理，在本发明的指导思想下，可以根据实际情况对上述压气机叶片检测方法和压气机叶片检测装置做出适应性的改动，例如对于不同类型的压气机，可以设计不同的压气机叶片检测装置，又例如实际压气机的某些物理场(比如流场和声场)不便于测量，可以通过测量其他物理场(比如结构场)来获取叶片工况。

Claims (10)

1.一种压气机叶片检测方法，其特征在于，包括：

测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的流场、结构场和声场，得到标准数据，所述压气机叶片安装在压气机叶片检测装置的叶片轮盘中，所述压气机叶片检测装置能够模拟压气机工作；

测量压气机的流场、结构场和声场，得到测量数据；以及

将所述测量数据与所述标准数据进行比对，以获得压气机叶片状态，完成压气机叶片的测试。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压气机叶片检测装置中叶片轮盘的转速低于所述压气机中叶片轮盘的转速。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的流场的步骤包括：

在压气机叶片检测装置的出口处布置皮托管以及总压管，并将皮托管和总压管与压力扫描阀相连；

测量不同转速下以及不同压气机叶片工况压气机叶片检测装置出口处的空气总压和静压。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的结构场的步骤包括：

在所述压气机叶片检测装置的转轴的轴端联轴器处布置光电传感器，测量压气机叶片检测装置在不同转速下、压气机叶片在不同工况下的轴系扭振；

在所述压气机叶片检测装置的转轴上布置电涡流位移传感器，测量压气机叶片检测装置在不同转速下、压气机叶片在不同工况下的的轴系横振；

在所述压气机叶片检测装置的轴承座和机匣上布置加速度传感器，测量压气机叶片检测装置在不同转速下、压气机叶片在不同工况下的轴系振动加速度。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量压气机叶片不同状态下压气机叶片检测装置的声场的步骤包括：

在所述压气机叶片检测装置的安装基座的边缘处布置声传感器，测量不同转速下、压气机叶片在不同工况下所述压气机叶片检测装置的实验场地的混响；

在所述压气机叶片检测装置的进口处布置环形声传感器阵列，测量不同转速下、压气机叶片在不同工况下的进口流场的噪声；

沿所述压气机叶片检测装置的转轴的轴向方向布置线性声传感器阵列，测量不同转速下、压气机叶片在不同工况下的轴向噪声；

在所述压气机叶片检测装置的轮盘截面上沿圆周方向布置圆形声传感器阵列，测量不同转速下、压气机叶片在不同工况下所述轮盘处的噪声。

6.一种压气机叶片检测装置，其特征在于，包括流场部分、结构场部分以及支撑部分；

所述流场部分包括依次连接的导流罩、进口流域机匣以及出口流域机匣，所述流场部分采用3D打印技术加工；

所述结构场部分包括转轴、叶片和叶片轮盘，所述叶片轮盘安装在所述转轴的一端，所述叶片通过叶片轮盘上的榫槽插接在所述叶片轮盘上，所述叶片轮盘两侧设置有挡盘；

所述支撑部分包括用于支撑所述进口流域机匣的前支撑座、用于支撑所述出口流域机匣的中支撑座和用于支撑所述结构场部分的后支撑座。

7.根据权利要求6述的压气机叶片检测装置，其特征在于，所述结构场部分还包括轴承座和两个轴承，所述两个轴承用于支撑所述转轴，所述轴承座用于支撑所述两个轴承，所述叶片轮盘安装在所述转轴的一端。

8.根据权利要求6或7所述的压气机叶片检测装置，其特征在于，所述结构场部分还包括平衡盘，所述平衡盘安装在所述转轴的另一端。

9.根据权利要求6所述的压气机叶片检测装置，其特征在于，所述流场部分采用树脂加工。

10.根据权利要求6或9述的压气机叶片检测装置，其特征在于，所述结构场部分采用金属加工。