（测试计量技术及仪器专业论文）高速旋转叶片振动叶端定时测量方法和系统研究.pdf

中文摘要 高速旋转时片振动实对嫩测技术是电力工啦、能源工业、航空、航运业亟待 解决的难题，传统的接触式测嫩方法很难做到同时般测同级的所有叶片的振动情 况，因此圈外一直在致力研究一种非接触式旋转叶片振动测量新技术一叶端定时 溅量技术。本论文围绕解放零憨装备都国防预研磺薅“j # 接触式旋转时片振动潮 量莪零瑟突”( 旗鬓号t 1 c 2 0 2 1 5 0 2 9 i 一0 2 ) 搀爨酶终漆要袁帮据巍震秀磁究，论文 的主要工作包括如下几个方面： 1 在国内率先建立了一套全新的高速实时旋转叶片振动检测系统。解决了测量系 统三个主疆关键技术，即叶端定时传感器、高速脉冲信号采集及预处理、叶端定 对测量数掇豹分析处理。 2 。设诗西发了适应蹇速实薄蕊 翼l 要求鲍全党纾时瀵定嚣簧慧器，瑟臻潮豹时蓊定 时传感器暴肖抗电磁干扰麓力强、频宽优于i o o m h z ，浏量距离达到0 5 月擀的特点。 3 设计了藻于固定频率脉冲填充法计数的高速脉冲信号采集及预处瑷电路，实现 定时时间测攫。所设计的采集系统能达到l o n s 的定时分辨力，在位移精度为2 5 弘i i 情况下，能测叶片半径在1 妇以内，转速在5 0 1 5 0 0 0 转分的叶片振动。 4 。谨缨分孝螽了时端定露溅鬣数撂处理豹方法，掇凌了全瑟戆5 + 2 抉遥冀法，簿决 了包括募步强动和同步振动测爨数据酶分析处理闷戆，提高了系统信号楚理静实 时性。 5 针对叶端定时测量方法在撇型测量上的不足，引入了振型专家系统，并对其进 行了仿真翱实验，取得了很好的效果。 关键运：黼速实跨旋转时片睁端定黠5 + 2 浚遴冀法异步攘韵l 霹步振动 a b s t r a c t i t sap r o b l e md e s i d e r a t i n gs o l u t i o nf o rp o w e ri n d u s t r y , e n e r g yi n d u s t r y , a v i a t i o n a n d s h i p p i n g t or e a l - t i m em e a s l l r et h e h i g h s p e e dr o t a t i n g b l a d ev i b r a t i o n t h e c o n v e n t i o n a lc o n t a c t i n gm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei sd i f f i c u l tt om e a s u r et h ev i b r a t i o no f a l lb l a d e si no n es t a g ea tt h es a m et i m e s of o r e i g ns c h o l a r sh a v eb e i n ga p p l y i n gt h e m t or e s e a r c han e wn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eu s i n gb l a d et i p - t i m i n g t l l i s d i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h en o n - c o n t a c tb l a d ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e a c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n to fan a t i o n a ld e l e n s e p r e - r e s e a r c hp r o j e c t “t h er e s e a r c ho f n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eo f r o t a t i n gb l a d ev i b r a t i o n s p o n s o r e db ym i n i s t r y o fg e n e r a le q u i p m e n to fp l a ( h c 2 0 2 1 5 0 2 - 0 1 0 2 ) t h em a i nw o r ki n c l u d e di nt h e d i s s e r t a t i o na r es h o w na sf o i l o w s ： 1 an o v e lh i g h s p e e dr e a l t i m em e a s u r e m e n ts y s t e mo fv i b r a t i o no fr o t a t i n gb l a d ei s b u i l tf o rt h ef i r s tt i m ei nc h i n a , w h i c hs o l v et h r e ek e yt e c h n o l o g i e s ：b l a d et i p t i m i n g s e n s o r , c o l l e c t i o na n dp r e p r o c e s s i n go fh i g h - s p e e dp u l s es i g n a l sa n dt h ea n a l y s i so f m e a s u r e dd a t a 2 f i b e r o p t i c b l a d e t i p t i m i n g s e n s o r p e r t a i n t o h i g h - s p e e d a n dr e a l - t i m e m e a s u r e m e n ti sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，w h o s eo u t p u tf r e q u e n c yb a n di sl a r g e rt h a n 10 0 m h za n dm e a s u r e m e n td i s t a n c er e a c h e s0 5 m m 3 t h ec o l l e c t i o na n dp r e p r o c e s sc i r c u i to fh i 曲一s p e e dp u l s es i g n a l sb a s e do nt h e f i x e df r e q u e n c yp u l s ef i l l i n gi nt i m ei n t e r v a lm e t h o di sd e s i g n e dt om e a s u r et h et i m e i n t e r v a l t h et i m er e s o l u t i o ni s1 0 n s w h e nt h ed i s p l a c e m e n tp r e c i s i o ni s 2 5 j _ t m ，t h e s y s t e mc a l lm e a s u r et h e v i b r a t i o no fb l a d ew h o s er a d i u si s l e s st h a n1 5 ma n dt h e r o t a t i n gs p e e d i s5 0 - 1 5 0 0 0 r p m 4 1 1 1 ep r o c e s sm e t h o d so ft i p - t i m i n gm e a s u r e dd a t aa r ed i s c u s s e di n d e t a i l a n da f i r e n e w5 + 2f a s ta l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt oa n a l y z ea n dp r o c e s st h ea s y n c h r o n o u sa n d s y n c h r o n o u sv i b r a t i o nd a t a ，w h i c hi m p r o v e t h ea b i l i t yo f r e a l - t i m ep r o c e s ss i g n a l s 5 av i b r a t i o n t y p e e x p e as y s t e m i s a p p l i e d t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e o f t i d - t i m i n g m e a s u r e m e n tm e t h o di nv i b r a t i o n - t y p em e a s u r e m e n t 1 1 l e s i m u l a t i o na n d a c t u a le x p e r i m e n t s u s i n g t h i se x p e r ts y s t e ma r ed o n ea n ds a t i s f a c t o r yr e s u l t sa r eg a i n e d k e y w o r d s ： h i g h s p e e d a n dr e a l t i m er o t a t i n g b l a d e t i p - t i m i n g 5 + 2f a s t a l g o r i t h m a s y n c h r o n o u sv i b r a t i o ns y n c h r o n o u s v i b r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指游下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包禽其他人已经发表 或撰写过麴研究成聚，谯不包含为获褥叁星盘蹩或其缝教肖机构的学位藏证 书两使i 鬻过豹孝才籽。与我一嗣工 睾的嗣恚对零研究掰骰静任褥爨献均已在论文孛 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互乎搿签字日期：上护膨年，月，7 朗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究会了解基涟盘茔宥关保留、使用学位论文的规定。 特授权基连盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入霄关数据库进行检 索，并采羽影印、缩印绒摆接等复耩手段傺存、灏缡班供查黉鞫诺润。弼惹学狡 向国家有燕部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文猩解密后适用本授权说明) 学位黻俸者签名：厶乎华 导师签名： 签字日期：童彬年，月，7 f i 签譬日期：z 哆年月夕日 第一章绪论 第一章绻论 1 。 时片振动测羹的王程背景及研究意义 叶轮机是航空、舰船及电力、能源工业系统广泛应用的耋灏装置。它包括 地两燃气轮机、航空燃气轮机、鼓风机等。这些叶轮机均由搿滚定轴旋转的转 子、游子与机匣和轴承组成。近年来叶轮机的性能不断提高，结构日益向高转 速、离效率、惠精度、辩w 靠性趋势发展。 野轮孛豆转子( 畦耱逢莲耱予主要交蟹片、耱蠹及辘三熬分缌藏) 遥鬻竣攫裹 的转速工作，如图l - l 掰示，它与空气流簸燃气流相互作用，寝涡轮甚至在压 气机的高压级处温度均鼹很高的。气流分布不均匀、不稳定及转子不平衡的离 心力镩会使转子振动，导撤转子中一些组件锻工作中不可靠，出现疲劳断裂等。 图1 - 1 风崩肿片 天津大学博士学位论文 1 。 时片振动故障 时片是时轮执中完成功能转换的重要零件，如强i 一2 所示。工作中时冀容 易发生振动。统计资料【】说明，叶片的损坏察故( 裂纹、折断等) ，绝大部分 是由于振动引起的。以航空涡轮发动机为例，据统计振动故障率占发动机中总 故障率的6 0 以上，而叶片振动故障率又占搬动故障率的7 0 以上 3 , 7 j 。可见叶 片强动疲劳损痿敖海是发凌撬中鞍为严重貔瓣藤。时冀事敌不毽蹲低了醇轮援 静可弼率，还造成了基大麴矗接帮溺接经济损失转“。 0 皿q 咎鹄 图卜2 工作叶片的擞型 王臻时冀受赛强大懿藤心力载蓑，焉热上振动黪交交载荣，缀过一定夔露 闽磐，就会产生疲劳裂纹。在一定豹条律下，裂纹继续扩大，懑列剩余的承力 面积不足以承受离心力造成的应力时，叶片将折断，折断的碎片可能飞出机匣 外，域打伤其余叶片( 熬麓全机叶片被打坏) ，造成严重事故。 时片振动故障多为离、低循环疲劳损伤。一般循环次数在1 0 4 l 旷以上的 羹褰疆琢痰劳，嚣 莲霾臻疲劳匏键嚣次数燹嘲el o 1 0 3 以下。瞪片毒疆嚣疲劳 损伤鄹是通常所说静疲力滚劳损伤，箕圭簧燕斑于时片处于莛掇条件产生交交 应力，经过一定应力循环次数后导致叶片出现疲劳裂纹以至断裂。叶片低循环 疲劳损伤是指大应变疲势损伤，它多是由于叶片气弹失稳现象戡叶片颤振现象 所致，故也称为颤振故障。与高循环疲劳损伤榻比，低循环疲劳损伤的应力水 平较怒，箕损绣的疲劳矮垮次数毙较豫，敬熊殓墼至遣魄较大。戈了避兔上述振 动敬簿麴出现，在时冀的浚计研麓过程中需要慰时片避行振动分掇，霹时片豹摄 动固肖特性分析与叶片熬擐分析等，其中前糟主要是分析叶片在菲旋转态与旋 转态下的振动频率、振型( 模态) 及振动应力分布，而后者则鼹酋先找出激振 力频率与匿有频率一致时熬振的条件( 统称熬根图分析或c a m p b e l l 图分析) ， 第一章绪论 再对此激振力进行谐波分析，求出叶片的位移、速度及加速度响应与响应应力 分布图【”。 1 1 2 叶片振动的类型 叶片结构振动类型按激振力的有无及其特点可分为自由振动、强迫振动和 自激振动。 自由振动是指振动系统在无交变外力的作用下所发生的简谐振动。自由振 动的频率( 自振频率或固有频率) 仅取决于振动系统的物理参数。对于单自由 度系统，振动频率取决于系统的质量和刚度参数：对于多自由度系统，其取决 于系统的质量矩阵和刚度矩阵，亦可看成取决于系统的边界条件、几何情况与 材料参数。 强迫振动是指振动系统在周期性交变外载或位移作用下所产生的振动。它 是由外界激振力激起的，并以外界激振力的频率振动。如气体尾流激振力和旋 转失速造成的气体激振力使叶片产生振动均属强迫振动。当外界激振力的频率 与振动系统的固有频率相同时，振动系统会产生强烈振动，即出现共振现象。 自激振动是指受自激力作用所产生的振动。它不同于自由振动和强迫振动。 这种振动不是由周期性外载引起的，而是因结构或工作条件等原因由气流所诱 导的振动。一旦出现这种振动，则系统会不断从气流中吸收能量，因而激发系 统自身的振动。如果振动系统的阻尼耗能不足以抵消系统所吸收的能量，则随 着能量的不断积累，振幅越来越大，振动应力也迅速增大，很快就会因系统的 振动疲劳而使结构出现裂纹乃至断裂。叶片颤振即属自激振动。 1 1 3 叶片振动的基本物理参数 振动的基本物理参数主要有振动频率、振型( 模态) 及振动应力等。 振动频率是叶片振动中的重要参数。根据频率的计算和测量可以预估和判 断振动的情况。工作叶片的振动频率范围很广，可自数十赫到万余赫。但其中 以低频振动最为危险。一般情况下，频率越高，振幅越小，危险性也就越小。 发动机叶片在旋转时，叶片受到强大的离心力，叶片无论在旋转平面内或 在轴向平面内振动，叶片上任一微元质量所受到的离心力都有促使叶片回到平 衡位置的趋势。这相当增强了叶片的弹性恢复力，结果使叶片各阶固有频率有 所提高。换言之，旋转着的叶片的自振频率( 简称“动频”) 比静止着的叶片 天津大学博士学位论文 的自振频率( 或称“静频”) 为高。叶片的自振频率也随转速而改变，叶片究 竟在哪个转速下发生共振，则可用共振图( 堪培尔图) 说明【8 】。如图卜3 所示， 横坐标代表转速( 单位：转分) ，纵坐标为频率( 单位：赫兹) 。图中的放射线 代表倍频线，还有三条自振频率线各代表叶片一弯、一扭、二弯的自振频率随 转速改变的情况。自振频率线与倍频线的交点都代表共振情况。由于叶片的制 造误差，自振频率线已成一个频率带，这样，共振不仅在一个点，而是有一个 范围，在这个范围内，都可能有叶片在某振型下共振。例如，一弯线与k = 2 的 倍频线相交，在n = 6 0 0 0 7 3 0 0 转分的范围内，都认为是共振转速，在此范围 内，都可能有叶片以一弯振型共振。 振动的振幅表示振动的激烈程度。在实测中常通过某几处的应力测量来判 断振幅和振型，并推断全叶片其它各处的振动应力。 f 赫 -1 8 ， 1 2 1 0 0 0 三弯 6 图1 - 3 叶片共振图( 堪培尔图) n 转分 第一章绪论 4 叶靖攘动的振螫 对于实际叶片，重要的是自振频率、振型和振动成力三个因索。 援鍪是时片各部分振动黥稳对关系。咛片援动静掇型有弯蓝援动、援转振 劝和弯凿扭转复合振动，辩闰1 - 4 所示。 凰必前 弯曲振动 扭转搬动复台振动 霾1 - 4 蟹黄擐翡豹各争誓形式 1 2 卧片振动动态测量技术及其发展 正如上面所说，由于航空发动视、电滔汽轮机缀殿各种压气枫的旋转叶片 随着压力负荷和转速的提高，不时会发嫩叶片的振动殿失速颤振。在稳定或不 稳定豹气流 擘爝下，热上转予系统本身龅擐裁特性，时片产生振动和失速颤振， w 能导致时片辑甑。在离逡运转过程审，一个卧片静辑断往往会造成整台汽轮 机的完全损坏，尤其在新烈号的研制过程中，未知因索甚多，研制人员多半凭 缀验工作，带有相当的冒除性，因此迫切需要一种能够实时监测最危险的第一 缀咛片振动状态靛蓝测系绫。麦予瑷代汽耱瓤是褰遮旋转匏，瑟良蛩冀爨攥动 测量是相当复杂的技术闻鼷，传统的按触式测量方法徽难傲到同时监测同级的 所有叶片的搬幼情况，因此国外一直在致力研究一种非接触式的旋转叶片振动 测鲎薪技术砖爆定蹲测爨技零拶1 ”。 匡雏的发电和化工透平设备都己配餐有实对振动箍测系统，谯掰益溅静设 错都是长期处于恒稳转速工作状态，监测的工况较为单一，只需鬻监测系统每 隔四小时或凳长时间显示一次监测结果。这类基于柱线数据采集、离线处理、 窥精预鞭豹簸灏系统穰矮褒汽轮橇匏磅裂过疆孛襞溜。获美等发迭嚣家氇旱已 投资进行叶片机变速运转状态的实时振动图像监测系统的研发，可能在2 3 年 内形成产品，但对我国封锁、禁运。国内尚未见同步振动叶端定时测振技术在 王疆上痊爱豹掇道。 天津大学博士学位论文 为了保证叶片的安垒运行，豳前常采用的是定期维修方法，即预防维修， 鬣囱予实辍运行中影璃时片安全瞧的霜素疆多，藏有些嚣索又无法定量髅算， 故叶片的准确状态很难估计。因此采用定期维修方法，要么维修过剩，造成浪 费；要么缀穆不是，造或溪大经济损失。缒羞按本麴抉这发震，静轮凝遥孳亍零 平的不断提高，机组设备维修正逐渐从事故维修和定期维修向状态维修发展， 嚣浚态缝骖熬关键主要是依靠整瓣手段l l s 。叠蓊对时片援动在线鎏溅还没寿 一个有效的方法，随着汽轮机单机功率的增加，来几级叶片越来黻长，叶片又 王终在浸蒸汽嚣境，量经鬻处于交工嚣运行，工撂条 孛十分恶劣，时冀发生事 故的危险性增加，叶片状态实时在线监测技术方法的研究越来越迫切，成为电 力工业、戆滚工数、靛空、舷运鼗亟德瓣决懿难熬。 旋转叶片振动参数的测量技术，由于萁重要饿和复杂性，多年来一邕受到 姨枣叶轮捉械设诗、礤突、铡造葶瑟运簿人员的关浚，这是阑为1 1 9 l ； i 叶片机械高速旋转，激振条件炭杂，叶片型面拇曲，以及机组经常在炎工况 下运行，锼爝时冀振动具窍非鬻笈祭的频率分布秘振型。嚣振动计算联依据毂 理论还不尽完善，理论计冀结果与实际尚肖距离。 蘸髓囊“l # f e 蟊 0 图i - 5 叶片动威力沿圆周逐片变化示意图 畦冀数 2 。除了研究较多的强迫振动以外，还存在着由于流体诱导的自激振动。如航空 发动祝时片的各静颧振窝奄菇蒸汽轮税盱片在离籍压、小流量下发生熬受凌磊 失速颤振。使得叶片虽经严格调频，避开备阶共振频率，但是实际运行机组中 赣盱片事放靖有笈生。特麓是大税组、羲时片楚予谲峰、供熬等舞鹜压、夺滚 爨工作时，更出现了叶片振动加剧，动应力突增的现象。这些自激振动引起叶 2 5 l s e l 0 片断袭事蔽，往往是从攀时片设计、研籁入员所始瓣不及酶。 3 随着级负荷的增加和结构的日益轻激化，使叶片长而薄，刚性大大降低。 4 由于叶片谯加工、安装时的误差，使艇圈叶片的动应力存在着很大的分散度， 懿蚕l 一5 掰示，这穗菠絮麓不舍穆静时薏善走酸蓼。 当叶片按振或颤振时，叶片排上的叶片都会出现强烈的振动，并导致很大 的动应力。对于各类颤擐边界的试验确定，也以动_ 陂力迅速升搿到某一数值为 依据。嚣姥惩论在旋转试验台上对于时片振动迸彳予试验研究过稷中，还是对予 实物辊缰的逡行进行蓝溯嚣重，都需要测瀑叶片由予掇动所导致的韵应力和掇耩。 这不仅可以给设计部门提供校核设计、修改设计的依据；在振动实验台上可作 为制造厂出厂前的重要检测手段，及时发现振动频率不合格的叶片；而且还可 疆在遣厂彳筝为长麓蓝溺斡工其，一里笈生蛩冀事故，立瑟鑫动擐餐，提錾运行 人员采取必撩的措施及分析事故的原因。 从2 0 懒纪3 0 年代美国w e s t h o u s e 公司采用威光镜首先对避行中的汽轮 秘时片振动逐行测量以卷，毳拜究人员巍匿采弱不弱豹方法在这方颟避行了探讨。 一般来说，对叶片振动动态测量方法可以分为弱大类露。o ，鞠接触式测爨 和非接触式测量两种方法。 。2 。 接触式测量方法1 1 7 , 1 9 , 2 0 在这类方法中，最早的是2 0 世纪3 0 年代美国w e s t h o u s e 公司采用反光 镜首先对运行中的汽轮机叶片振动进行的测量，篡方法是将一束光从轴中心孔 经孛，t i , 反毙甓反射妥耧熬予咛冀矮都瓣逅数，l 、反射缓上，然嚣遽避该小复隽孝镜 把光线反射瞬中心反射镜，再由轴中心孔反射到荧光屏上进行溉黎或照相。这 种方法在实验室和现场中应用了2 0 多年。 5 0 年代开媲采用牯贻应交片的方法，其基本原蠼是将应变片鹣贴于叶片威 力较大处，粥应交片感受叶片振动，褥将应变片静信号弓l 毫，强实现对唏片掇 动频率和动态应力的测爨。最初采用的是应变片一巢流环系统，应变片信号的 引出是通过粘贴在叶轮袭蕊上的导线引入到一个专门的集流环中，然后再将信 号送入谚态嶷交获蕊疆绶大嚣送至分罄荦仪逡蠢楚理分辑。毽集滚鞲在瑗场孛馊 用很不方便。1 9 5 8 年，荧国w e s t h o u s e 公司将光线电遥测披术应用于叶片 振动动态测餐，开发了威变片一无线隐遥测系统【2 “。在遥测系统中，不再采用 集滚繇，嚣怒将应变胄镶号放大居送懋一射频发射髅，以调频波的形式囱空阀 天津大学博士学德论文 发射，再用天线接受该调频信号，之后送至调频接收机放大和解调还原为应变 片频率信号，送至分掇饺遴杼经理分辑。我溺嚣安热研究貌垂1 9 6 5 年莛，牙 始成变片一凭线电遥测技术的研究。并成功地应用于实验室和现场叶片动态测 试淤, 2 3 1 。 屉然粘贴应变片的接触溅测量按术，对推进叶片动态特性研究，改善叶片 振动特牲窝攒导咛冀梳安全远行方瑟发挥了燕瑟鼓毒擎蔫。毽这秘方法寿弱显夔 缺点：测量的准备工作量很大，对一级的测最往往戮安装数天才能究成，而且 由予受应变嚣毒螽、导线糖赋牢固援度等懿影嚷，簸溅爱露羧短，遴常只鸯尼 天的时间，不能对叶片振动进行长期监测。由于试验准备豹复杂性，用粘贴应 力冀法测量砖片绞毯应力， 耋茬仅麓在毒疆麓尼令跨鸶土溅霪，蘑农谗多壤况 下整圈叶片上的动威力分散度相差可达6 倍【1 0 】，这样所确定的叶片上最大动应 力载霹褰犍受到了影响，导致使用惹会降低，或强震豫备增趣。 由于接触式测擞方法存在上述这些难以克服的缺点，于是自2 0 世纪6 0 年 l 弋，人们将磷究重点转向了 接触溅爨方法的磺究。 1 2 2 非接触测量方法 在非接触式测燮方法中，传感器是安装在相对静止的壳体上，丽不是旋转 跨片土，鄹被测时片与测量俦感爨怒不接触豹。在燧嚣接触式测量方法来获取 叶片的振动信号方面，人们在理论和实验上进行了火量的研究，主鼗方法有以 下足类： 1 频率调制法 在2 0 世纪6 0 颦代初曾提出过一秸非接触式测摄方法。这种方法是在叶 片端部截面上，压入个直径约为i 毫米，长3 毫米的磁铁，在奸片上方的壳 体上安装一个锯齿形的导体，该导体起一个产生电滤的线圈作用。巍带有磁铁 的叶片通过该导体的时候，在其上游应出接近正弦澎态韵趣韵势，箕频率翻转 子的转速确定。当叶片端部振动时，线圈中的信号按一定频率被调制，所调制 频率的偏差取决于升片振动振幅和频率的乘积。信号弓l 出后褥对信弩进行解诵， 还原成叶片的振动傣号进 亍分析，确定出时片的振渤强度。由于这种工作量大 而飘复杂，同时在端部的磁铁必颓簧承受穰高的离；孙力，囡诧在实躐中没旃得 到推广，仅糕实验室中对两个叶片进行了测蹙“ 2 脉冲调制法 第一鼯绪论 这静方法跫蠹法霆靛h o l z r g 提凌，冀蘸壤蘧攘工露籍蔗上方安装鸯蕊慧 器，当时片通过传感器时糍产生蹬趣融i 申，在叶片没有节距差晰，传感器产嫩 翡信号频谱孛器包含畜k z n 的灏率分豢 英孛，k 为熬数，z 兔畸轮主静盼背数， 魏为转速) ，警畸冀发生爨麓霹， 鑫予畸慧端罄德蕊审变袋墨，脉砖熬薰复竭期 憔遭裂破坏，辣掉穗按穗位蔼添镒。这样藏零魏程嵇罨频谱串蹬瑷穗攘芳蠹， 并且叶片撤幼的强度越大该分擞也越大。该侧频分爨可用带通滤波器分出提取。 荬蓐号瓣赣俊遵藏表示7 睁褥上砖冀滚动熊孚蚜强懋黧魔。蘧这静方法有一惑 豹缺煮，魏为辩予实舔畸轮，藤骞一黎野片蒂躐蓑，添魏帮傻畸片不耱钴，瞧 会有黎蔟分豢，获嚣在麓予实繇测试附，盛绥预建瓣装嚣运费棱燕。该方法熬 另一个缺点就楚它只能估计整个工作轮上叶片的撖渤状态，而不能在王作轮上 一争袋装令鞋冀茨皇蕊狳豢囊跨发窭罄摄襄萼。 间龋翱像法 奁6 0 颦代寒，峦苏联戆醒嚣。萨耪濯麓罄瀑耪箍凄了这种方法f 1 0 1 ，其蕊 零思想是农时片颚端的汽轮机巍体上安装两个时端传感器，在缚个叶片撮部安 装毒一孽穰髂藤器及转予戆冀宅部楚安装一鬻薅蕊戆嚣。转予转镄懿，黧萋黪 片顶端谥叶端传感器j 黩骋通过时的时刻。并将漱时刻岛叶片刘迭该传憋器的预 诗醴裂( 蛩背到达酵禳褥感嚣懿瓣劐) & 较，扶麓褥爨盼背实黼到这辩捌与鞭 诗妥这辩裁鹣瓣瘸耀孺，辗据遽一对麓阚疆及转予鹣转速亵绻捻足寸瓣霹诗簿 密野硬翁瓣瓣簸餮穰秽。通过对瓣域辫浆信号分辫戳褥到畸冀靛振秘频率秘 振动幅值。间相传感器w 以实现对整缴的每个叶片郝谶行测蚕。 蒸予谈爨蘧，嚣芬联翻美鬻采臻不围形式麴健撼嚣鞣测越7 s # 接触时片掇 渤瓣量装嚣8 辩瓤。其中魏苏联秘震墓磷粼翡惑予瓣线舔接触瀑慧装置鼹满轮撬 盼片袭不麓王躔下熬掇钴憋牲进行了大蹙豹磅窥，燕黧遥屋公司研毒4 的双探凝 叶片掇动非接触测量装鬣，可辩叶片颓郝的偏转、非嗣步振动淡掇掇簿进行溅 藿，嚣嚣渡装餐还曩来势辫汽麓辊砖茸麓援露漕嚣、谬狯蓥囊方寨蠢捻验掰设 计叶片的憷黼。 由箕测爨漂理可知，这糟方法对予测量时片发慰频率和旋转频率成整数僻 鞋嚣强遥援秘愚骞匿难瓣。褰逮静靖凝下，淤鬟方法哭要骰一撩羧瀵爨然燕餐 效懿，在鼠绞研究爨酶方法串，速矢端迹法是怒褥较广泛豹方法l l 磁。 由于阙黼幅位法燕邋避测蓬卧礤饿移采实蕊盱持攘动静嚣按驻测蠹煞，艘 此其测爨张潮瞧受到怒的限制，不髓宜对叶片的掰阶振动或带凰带叶片的搬 动遘稃瓣爨。程嚣手不帮灌豢盱片熬a 誉蘸酚攘裁、释冀莛嚣基靖褒镶转譬瓣 q 天津大学薅士学位论文 测量，该方法是一种比较有效的方法。 4 + 声嫡艨法 美溪e 馥 黪l i b e r t y 菝术皆心提蠢邃秘方法，蒡磅麓了爝予汽轮瓿戴压寒 死级在线簦嚣及鼗簿诊赘熬声酾应系统s t a r s ( s t e a mt u r b i n ea c o u s t i e r e s p o n s es y s t e m ) 。它使用无干扰、高灵敏度的瓶电声传感器安装在低滕缸导 浚叛或蹒掇上寒雅定璐时片窭汽遗汽滚蔗滚瑟渖。捌露时片声痿号鲦多潜勒教 成：当其簸率接近谨感嚣静频率瓣信号额率上爵，爱之下隈，专鞠静徽鲶疆撬 歇琏秘、窕频带汽瀵噪声、时冀遴溅脉洚及其鬈瓣复辣狰串分离逛时片黪声谑 谐特征，从而确定叶片是否发生熬振，以此来判断叶片状态。该系统可以识别 峙片爱绞懿存在疑扩糙、跨冀及箕遴谈簧莓缝褥靛攫莓，靖片懿鼓攘等敖黪攀 。 由予这种方法依嚣抬取叶片撮幼时发射的搿信号来判断叶片状态，丽运行 瑷场是一个具有宽频攀越鼹的复杂声场，医此鹫擞噪声的分辨及滤除是个关 键霹= 节。文献提出聚震疑步蠡重闽警均法来滤除米皂蒸汽流动鲍鹜景嗓声。瞧 璇繇滁蒸汽滚动臻声给，徒往存嶷驻多与转予转霸毒关数嗓声，嚣这类嗓声采 用同步时间平均法不能滤除，这将影响酸测的准确性。翻此，用这种方法对叶 片振动避程在线竣测与故障诊断，在背景噪声的滤除方愿嚣要进步研究。 5 ，擞浚濑蓬法攀l 德爨s i e m e n s 郛舆地铡数j o h a n n e sk e p l e r 大学采用微波传感器系统实时 监测汽轮枫叶片的振幼。传感器模块的自标定怒聚用微波源的自邋应频率调制， 遴遵整愆这令振定，经瀑凄漂移黎颗粒捩淀翳孽 怒懿溅塞犍鼹襞溅褥到替缮， 飙雨较好静实现盱片瀚摄虢灞量。 6 间接测疆法 间潦测量法，这类测爨方法燕通过监测转予侧愿 攒内) 掇溺、巍髂、辘 黎痉、疆力渡魂、槛麓鍪添襄燕交往等蘩惑来键辍跨冀静攘韵绩慧。黧遽j 建搽 潞输莪啜撩动来懿测婶片振动，该方法蓠先遴避试验来臻寇劝时擐动与辩零虞 掇动之悯的频率殷振幅的关系，从理论上分析了溅时片搬动影响的轴承成振动 臻号憨婚挺，逶过对溪灏时片黪赣承痊翡掇动溯蕊数据霞理论分折酝嵇计辩鼗 攒进彳亍比较，获得升片强动可检测性的分蹙系数，飘丽确定时片羽振动。 有关变献妇”介缡了上述这秘方法，缎该方浚照深溺藏鬻鹣隈铺( 魏时泞弦 麓弓l 起辅掇懿大小、加速度仪的灵敏度以及数搬处理技术等) ，实际应用尚寤待 遴一步臻离。 近几年国外述肖研究人员开始在理论和实溉上探索研究叶片振动和轴扭转 1 0 第嚣绪论 振动乏游辫藕合关系嚣鲻麓，凌蘑获孛褥骜酵嚣掇动熬穰美簧息。 ，2 。3 鞭蠹时冀动怒淄量靛发糕状嚣 农畿溪，懿悫对冀藩臻测登工臻拜建篷较早。魄力裁疆安热王鹾究貔飘t 9 6 5 年趋开始瓣片渤应力嚣线电遥测扮试验研究，东方汽轮桩厂、北京熏篷窀裁厂 先最蛾割了筘接触测擞时片搬动的墩予监测嚣，两者均相当予原苏联的3j 1y pa 彼嚣。鬻索逛秀专辩攀羧毽在嚣鼻yp a 靛慕懿主，蠹搿徽登谤纂税羧术 开发了滋瓣砉廷靖垮竣粒菲接簸灏量徽虢监溺系绫及装鬻。 1 2 4 叶片振动动怒测爨技术辆的方法和发灏趋势 涟羲茨麓瞽躯褥器 技零戆窭瑗，姆嚣浸透逛檬瓣，靖嚣簇凌溪爨蠢藐了瓣 的磅究方胸。s u b r a m a n i a n 等提出【3 8 j 将一个麓线微加避度传感器和它的电路察 成蘩嚣篮测的结构中。l e e 巍l i n 瓣接瓣，将盼片徽藏悬黉辩，在砖冀煞谈部 窝瘫瓤豹菝邀层分裂掺为搀感器秘激弱爨，髑聪瞧馋感嚣分手厅时片豹v o n k a r m a n 液嶷魏盛。a i - b e d o o r 器s u n a r 震益篾糟糕鼗入背冀勰鞭鼙j ，嚣睁片 振动测爨进行了初步的实验。上述方法都在逃疹的理论研究釉实验验证中。 透零袋髓誊澈炙技术懿裳袋，入稍嚣始捷薅激悫鼹蟹冀舔秘遂孬嚣搜徽灏 羹瑟酬霸。文献【鼹嗣l 审攘爨了采璃安装程汽薤上懿激巍馋感器灏爨汽耱凝时冀缀 葫麴蘸犊融溅鍪懿蕊零，瑟溅鳘系髓遴 亍了攘毒孽，释对实琢转予透霉亍了瓣爨， 同时对遇到的一些问越，如激光的不规则反射、健感器耐用性游进行了研究。 与英窀彭式憝黉惑黎麓 琶，激是蕊黪嚣獒昃专霹强秧褥疆枣，焚蓑予臻溪黪袋 装，尤其对传感器稚嚣豳难酾率阍缀的测量，受藏岛箕优越髓。困艨，采餍激 竞对时嚣缀劝进芎亍动态灏羹爨骞广瀚熊豪震魏鬃。 ，2 + 墓备瓣灏量蠢法麓译徐 档种测擞方法的优缺点如下： 1 。汽轮瓤时嚣摄囊旗恣溺蕊辫雾揍触瀑耋方渡魄装黢嚣薹穷法其京鹅曼懿撬 点。搂熬建溺鲎方法瓣l 冀实浚露整缀审豹嚣鬻靖片逡背溅爨，纛不麓遵嚣繁瓣 藏在线蕊溅，嚣# 撩然滚萋方法哥澈嶷现露攘缀簪所凑睁凳避褥在绫蕊溅。 2 间断棚位法和声响成法怒目前应用较好的两种q e 接触测鬣方法，假从前酹耕 述露瓷豁寮褒一定懿誉筵之签。 天津大举媾士学位论文 3 采用激光对叶片振动进行动态测凝具有良好的发展前景。 在众多的动态叶片监测方法中，非接触测量法由于结构简单、安装方便、 整溅葱戮广，苓影确汽浚滚动霸咛慧频率及篷怒簿往焘，将楚今后时冀叛麓动 态监铡技术的发展方向。 1 3 时烤振动测量数据分析方法 叶片振动铡量数据的分析处理方法与壳体上寂装的传感器个数及传感器之 间的安装必角有关。目前国外用得较多的是7 0 年代由z a b l o t s k y k o r o s t e l e v n 提塞寒懿，爰撂较残凌豹是荸参数锼零。单参数技术又称速矢端逑法，这耱技 术是用壳体上固定个传感器测羹叶片端部豹振动位移。它的实质就是利用振 荡系统的幅频特性和糊频特性，把汽轮机调到激振开始时转子旒转的频率，然 后逐渐改变转子的转速，并在每个转速下测量瞬拜重嵌移，直到从强追振动嚣域 离嚣跨才势丘溺量，魏搿1 - 6 魇示。该方法是嚣裁灏量阖步援劾薅褥凌较广泛 的间接方法之一。z a b l o t s k y k o r o s t e l e v 的单参数法事实上已成为航空工业的 检验标准。 ”n i i i 剥 、y 6 m 、厂 ：= ：苛 - 一一v 擐弼躺一黼性孟芏篇耥需薪鬻毒磊蚕嚣鬟雾蒸譬墨囊周上不同点的叶片端部的能移 嚼鄙位静刖篁化规俘：l d 戢 字对应予频率的增加。 匿1 - 6 用速灾端迹法测量隧步振动 第一肇绪论 帮参数法必须在转滤馥嶷瞧就是激振频帮敬交融和丽搽荡累缆的籀颟特 性，即使壮靖翡运动鄹棚对予辨壳不幼的激搬力之闻姻相位发毙敬变。因此， 汽耱飒盱冀在霉一转瓣黪璇不凌麴疆程逶过终戆器蘸安装毽鬟，嚣蕊莓蜜语蓉 弱婷片端部不搿瓣霹黢稼骖。在健惑器安装赡戆笳雄转懿溅爨钕移为 茗。= 套细o o s 甜妒。) ) 戏中a ( c o ) 为振裰；妒( 四淹招位；出为o 片缀动颗率。被记录的盼片其黢 麦鸯璐枣茳移之嚣麴嫠攘邋予时冀振动黪最大凝援摄爆，露与僚感器的安装能 置秃筵。 肇参数浚只憝铡爨爨撩楼，不携礁定共搬敬额攀秽输次，豳找s h e a f i a 提出 了双参数洼 7 4 - 7 7 ，该方法蔑剃雳两个蕊墓嚣涎爨赘豹寝移逡霸数攥鞋窘楚蘧* 褥裂掰个转戆嚣在共蒎藤线土静鞫绞整，获瓣锫盘嚣步共振髓酚次，两求出时 片掇渤的频率。这种方法遐程旰轮枫巍体上安装两只传感嚣a 、b ，设a 点褡 霹予嘏嶷孛心水平轴线骢囊避角度为吼，a 与b 之阑的安装角阐躐为z x 0 ，如 图 。7 浙示。 鼹l 。7 毅参数法传藩嚣蜜装豢戆整 浚警蒋时片静掇稻凳零，a 点瓣褥静蹿泞攘凄楱醢受蕊e 爻雩予辩枣畸鹭 在a 鞫b 处懿振动德移羚剐是 天津大学博士学位论文 x = a ( w ) c o s ( m 0 4 + 秽( 掰) ) + c 善3 = 一( 甜) e 。s 撒免+ 贩) + 撒矗+ e 式中“( 出) 为搬幅；妒( ) 为振幼相位；c 为偏移常数n 诿矗舻是振动黥穗整熬，强( t - 3 ) 式w 班改写为 x 口= a ( 奶c o s ( m 吼+ 妒( ) + 矗妒) + c 当舞个传感嚣憋提位燕差必9 0 0 ，1 - 4 ) 式必 x 8 = - a ( o ) s i n ( m 受+ 伊细羚c ( 1 - 2 ) 0 - 3 ) ( 1 - 4 ) ( i - 5 ) 当工作轮变速运转，转予转速捆过共撅区时，由于激励频率变化，叶片同 步赣痊茨辐镬器耱使篷发生交纯，式l 。2 ) 爨( 1 - 3 ) 合成浆擐疆鞔遮在掇黛括 图上形成个圆，如图1 - 8 所示。因此，列以通过轨迹圆采建立叶片同步搬动 懿数学模塑。 匿l 一8 时冀共援的极坐椽鼹 第一章缝论 l 0 5 0 05 1 一l 0 1 1 0 4 楣谴差 1 05 0 0 5 1 10 1 9 0 。相位差 i n1 - 9 不国稷位差妒辩抟基器翻鸶妇壤堡艨圈 轨迹圆的原点位鬣由c 值来决定，对每个叶片偏移常数c 值是不一样的。 激聚菝率在鼹豹霞嚣与黄惑嚣安装氖瘦瓒以骞关。黠应予共振上抟感嚣探头 不同的相位熬a 妒，由式( t - 2 ) 、( 1 4 ) 得副的叶片撤幅值合成不同的轨迹，如 图1 9 所示。 图1 - 9 定义兔双参数蚕。双参数图中定义：轴系数= 短睾夔长度长麓长度， 如图1 1 0 _ i 搿示。 主轴 么 形 煳 图1 1 0 双参数法术语定义 l s 天津大学博士学位论文 由上述可见，传感器间的相位差和双参数图中的轴比系数及主轴角之间存 在着一种关系，这种关系与传感器a 的位置无关；并且以3 6 0 。为周期重复出 现。在每3 6 0 。周期内以9 0 。为间隔分为四个区域。在每个区域内，相位差与 轴比之间几乎成线性的关系，如图1 - 1 1 所示。 1 0 霉 如s 半 o 一一 、，、 一 vv i 1 8 0 。2 7 0 。3 6 0 。 传感器角间距 图1 1 1 相位差和轴比例系数关系图 实际中，轴比和主轴角能从双参数图中得到，为了直接计算相位差，可以 采用一个三阶多项式来拟合相位差。 相位差= p ( 轴比系数) 3 + q x ( 轴比系数) 2 + r x ( 轴比系数) + s 对应于不同的区域p 、q 、r 、s 的值见表l i 。 表1 - i 多项式拟合系数 区域 p q rs l- 7 2 2 62 i 8 2 71 1 9 0 8 90 1 6 9 27 2 7 22 1 8 4 81 1 9 1 6 41 8 0 1 7 5 37 2 8 32 1 8 2 51 1 9 1 5 61 7 9 8 2 5 47 2 1 82 1 8 4 81 1 9 1 0 23 6 0 1 7 2 对比式1 0 和式l - 4 有 a e = m a 8 因此，可得同步振动阶数 m = 等 ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 蠡藏搿黻确定时片阕步掇凌颧率 = m r , 这辑秘方法都嚣要跨羧凝凌变转速王况下逶嚣。毽在太多数祷提下，更多 酹是蕊瓣盼轮梳处于慷滗酌运转条件下的振动，霞此，荤参数滋、双参羧法的 应用受到一定的限制，尤其不邋用于蜜时监测和实时数据处理。 。4 谖题来源及论文空要醑究内容 本课蹶求源于解放翠总装备部国防预先研究熬惫资助项网( 项目号 h c 2 0 2 ，1 5 0 2 0 1 0 2 ) “嚣羧艇式旋转晴冀攘动溺爨披求疆究”，该瑗嚣受孛翟燃 汽涡轮研究院琦天津大攀、佛山科学技术学院龠佟骈究。针对巾瓣燃汽满轮磷 究院菜麓鼍舷警发动礁黝营级时片摄璇避亏亍实鬟寸瓷线黢溯研究。鬻绕该课题， 本论文主癸的碘究工佟移创掰患在子： 1 鑫辫凑豢巍建立了一襄全耨鹣离逮蜜爵蕤转晴舞簇饕检测蓉统。解决了溅爨 系统三个主要关键技术，即叶端定时传感器、离遮脉冲信号聚熊及预处理、叶 端定嚣寸浏爨数据豹分搬怂理。 2 + 设诗秀发了逶痤离遮实戆藏溺要袋熬全竞野咛溃定嚣雩抟落嚣，搿礤潮静时磺 定对簧感嚣藏存蒗电磁予扰能力强、凝舞德子1 0 0 黼z ，测量鼹黼达到0 5 羽黪 特点。 3 ，设诗了蕊予霎定频攀躲冲填充法诗数熟离逮躲渖信号采集发鞭处璎电路，实 现定辩辩瀚溯鳖；爨设计骑采蒸系统穗这鬟i o n s 豹定露分辨力，在霞移稽度魏 0 0 2 5 私掰愤况下，能测叶片半径在i 5 m 以内，转速程5 0 1 5 0 0 0 转分的叶片 振动。 4 谨缁努嚣擎了野端跫辩测塞数褥楚理靛方法，提窭了垒毅爨5 + 2 抉逮算法，鳞 决了镪播辩步振动和黼步振动溺量数攘的分析照溅阉蘼，提辩了系统绩号簸理 的实时性。 s 赞辩盱溃定时涎囊方法在强篓滋蠢上翡不麓，孳 入了嚣鍪专家系统，蒡对奖 进行_ ；费冀帮实验，鞭樽了缀好的效果。 天津大举博士学位论文 第二鼙时端定时测量系统凝其关键按术 涡轮机械的高速旋转转子经高精度动平衡詹，叶片的径向振动可以控制得 锻小，程“热态”时，叶片斌部几乎与舰艇的石墨屡接触。磷时片圆周方向熬 摄漤爨是旋转辊藏串畿怒羧熬簌动，嚣建黪需怼时片在落线方| 逡懿振凄获杰逐 行媳测。 非接触旋转叶片掇动测量的方法有多种，其中最有应厢箭祭的是叶端定时 灏爨法。时蠛定黠测豢方滚靛实嫒农予对龄片援瀚参数斡测麓不是连续戆，蘧 是在经j 窭定对颡溺黼豹莱些对刻避孑亍靛。并鼓，为了蕊取褥信爨豹过程锈瓣 断他，利用了叶片机转予的旋转。因此，搬动过糕中诸参数的测撩是间断避褥 鹃。采震奸端定辩测鬃法鹃砖冀掇韵溅量不仅程方法上，而盛在襁互关系上商 藿一系翻黪蠢，这篓褥患嚣鬟予澜薰振动辩连续 銎蒙菝动参数豹撩统方法。罄 对野片静端鄢裙对往移迸行阊凝涮爨，摄簇所灏爨到翡断续躺数德“还承”为 叶片的原始振动过程，并且对叶片懿个振动过程鼢参数进行分析。 时璃霆黠溺量系缀嚣懿是要测定旋转畸片端帮透过稿对骥定凌麦葬上粒篱 感嚣的甜黼，在无强动的情况下，时片的剃达嚣才间仅仅取决予旋转速度；囊时 片振动浆瓣候，野片靛露逸对瓣遴将取决予振凌黝滚藕纛颡牵。裁忿，时片豹 振动特憾能从这些数掇中褥到。由此可见，叶端定时测量系绕必须具有三瑷主 要凄楚，嚣，逶过瀚定在壳僖上靛祷感器拾鼗畸片銎 这靛瓣竣辩瘸；篱二， 从原始时间的测量数攒中求出如位移、速度和加濑度等参数；第三，对上述已 褥戮鹃鼗攒进芎亍链疆，激褥鬟接述时片振动褴袋鹣将篷参数。 2 卧黎震对测羹蠢法基本艨疆 爝时潴定辩测鬻技术簸襁滠糟槐峙片搬动舱方法是，中年代戳寒发劈黪一 项纛要新技术，它与传统熬痤交片方法院较有一系列兹谯煮。这释方法不嚣耍 在时片上蜜装任傍嚣传，只霉在漏铃极的静止终鼹上安装姥撩