专利名称：恒速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法
技术领域：
本发明是关于旋转机械叶片振动的检测方法，更具体地说，本发明是关于基于叶尖定时 原理恒速条件下多传感器任意分布的高速旋转叶片同步振动参数检测方法。
背景技术：
叶尖定时测振技术在旋转机械实时监测及故障诊断领域中占有重要地位，特别是航空发 动机、电站发电机、烟气轮机等旋转机械的叶片振动在线监测应用中，对叶尖定时测振技术 提出了更高的要求，促使其向高精度、全面参数检测方向发展。叶尖定时测振技术是一种非 接触检测方法，其基本原理是将叶尖定时传感器安装在旋转机械相对静止的壳体上，利用传 感器测量叶片通过时产生的脉冲信号来记录叶片到来的时间，叶片到达时间t随着叶片的振动而变化，通过一定算法对时间序列U1进行处理即可辨识出叶片振动信息。由于叶尖定时测振技术属于一种严重欠采样方法，辨识叶片振动信息相对困难。针对叶片异步振动己提出并 研究了差频法、三均布、五均布、延时采样等多种检测方法。叶片同步振动频率与转速成整 数倍关系，从而增加了同步振动信息辨识难度，目前已被研究的同步振动检测方法主要有速 矢端迹法、双参数法、二等夹角法等等。以上同步振动检测方法需要以旋转机械匀变速运行 为前提条件，具有一定的局限性。实际中旋转机械正常运行时为恒速运行，为满足实时在线 监测的需要，有待研究一种恒速下叶片同步振动检测方法。发明内容为克服现有技术的前述不足，解决恒速下高速旋转叶片同步振动参数检测以匀变速运行 为前提条件的局限性，本发明的目的是提供一种恒速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法， 满足实时在线监测的需要。本发明采用的技术方案是，恒速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，包括下列步骤 基于叶尖定时测振原理，将叶尖定时传感器检测到的某一叶片同步振动位移乂表示为=^sin(iVea,+A) + C (/=0、 1、 2…) (1) /表示不同叶尖定时传感器编号，",为不同叶尖定时传感器相对0号叶尖定时传感器的安装夹角，编号为0的叶尖定时传感器安装夹角"。=0， ^为0号叶尖定时传感器测得叶片的振动相位，^为叶片同步振动幅值，C为振动常偏量；选取包含叶片实际共振倍频7Ve的一段倍频遍历范围，把叶尖定时传感器实际安装夹角 和所选倍频A^代入公式(1)，构成超定方程组，由最小二乘方法解出不同倍频对应多传感器 理论测得的振动位移；将计算出的振动位移与实际测量的振动位移进行比较，求得两者间误差的方和根，倍频 遍历过程中使得前述误差方和根取最小值的倍频iV^为叶片实际振动的倍频值，即iVe=A^，从而叶片固有频率/ = 乂._/;。， /w为恒速下频率平均值。在叶片转子恒速运行条件下，将叶尖定时传感器和转速同步传感器测得信号经过处理模 块和采集模块提取所有叶片通过同步共振区时的振动信息，再在计算机中采用处理算法处理 后得到测量结果。所述的传感器间安装夹角ai是，通过传感器分布优化方法，根据同步振动预期辨识效果 的评价函数确定叶尖定时多传感器的分布方案，即采用安装角的平均值E(Ne)和标准差D(Ne) 两个评价函数对安装方案进行评估，确定传感器安装夹角和数量。所述的倍频遍历是选取一段振动倍频值，计算出每一倍频值下的各传感器理论测得振动 位移值，与各传感器实际测量的振动位移值相比较，最相近的结果所对应的倍频值即为实际 振动的倍频值。本发明提供的可以带来如下效果本发明采用叶尖定时传感器分布设置及倍频遍历过程的方法，因而不需要匀变速运动等 测量前提条件，简化了测量过程，满足实时在线监测的需要。采取叶尖定时传感器安装夹角的平均值E (Ne〉和标准差D (Ne)两个评价函数对测量方案进 行评估，使得测量结果更为准确。
图1示出本发明的同步振动检测方法系统框图。图2示出本发明的同步振动预期辨识效果的评价函数图。图3示出本发明的实施例中某传感器测得的叶片振动位移和转速曲线图。图4示出本发明的实施例中叶片所有传感器获得的叶片振动位移图。图5示出本发明的实施例中叶片共振倍频遍历分析图。图l中l为旋转机械机壳；2为转子叶片；3为叶尖定时传感器；4为转速同步传感器； 5为信号处理模块；6为信号采集模块；7为计算机处理软件。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。在图1中，旋转机械转子叶片2以相对恒定转速运行，叶尖定时传感器3和转速同步传 感器4测得信号经过处理模块5和采集模块6能提取所有叶片通过同步共振区时的振动信息。 在计算机7中采用各种处理算法后，准确辨识出叶片同步振动固有频率fn、振动位移y、振 幅A、倍频Ne等振动参数。旋转机械以某一恒速运行时，若在该转速下某叶片发生倍频Ne的同步振动，分布在机壳l不同位置的叶尖定时传感器检测到的某一叶片同步振动位移y'可表示为 乂 =Jsin(A^r,+^。) + C (i=o、 1、 2…) (1)其中，i表示不同叶尖定时传感器编号；"'为不同传感器相对0号传感器的安装夹角 ("o^G); A为o号传感器测得叶片的振动相位；A为叶片同步振动幅值；C为振动常偏量。4由于叶片同步振动频率为转速频率的整数倍，因此，理论上同一叶尖定时传感器不同圈 测得同一叶片的同步振动位移值为一定值。实际由于存在异步振动和随机干扰，取多圈位移 平均值为同步振动位移值。得到不同传感器测得不同的振动位移值后，采用遍历方法即可准 确获得叶片共振倍频Ne、固有频率fn等参数。选取包含叶片实际共振倍频Ne的一段倍频遍历范围(NerNe2)，把感器实际安装夹角a i 和所选倍频Nej代入公式(1)，构成超定方程组，可解出不同倍频NejE(Nel Ne2)对应不同组多传感器理论测得的振动位移^ 。将计算出的振动位移与实际测量的振动位移进行比较， 求得两者差值的方和根。倍频遍历过程中使得误差方和根取最小的倍频Nek为叶片实际振动的倍频值，即N^Nek。从而叶片固有频率/"=乂',0。下面是基于叶尖定时原理恒速下任意分布叶片同歩振动检测方法的实施例。 某型号设备旋转叶片设计固有频率在1800Hz附近，预计在9000rpm转速附近将产生12 倍频的同步共振。该设备对传感器安装角度及数量限制不高，优化设计传感器分布，依次相 对TPO传感器的安装夹角为0° 、 17.5° 、 35° 、 52.5° 、 72° 、 120° 、 216。 、 240° 、 244° 。在图2中采用安装角的平均值E(Ne)和标准差D(Ne)两个评价函数对安装方案进行了 评估，在12倍频处同时满足相对较大的平均值E(Ne)和较小的标准差D(Ne)，故认为此分布 方案可较好地辨识出该倍频处的同步共振。式(1)可以写成-乂 = Jsin(乂or,)cos^) +爿cos(乂a,)sin^)+C 丄 2".6) (2)因此，7支传感器振动位移方程构成超定方程组乂 = ^ cos(7V^ ) sin -0 + sin(A^a，) cos -0 + C _y2 = Jcos(A^a2)sin-0 + Jsin(A^"2)cos^0 +C -y3 = j cos(A^y"3) sin 0O +爿sin(A^"3) cos -0 + C y4 = j cos( "4) sin -0 + ^ sin( 乂"4) cos #0 + C y5 =爿cos( A^or5) sin 0O +爿sin( 乂"5) cos #0 + C y6 = ^ cos( "6) sin ^0 + J sin(A^a6) cos -0 + C分别令(3)V爿sin 0Oj COS 0O-X3 —C(4)5 =1cos(A^ar,) cos(A^"2) cos(A^"3) cos(A^ 4) cos(iV^ 5) cos(A^"6)0sin(A^a,) sin(Wrfa2) sin(A^rfa3) sin(Wrf 4) sin(A^a5) sin(Wrfa6)(5)<formula>formula see original document page 6</formula>
则方程组(3)式可写成:
采用最小二乘法求解。选取一定范围的N e依次遍历求式(7)的最小二乘解:
再把(8)式代入原方程组，求振动位移误差为
In表示振动位移计算值与测得值的接近程度。若所选倍频遍历范围包括实际倍频值，则 当In取最小值时说对应的遍历倍频值即为真实倍频值。
在图3中，可以观察到部分圈数某传感器测得的某叶片振动位移值以及对应的叶片转子 转速连续变化曲线。在图4中，得到了 7支传感器实际测得的振动位移值，将其代入(9)式， 选取倍频遍历范围(广25)进行遍历。在图5中，可以观察每个倍频遍历所对应的振动位移 误差方和根大小，显然当遍历倍频值为12时，误差方和根取最小值0.00539。因此，可判断 该恒速下发生倍频Ne=12的同步共振。此时转速频率平均值为fr=151.49Hz,则同歩振动固
有频率fr^NeXfrl2X 151. 49=1817. 88Hz。由(4)式可知振幅^ = V々+^ ，由此可求得同 步振动幅值为0. 0326ram。
权利要求
1.一种恒速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，其特征是，包括下列步骤基于叶尖定时测振原理，将叶尖定时传感器检测到的某一叶片同步振动位移yi表示为yi＝Asin(Neαi+φ0)+C(i＝0、1、2…) (1)i表示不同叶尖定时传感器编号，αi为不同叶尖定时传感器相对0号叶尖定时传感器的安装夹角，编号为0的叶尖定时传感器安装夹角α0＝0，φ0为0号叶尖定时传感器测得叶片的振动相位，A为叶片同步振动幅值，C为振动常偏量；选取包含叶片实际共振倍频Ne的一段倍频遍历范围，把叶尖定时传感器实际安装夹角αi和所选倍频Nej代入公式(1)，构成超定方程组，由最小二乘方法解出不同倍频对应多传感器理论测得的振动位移；将计算出的振动位移与实际测量的振动位移进行比较，求得两者间误差的方和根，倍频遍历过程中使得前述误差方和根取最小值的倍频Nek为叶片实际振动的倍频值，即Ne＝Nek，从而叶片固有频率fn＝Ne·fr0，fr0为恒速下频率平均值。
2. 根据权利要求l所述的一种恒速下高速旋转叶片同歩振动参数检测方法，其特征是，在叶 片转子恒速运行条件下，将叶尖定时传感器和转速同步传感器测得信号经过处理模块和采 集模块提取所有叶片通过同步共振区时的振动信息，再在计算机中采用处理算法处理后得 到测量结果。
3. 根据权利要求1所述的一种变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，其特征是，所述 的传感器间安装夹角oti是，通过传感器分布优化方法，根据同步振动预期辨识效果的评 价函数确定叶尖定时多传感器的分布方案，即采用安装角的平均值E(Ne)和标准差D(Ne) 两个评价函数对安装方案进行评估，确定传感器安装夹角和数量。
4. 根据权利要求1所述的倍频遍历，其特征在于，所述的倍频遍历是选取一段振动倍频值， 计算出每一倍频值下的各传感器理论测得振动位移值，与各传感器实际测量的振动位移值 相比较，最相近的结果所对应的倍频值即为实际振动的倍频值。
全文摘要
本发明是关于旋转机械叶片振动的检测方法，具体讲涉及高速旋转叶片同步振动参数检测方法。为解决以匀变速运行为前提条件的局限性，满足实时在线监测的需要，本发明采用的技术方案是，基于叶尖定时测振原理，将叶尖定时传感器检测到的某一叶片同步振动位移y<sub>i</sub>表示为y<sub>i</sub>＝Asin(N<sub>e</sub>α<sub>i</sub>+φ<sub>0</sub>)+C(i＝0、1、2…)，选取包含叶片实际共振倍频N<sub>e</sub>的一段倍频遍历范围，把叶尖定时传感器实际安装夹角α<sub>i</sub>和所选倍频N<sub>ej</sub>代入公式，由最小二乘方法解出不同倍频对应多传感器理论测得的振动位移；计算出的振动位移与实际测量的两者间误差的方和根，倍频遍历过程中使得前述误差方和根取最小值的倍频为叶片实际振动的倍频值。本发明主要应用于旋转机械叶片振动的检测方法。
文档编号G01H13/00GK101629846SQ20091007000
公开日2010年1月20日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者孔祥洪, 李孟麟, 欧阳涛, 段发阶 申请人:天津大学