非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子葉片裂紋故障試驗中的應(yīng)用

劉美茹，朱　靖，滕光蓉，李光輝

（中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子葉片裂紋故障試驗中的應(yīng)用

劉美茹，朱靖，滕光蓉，李光輝

（中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

采用非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)測量模擬轉(zhuǎn)子葉片振動特性，通過單自由度和周向傅立葉兩種分析方法，擬合并計算出葉片共振時的幅值、動頻、轉(zhuǎn)速、激勵階次等。試驗結(jié)果表明，葉片出現(xiàn)裂紋后，葉片動頻顯著下降。動頻結(jié)果與錘擊法測量葉片靜頻結(jié)果對比表明，動頻結(jié)果更接近真實情況。該系統(tǒng)可有效識別葉片裂紋，其成功運用對于實現(xiàn)或建立葉片裂紋故障在線監(jiān)測具有十分重要的意義。

非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子葉片；裂紋；振動特性；錘擊法；動頻；靜頻

1　引言

轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)機械的重要部件，其葉片在運行中工作條件苛刻、所受載荷復(fù)雜，加之因葉片設(shè)計參數(shù)或運行工況使葉片自振頻率與工況激振頻率一致而發(fā)生共振破壞，或因制造、安裝和工況環(huán)境造成葉片抗疲勞能力降低，所以長期運行的轉(zhuǎn)子，會出現(xiàn)不同程度的裂紋，最終引起葉片斷裂［1-2］，造成機組損壞。因此，對裂紋葉片的振動特性進行分析特別重要。

目前，在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷方面，大多采用CAD軟件建立轉(zhuǎn)子葉片的三維實體模型［3］，通過有限元軟件對裂紋葉片進行動力學(xué)分析，但建模模擬計算與實際葉片工作存在一定差異。另外，轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生裂紋后，其剛度發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)特性也會發(fā)生變化，使得產(chǎn)生非平衡信號，特別是當葉片有微小裂紋時，其缺陷信號通常被其他零部件的振動信號和隨機噪聲所淹沒［4-5］。國內(nèi)外曾有人用裂紋懸臂梁的振動特性來研究裂紋葉片的振動特性，但其分析模型與真實葉片存在差距，具有局限性。

針對上述情況，本文利用非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)，實時監(jiān)測標記葉片出現(xiàn)裂紋前后的動頻、共振轉(zhuǎn)速及激勵階次，并與傳統(tǒng)錘擊法測量標記葉片出現(xiàn)裂紋前后的靜頻進行對比。

2　非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)的分析原理

基于葉尖定時原理的非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量，是將多個非接觸傳感器沿徑向安裝在旋轉(zhuǎn)機械相對靜止的殼體上，利用傳感器感受在它前面通過的旋轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的脈沖信號。假定葉片不發(fā)生振動，可根據(jù)每個葉片在轉(zhuǎn)子上的周向位置和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，計算出葉片到達傳感器的時間。實際上葉片是振動的，所以葉片端部相對于轉(zhuǎn)動方向?qū)蚯盎蛳蚝笃?，使得到達傳感器的實際時間與假定葉片不振動時到達傳感器的時間不相等，即脈沖到達時間發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一個時間差，對該時間差信號序列進行分析處理，即可得到葉片振動位移信息，計算出葉片振動的振幅和頻率。同時，借助基準同步信號，還可以對每個旋轉(zhuǎn)葉片的振動進行分析［6-8］。非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)，主要由光纖傳感器、光學(xué)前置放大器和數(shù)采系統(tǒng)組成。

本次試驗所用非接觸式旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)的同步振動分析方法，分為單自由度（SDOF）算法和周向傅立葉算法。單自由度算法的原理是每個傳感器每轉(zhuǎn)只能檢測到一次葉片振動，最終葉片經(jīng)共振區(qū)后采集的數(shù)據(jù)是一組離散數(shù)據(jù)。這些離散數(shù)據(jù)點對應(yīng)葉片共振時不同相位下的振動曲線（如圖1藍色區(qū)域中的曲線），通過計算來擬合不同傳感器的振動曲線（圖中以不同顏色表示）。所有擬合曲線都包絡(luò)在藍色區(qū)域中，所以每條曲線的最大值都不會超過振動幅值。所有曲線都包含了相同的葉片共振的幅值和振動轉(zhuǎn)速，只是相位有些區(qū)別。然后根據(jù)激勵階次可計算振動頻率。單傳感器檢測到的葉片的共振頻率和共振幅值精度相對較低。

周向傅立葉算法使用與單自由度算法不同的數(shù)學(xué)方法處理葉片同步振動。對于每個轉(zhuǎn)速/時間點，周向傅立葉算法采用最小均方根誤差原理將數(shù)據(jù)向周向正弦波擬合。這種方法的優(yōu)點是，它給出了一個瞬間結(jié)果，可更好地理解復(fù)雜振型（非單自由度）的響應(yīng)，且測量精度較高。結(jié)果輸出每個數(shù)據(jù)點的幅值、相位和偏差，與應(yīng)變片做的階次跟蹤結(jié)果非常類似。基于轉(zhuǎn)速畫出計算的幅值和相位，就得到了常見的共振圖。采用這種方法，需要在機匣同一圓周方向上布置大于等于三支傳感器。

3　試驗方法

葉片動頻測試試驗在中國燃氣渦輪研究院某設(shè)備上進行（圖2），模擬轉(zhuǎn)子由電機帶轉(zhuǎn)。模擬轉(zhuǎn)子共有8片葉片，在其前端鍵槽部位安裝一支光纖傳感器為數(shù)采系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速信號（每轉(zhuǎn)一個信號，同時提供速度參考和相位參考）。根據(jù)非接觸式旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)中單自由度算法和周向傅立葉算法需要，在模擬機匣上安裝了三支非接觸式光纖振動傳感器。定義機匣上方最左端位置傳感器為0號傳感器，安裝角度為0°，順時針1號傳感器角度為18°，2號傳感器為36°。系統(tǒng)默認定義：當鍵槽通過轉(zhuǎn)速傳感器后，第一個通過0號傳感器的葉片為1號葉片。分析表明，本試驗標記葉片為該系統(tǒng)的5號葉片。

圖2　R基于非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)的動頻測試系統(tǒng)Fig.2 Dynamic frequency testing system based on the non-contact rotating b lade vibrationmeasurementsystem

試驗過程中，電機轉(zhuǎn)速設(shè)置為：電機啟動到2 000 r/m in后，300 s勻速上升到14 000 r/m in，峰值保持5 s后，100 s勻速下降到2 000 r/min。利用非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)，實時監(jiān)測模擬轉(zhuǎn)子各葉片在不同轉(zhuǎn)速下的振動位移。離線處理時，利用單自由度和周向傅立葉分析兩種共振分析方法，可準確獲取標記葉片的共振幅值、共振轉(zhuǎn)速、共振頻率及激勵階次。本次試驗進行兩次起動，第一次起動為葉片完好狀態(tài)時的振動特性試驗。第二次起動前，利用線切割技術(shù)對5號葉片葉根部位加工一道裂紋。為考慮激勵階次對葉片振動的影響，第一次起動時，采用一定壓力的連續(xù)氣流直接對葉片進行激振；第二次試驗過程中，沒有對葉片進行激振。

為驗證該系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的準確性，試驗后利用錘擊法對5號葉片的靜頻進行測量。試驗時，將8片模擬葉片裝載在模擬轉(zhuǎn)軸上，使其處于自由狀態(tài)。將一支接觸式加速度傳感器粘貼在5號葉片上，利用力錘單點激振、單點拾振，利用動態(tài)信號分析儀對采集的激勵信號和響應(yīng)信號做傳遞函數(shù)分析，進而輸出模擬葉片靜頻。測量頻率范圍為0～2.5 kHz，頻譜分析精度不低于2Hz。

4　試驗結(jié)果

4.1非接觸振動測量系統(tǒng)的試驗結(jié)果分析

模擬轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)中，利用非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)，對8片模擬葉片的實時振動進行監(jiān)測，得出各葉片各狀態(tài)下的同步振動和異步振動。試驗后，利用單自由度和周向傅立葉算法對5號葉片的固有頻率進行分析，結(jié)果如表1、表2所示。第一次試驗過程中采用了氣流激振，在11 800 r/min左右葉片有明顯共振現(xiàn)象，激勵階次為9階；第二次試驗過程中沒有對葉片進行激振，在12 600 r/min左右5號葉片才有共振，且激勵階次為8階。

表1　R 5號葉片出現(xiàn)裂紋前后的固有頻率特性（單自由度算法）Table 1 Natural frequency feature of the fifth blade before and after a crack（SDOFCurve Fit）

表2　R 5號葉片出現(xiàn)裂紋前后的固有頻率特性（周向傅立葉算法Table 2 Natural frequency feature of the fifth blade before and after a crack（Circum ferential Fourier Fit）

（1）葉片無裂紋時的測量情況

葉片無裂紋時，8片葉片的同步振動情況一致，在轉(zhuǎn)速11 880～11 900 r/min時，各葉片產(chǎn)生明顯的共振現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3　R各葉片的振動情況（無切割裂紋）Fig.3 Vibration conditions of all the b lades（withouta crack）

利用單自由度方法對5號葉片的動頻進行分析，結(jié)果如圖4所示。0號傳感器監(jiān)測出葉片的共振轉(zhuǎn)速為11 902 r/min，5號葉片的共振幅值為9.5μm；1號傳感器監(jiān)測出葉片的共振轉(zhuǎn)速為11 882 r/m in，5號葉片的共振幅值為11.3μm；2號傳感器監(jiān)測出葉片的共振轉(zhuǎn)速為11 892 r/m in，5號葉片的共振幅值為18.9μm。計算出的激勵階次均為9階，從而得出5號葉片在無裂紋時的固有頻率約為1 784 Hz。

圖4　R單自由度算法葉片共振頻譜圖（無切割裂紋）Fig.4 Synchronization vibration spectrogram using SDOFCurve Fit（withouta crack）

利用周向傅立葉算法分析的結(jié)果如圖5所示，得出5號葉片的固有頻率為1 782 Hz。共振轉(zhuǎn)速為11 882 r/m in，共振幅值為19.3μm，激勵階次為9階。

（2）葉片有裂紋時的測量情況

葉片有裂紋時，5號葉片在轉(zhuǎn)速約為12 600 r/min時，有明顯的共振情況發(fā)生，如圖6所示。

圖5　R周向傅立葉算法葉片共振頻率圖（無切割裂紋）Fig.5 Synchronization vibration spectrogram using Circum ferential Fourier Fit（withouta crack）

圖6　R各葉片的振動情況（有切割裂紋）Fig.6 Vibration conditionsofall the blades（with a crack on the fifth blade）

利用單自由度方法對5號葉片的動頻進行計算，結(jié)果如圖7所示。0號傳感器監(jiān)測出葉片的共振轉(zhuǎn)速為12 663 r/min，振動幅值為21.4μm；1號傳感器監(jiān)測出葉片的共振轉(zhuǎn)速為12 664 r/min，振動幅值為66.4μm；2號傳感器監(jiān)測出葉片的共振轉(zhuǎn)速為12 664 r/m in，振動幅值為45.4μm。計算出的激勵階次均為8階，從而得出5號葉片出現(xiàn)裂紋后的固有頻率約為1 688Hz。

利用周向傅立葉算法分析的結(jié)果如圖8所示，得出5號葉片的固有頻率為1 689 Hz。共振轉(zhuǎn)速為12 665 r/min，共振幅值為64.5μm，激勵階次為8階。

4.2錘擊法測量葉片靜頻的試驗結(jié)果分析

利用錘擊法先后對5號葉片無裂紋和有切割裂紋時的靜頻進行測量，結(jié)果為：無裂紋時葉片固有頻率為1 742 Hz，有裂紋時葉片固有頻率為1 640 Hz?？梢?，裂紋的存在使得葉片的固有頻率降低。

圖7　R單自由度算法葉片共振頻率圖（有切割裂紋）Fig.7 Synchronization vibration spectrogram using SDOFCurve Fit（with a crack on the fifth blade）

圖8　R周向傅立葉算法葉片共振頻率圖（有切割裂紋）Fig.8 Synchronization vibration spectrogram using Circum ferential Fourier Fit（with a crack on the fifth blade）

4.3測量結(jié)果對比

采用單自由度和周向傅立葉算法分析得到的裂紋葉片的固有頻率基本一致，即無裂紋時約為1 782Hz，有裂紋時約為1 689Hz。

第一次試驗采用了氣流對葉片激振的方法，故在11 800 r/min左右出現(xiàn)了9階次的共振；第二次試驗中沒有采用氣流對葉片激振的方法，故5號葉片（有裂紋）在12 600 r/min左右出現(xiàn)了8階次的共振，而其他葉片共振轉(zhuǎn)速更高。

非接觸振動測量系統(tǒng)監(jiān)測到的是旋轉(zhuǎn)葉片的動頻，錘擊法測量的是旋轉(zhuǎn)葉片的靜頻，動頻比靜頻略高，從測量數(shù)據(jù)看與此規(guī)律較為吻合。兩者結(jié)果比較一致，與理論計算的第一階固有頻率1 776Hz一致。

5　結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)子葉片有裂紋時，葉片的固有頻率將降低，這一結(jié)論可作為葉片是否產(chǎn)生裂紋的一個判據(jù)。

（2）非接觸振動測量系統(tǒng)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)葉片的共振監(jiān)測中，所測數(shù)據(jù)真實可靠，將在葉片裂紋監(jiān)測中發(fā)揮作用。

［1］Ostachowiez W M，Krawezuk M.Analysis of the effect ofcracks on the natural frequencies of a cantilever beam［J］.Journalof Sound and Vibration，1991，150（2）：191—201.

［2］Wauer J.Vibration of cracked rotating blades［J］.Machine Vibration，1992，（1）：126—131.

［3］沈亮霓，鄒圓剛，劉曉波.風機葉片裂紋的診斷研究［J］.機械設(shè)計與制造，2008，（6）：130—132.

［4］任世美.基于小波包分解的轉(zhuǎn)子葉片裂紋故障特征分析［J］.冶金設(shè)備，2005，（6）：39—41.

［5］劉曉波，黃其柏.轉(zhuǎn)子葉片裂紋擴展故障診斷實驗研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，33（9）：50—52.

［6］鐘志才，馮心海，敬發(fā)憲.葉尖定時測量數(shù)據(jù)計算機仿真方法研究［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2003，16（4）：45—48.

［7］鐘志才，范志強，李光輝，等.葉尖定時振動測量系統(tǒng)及其在某模擬試驗件上的應(yīng)用［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2008，21（4）：42—45.

［8］鐘志才，滕光蓉，陳香，等.風扇轉(zhuǎn)子葉片的非接觸振動測量［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2011，24（4）：44—47.

Non-con tact rotating blade vibrationm easu rem ent system in rotor blade crack fault test

LIU Mei-ru，ZHU Jing，TENG Guang-rong，LIGuang-hui （China gas turbine establishment，Jiangyou 621703，China）

Using non-contact rotating blade vibration measurement system，the resonance amp litude，dynamic frequency，resonance speed and excitation orderwere obtained with themethods of Single Degree of Freedom（SDOF）Curve Fitand Circum ferential Fourier Fit.The results showed that the dynamic frequency of the cracked blade dropped significantly.Compared with the static frequencymeasured by the hammering method，it showed that the dynamic frequency was closer to the real situation.The system can effectively identify the existence of blade crack.The establishment of the system has great significance to the on-line monitoring technology of the blade crack fault.

non-contact rotating blade vibrationmeasurement system；rotorblade；crack；vibration characteristics；hammeringmethod；dynamic frequency；static frequency

劉美茹（1987-），女，滿族，遼寧丹東人，助理工程師，從事發(fā)動機振動信號測試與分析工作。

V263.6

A

1672-2620（2015）02-0045-04

2014-04-13；修回日期：2014-07-22