非接觸式數字光纖葉片測振系統研究及應用

胡 偉，王德友，杜少輝，蔚奪魁

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

非接觸式數字光纖葉片測振系統研究及應用

胡 偉，王德友，杜少輝，蔚奪魁

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

應用非接觸式數字光纖葉片測振系統對葉片整數階次振動（共振）與非整數階次振動進行了分析。通過模擬試驗器和臺架壓氣機試驗證明，應用該系統以及相關算法可以有效測量、監測和分析葉片共振和顫振等非整階次振動，能較準確地評估葉片振動特征；其結果與應變片測量結果一致。

旋轉葉片；共振；測量系統；數字光纖；整數階次；非整數階次；非接觸式；應變片

1 引言

旋轉葉片振動測量是在研和現役航空發動機葉片耐久性評估和安全性監測的重要測試項目之一。在這方面，應變量電測法是目前應用最廣泛、在試驗技術上已非常完善的接觸式測量方法，能較好地確定葉片的振動特性和響應結果。但是，應變計在貼片引線和引電器安裝過程中需對機械結構進行改裝，而且，監測葉片數量受限會影響整級葉片最大振動應力測量的準確性，應變計、引電器的改裝成本、安裝周期和使用壽命都會限制其應用。為此，自20世紀70年代開始，美國、德國、日本、荷蘭等國家先后開展了非接觸式葉片振動測量技術研究。美國國家技術研究中心、AEDC組織將非接觸式葉片振動應力測量系統簡稱為 NSMS（Noninterference Stress Measurement System）系統，德國MTU公司則簡稱為OBM（Optical Blade Vibration Measurement）。該種測量系統和技術已廣泛應用于航空發動機、電站燃氣輪機葉片振動監測中。

本文介紹了非接觸葉片振動測試系統的原理，全面總結了非接觸式數字光纖葉片測振系統在發動機臺架試車與壓氣機試驗中的應用經驗，對測量的各種葉片振型與應變片測試的結果進行了比較。

2 非接觸式葉片振動測試系統原理

非接觸式葉片振動測試系統由光纖傳感器、光電變換器、信號預處理器、計數器卡、葉片振動數據采集分析軟件組成，如圖1所示。

非接觸式葉片振動測試原理如圖2所示。葉尖振幅傳感器安裝在被測級葉片機匣上方，定位參考傳感器安裝在轉子上；計算葉尖振幅傳感器測出的脈沖與轉速脈沖的時間間隔，當葉片振動時，葉尖沿旋轉方向發生偏移，到達傳感器的時間發生改變，由此得到葉片振幅、相位、頻率等振動變化參數。

假設葉片為簡諧振動，葉尖振動位移可表示為

式中：ω為葉片振動頻率；θ為從參考點到傳感器的角度；t為葉片從參考點到傳感器的時間；x為葉尖位移；a為葉片振幅；τ′為葉尖振動產生的時間漂移。

將式（2）、（3）代入式（1）中得到

考 慮 到 ωτ′＜＜1，sin（ωτ′）≈ωτ′，cos（ωτ′）≈1，可得出

如果為隨機激勵振動，φ值波動也是隨機的。當經過一定轉速后，τ出現極值為

由此，通過測葉尖脈沖變化時間τ′就可得到葉片振幅。

3 數據分析方法

3.1 非整階次葉片振動分析方法

非整階次葉片振動是指葉片的振動頻率與轉速成非整數倍關系。通常由氣動失穩引起葉片振動。

3.1.1 單個葉片振動數據分析

單個葉片振動數據采樣率為轉速頻率，遠低于葉片振動頻率，而頻譜分析帶寬內包含采樣率以上的頻率，此時會發生頻率混疊現象。當發生混疊時，葉片的振動頻率可依據如下數學公式，結合葉片固有頻率計算得到

式中：fa為混疊頻率；fs為采樣頻率；fr為響應頻率；k為整數。

利用上述方法計算，所得出的在某型壓氣機性能試驗時對應0.85轉速的喘振前2級葉片振幅、振動頻率和時域波形如圖3、4所示。

3.1.2 整級葉片振動數據分析

當整級葉片以節徑模態振動時，采用整級葉片頻譜分析。此時，受旋轉的影響產生行波，其中，前行波節徑線旋轉方向與轉速旋轉方向相同，后行波節徑線與其相反

式中：Nb為葉片數；An為節徑n響應幅值；φn為節徑n響應相位；n為正數為前行波，負數為后行波。

對于奇數葉片，nna＝Nb／2；nmin＝1－Nb／2。

對于偶數葉片，nmax＝（Nb-1）／2；nmin＝-（Nb-1）／2。

對以ω旋轉而參照系單一的激振頻率，式（6）改為

相對于靜止參考系，葉片響應頻率為

整級葉片振動信號采樣速率等于轉速乘以葉片數，不發生頻譜混疊。當進行整級葉片振動分析時，出現的頻率個數將由振動模態的節徑數決定。也可用2個測量傳感器得到節徑型模態，計算方法為

式中：Δφ為譜峰相位差；Δθ為2傳感器間隔角度。

在某型壓氣機性能試驗中，2級整級葉片振動的時域波形及頻譜如圖5所示。

3.2 整階次葉片振動分析方法

在整階次葉片振動情況下，葉片振動頻率與轉速成整數倍，其分析方法分為直接分析法和間接分析法。

間接分析方法是在機匣上相近的位置安裝1或2個傳感器，在轉速連續變化時采集每個葉片振動數據，此時僅能分析單個頻率振動。當葉片在變化轉速范圍發生共振時，用該方法能夠給出發動機響應階次及相應共振頻率值。

間接分析方法對葉尖位移采樣；在轉速瞬態變化測試條件下，利用單自由度方法（SDOF）計算整階次葉片振動頻率。單自由度傳遞函數幅頻及相頻特性如圖6所示，圖6指出了葉片振動的最大值與最小值將發生在響應點比較窄的轉速范圍內。在某型發動機測試應用中，采用間接分析方法分析的葉片共振響應如圖7所示。

4 試驗驗證

在模型試驗器上，對旋轉葉片進行激振，利用研制的測試系統測量葉片振動，并與應變計測試結果對比。

4.1 試驗方法

設計了1套帶有6個葉片的模擬葉盤（如圖8所示），用敲擊法測量的葉片固有頻率見表2。每個葉片的根部粘貼應變片。采用在3個氣孔通壓縮空氣來模擬發動機氣流尾跡激振，使葉片產生1彎共振。用應變片與光纖同時測量和比較2種測試結果。

表2 用敲擊法測量的葉片固有頻率

4.2 試驗結果

在1600～1750r/min轉速范圍內，采用1個傳感器數據、用間接分析方法得到的葉片共振結果如圖9所示。

試驗結果表明，用光纖葉片振動測量系統測量得到的葉片共振結果符合葉片共振間接分析法理論,與應變片測量結果有非常好的一致性。

試驗結果表明，用光纖葉片振動測量系統測量得到的葉片共振結果符合葉片共振間接分析法理論,與應變片測量結果有非常好的一致性。

5 在發動機整機試車及壓氣機試驗中的應用

5.1 非整階次葉片振動測量

在某型壓氣機試驗中，在0.95等轉速線、壓氣機喘振前，葉片發生明顯振動。在0.9轉速下、壓氣機喘振前，整級葉片振幅如圖10所示。通過頻率分析確定，在0.9轉速下、壓氣機喘振前，葉片發生了1彎振動，其頻率為322Hz；該葉片的1彎靜頻為289Hz。在0.9轉速下的逼喘過程中，葉片振動頻率、振幅、時間三維頻譜如圖11所示，葉片振動時域及頻譜分析結果如圖12、13所示。

5.2 整階次葉片振動測量

某型風扇第1級轉子葉片在轉速為 4100～6300r/min范圍內出現的4次共振測量結果如圖14所示。應變片測量與光纖測量的結果基本一致。

6 結論

（1）非接觸式數字光纖葉片振動測量系統可實時監測整級各葉片振幅，提供葉片振幅報警信息；根據葉片振幅變化和離線分析，可準確地確定整階次與非整階次葉片振動特性。

（2）葉片整階次與非整階次振動分析的試驗驗證表明，這些方法能較準確地評估葉片振動特征。

（3）在壓氣機試驗中，使用3支光纖傳感器所測得的數據分析了葉片非整階次振動頻率，其結果與應變片測量結果相一致。

（4）該系統及非整階次葉片振動分析方法為開展壓氣機葉片顫振研究奠定了基礎。

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[4]李勇，胡偉，等.非接觸式數字光纖葉片測振應用分析與試驗研究[J].航空動力學報，2008，23（1）.

Investigation and Application of Non-Contact Digital Optical Fiber Rotor Blade Vibration Measurement System

HU Wei,WANG De-you,DU Shao-hui,Yu Duo-kui
（Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang110015,China）

The analysis of integer order and non-integer order vibrations for rotor blade were performed by non-contact digital optic fiber rotor blade vibration measurement system.The simulated and compressor rig test results indicate that the non-integer order vibration such as blade resonance and flutter are effectively measured,monitored and analyzed using this system and the related algorithmand the blade vibration characteristics are accurately estimated.The result is consistent with the measurement of the strain gauge.

rotorblade;resonance;measurement system;digital optic fiber;integer order,non-integer order,non-contact;strain gauge

胡偉（1964），女，自然科學研究員，從事航空發動機旋轉件測試技術研究。