基于葉尖定時技術的葉輪葉片動態監測研究現狀

范博楠， 張玉波， 王海斗， 徐濱士(裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京　100072)

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基于葉尖定時技術的葉輪葉片動態監測研究現狀

范博楠， 張玉波， 王海斗， 徐濱士(裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072)

摘要：葉輪作為旋轉機械的核心部件之一，在復雜惡劣的工況中容易使葉片產生振動，進而引發疲勞斷裂等失效形式，因此對葉片振動進行狀態監測具有重要意義。非接觸式的葉尖定時技術具有同時監測整級葉片的優勢，為葉片振動及損傷診斷提供了有效方式。從葉尖定時傳感、葉片振動及損傷監測等三個方面對國內外研究現狀進行綜述，總結了當前研究中存在的不足，并就葉尖定時技術及葉片健康監測的發展方向進行了展望。

關鍵詞：葉片振動；損傷監測；裂紋；葉尖定時

葉輪是航空、船舶、電力和化工等行業應用廣泛的重要部件，其穩定運行是保障大型旋轉機械安全運輸和高效生產的決定性因素[1-4]。作為能量轉化的關鍵環節，葉輪的性能日益向高轉速、高效率及高可靠性的趨勢發展[5]，葉片的工作環境也愈加嚴峻。在離心力、氣動力及熱應力之上疊加工況中產生的振動載荷，使葉片產生交變應變并承受高循環應力，進而在缺陷處萌生裂紋，最終導致疲勞斷裂等失效形式[6-7]，如圖1所示。共振等較為劇烈的振動形式可在短時間內加速葉片損傷，危及旋轉機械的整體安全[8-9]。而當前葉片維修的定期檢修方式具有一定程度的滯后性，無法及時排除葉片的安全隱患。因此，動態監測葉片的振動參數，提取特征信息[10]，及早確定并排除故障，是當前亟待解決的難題。

圖1　葉片出氣邊裂紋和裂紋源的斷口形貌圖Fig.1 Detailed view of the crack near the trailing edge and SEM fractographs showing the crack origins

針對葉片振動的動態監測，傳統的接觸式應變片測量技術較為成熟，已得到廣泛的應用，但存在一些難以克服的缺點，常用于試驗驗證和對比[11-12]。非接觸式測量法具有安裝簡便及不干擾被測葉片等特點[13]，在信息技術的助推下得到廣泛的研究，其中葉尖定時法由于具有同時監測整級葉片振動的優勢，成為當前的研究熱點[14-15]。在國內外諸多學者探索的基礎上，本文對基于葉尖定時技術的葉片動態監測研究現狀進行了較為全面的分析，并對葉尖定時及葉片健康監測的發展方向進行了展望。

1葉尖定時

1.1測振原理

葉尖定時是基于間斷相位法和脈沖調制法發展起來的葉片振動測量技術，其核心原理是將數個定時傳感器沿圓周方向安置在葉輪殼體上，采集葉片經過傳感器時產生的脈沖信號[16]。正常狀態下，葉尖到達傳感器的時間可根據葉片分布角度和轉速計算得出，而振動狀態下，葉尖到達則會引起相對時間差[17]。通過處理時間差序列，可得到葉片實時的振動位移，進而獲取振幅、頻率及振動階次等信息。葉尖定時的本質是間斷測量葉片末端的相對位移，獲取并分析葉片振動過程的相關參數。

表1　某型航發測量要求及定時系統測量精度

以運用葉尖定時系統監測的某型航空發動機[18]為例，其測量精度的要求如表1所示。傳感器帶寬根據發動機葉片尺寸及最大切向轉速的要求可知系統的定時分辨力應優于10.6 ns，因而傳感器帶寬應優于100 MHz。而基于固定頻率脈沖填充法的傳輸速率根據傳感器數量、轉速和整級葉片數量等可得最低要求為201 Kb/s，因此葉尖定時系統應針對實際監測對象的特征，滿足測量精度、帶寬和數據傳輸速率的相關要求。

圖2　葉尖定時系統示意圖Fig.2 BTT system schematic

1.2關鍵技術及應用

葉尖定時系統組成如圖2所示。旋轉葉片振動信號采集及處理的關鍵是定時傳感器及融合辨識算法的傳感器布局方式。傳感器的性能直接影響信號的精確度，因此定時傳感器需有大頻寬、高信噪比和較好的響應速度[18]。如表2所示，不同類型傳感器性能各有優缺，具體選型取決于實際工況及性能需求。而融合信號辨識算法的傳感器布局是影響振動參數分析精度的重要因素，其精確性和實用性對葉尖定時的工程化應用具有一定的決定性意義。

表2　葉尖傳感器對比[16]

當前基于葉尖定時的葉片監測研究主要分為兩個方面：一是進行傳統的振動監測，在不同工況下針對葉片的同步和異步振動，進行振動參數采集和辨識的研究；二是運用葉尖定時監測葉片服役中的損傷失效。通過單參數監測和多參數統計學分析等方法，對損傷葉片的振動信號進行故障特征提取的研究。

1.3其他非接觸式測量法

常見的非接觸式測量方法如表3所示：激光多普勒法的現場安裝調試比較復雜，系統誤差對測量結果會產生較大影響；聲發射多普勒法容易受到各類背景噪聲的影響，在信號降噪的理論研究和工程實踐上仍存在較大挑戰；葉間動態壓力診斷法主要以定性研究的方式為主，在定量分析表征上還需要進一步深入的探索。

表3　典型非接觸式測量方法

2基于葉尖定時的葉片動態監測研究現狀

2.1葉尖定時傳感研究

旋轉葉片經過定時傳感器感應區域時會使其產生信號脈沖，進而生成時間序列以進行振動監測。葉尖定時傳感器是實現信號精確采集的關鍵。表4為不同傳感器的基礎性能對比，可知帶透鏡的激光傳感器測量精度最高?；诓煌瑐鞲性淼亩〞r傳感器在性能指標和環境適應性上存在差異，研究人員通過運用試驗臺或旋轉機械實物進行試驗，對實際運用中不同傳感器的工程應用能力進行了驗證和分析。

基于強度調制的反射式光纖傳感具有良好的抗干擾性和測量精度，在葉尖定時監測實驗中得到了廣泛的應用。在與多光纖探頭的性能對比測試中，單光纖探頭帶寬更高且噪聲水平更低。同時仿真和實驗研究表明，基于單光纖對模型的傳感器在精度、適用性擴展性上更具有優勢[22]。而在“1+36”全光纖傳感器的基礎上[18]開發出的“1+6”Y型自聚焦光纖傳感器[23]，如圖3所示，通過在探頭處增加透鏡以及風冷穩功率控制，有效解決了光源產生的光強波動問題，提高了定時系統的穩定性和可靠性，在后續定時監測實驗中得到良好的應用。

圖3　“1+6”光纖傳感器結構圖[23-24]Fig3 The stucture chart of the “1+6” optical fiber sensor[23-24]

反射式光纖傳感雖具有較好的精度，但對工作環境要求較高，因而科研人員探索運用耐污染性更好的電容傳感。在運用葉尖間隙測量系統的電容傳感器對葉片一階振動進行監測中[25]，其測量精度高于運用有限數量的應變片測量結果，同時分析認為，使振動葉片的定時數據產生誤差的原因在于模擬信號的離散化處理及系統噪聲。針對煙氣輪機的工況，精度較高的雙屏蔽電容傳感器被開發用于信號的采集實驗[16]，結果顯示該傳感器實測信號與理論計算的幅值對應性好，且過零點處信號的轉換速率較大，表明該傳感器具有較高的信噪比和良好的定時精度。

近年來，新型傳感方式也被探索用于旋轉葉片的動態監測。在運用葉尖定時系統對通風機葉片進行在線監測時，光纖光柵磁耦合傳感器[26]可將初始定時信號轉為光柵應變信號，進而變為波長信號并傳遞給信號處理模塊。通過同步及異步振動的監測證實了該傳感器能有效監測葉片的振動。而微波傳感器[27]通過仿真和樣品測試，證實了其相對于渦流傳感器具有較好的分辨率和帶寬，且結構簡易并能更加可靠地適應復雜工況。

表4　不同傳感器的性能對比[18]

2.2基于葉尖定時的葉片振動監測研究

高速旋轉葉片在氣流和機械激振力等多重因素影響下所產生的各型振動，極有可能誘發疲勞斷裂等失效形式[28]。當前振動監測研究主要集中于端部自由葉片沿圓周切線方向的同步和異步共振。其中由轉速引起激振而形成的同步共振在振動參數的獲取上較為困難，因而是葉片振動領域研究的重點[29]。對此國內外研究學者相繼提出了一些典型算法，如速矢端跡法、雙參數法和自回歸法等[17]，進行了有效的探索。

在葉片同步共振的參數識別上,針對葉片本征頻率和阻尼比的離線識別，兩種模式的子空間方法對多只葉尖定時傳感器的信號進行了對比研究[30]。結果表明，子空間方法對本征頻率的識別誤差小于FFT，同時還可獲得葉片的阻尼系數，相比FFT有了明顯的改進。在運用間斷相位法監測穩定轉速下葉片同步振動的探索中[31]，葉尖定時傳感器以均勻夾角進行安置，進行了3均布、5均布及“5+2”(即以共用一個傳感器的方法融合3均布和5均布的方式)等布局的實驗。結果表明該方法可以獲得振幅值并能消除不同轉速下因葉片變形而產生的系統誤差，但不能準確計算出振動的頻率。而旋轉不變子空間[32](ESPRIT)的振動信息辨識法在恒定轉速下，將2個定時傳感器以14°夾角進行安裝以采集振動信號，能有效識別出多諧波疊加下振動信號的頻率參數，可對同步共振進行監測。同時基于多個傳感器以任意角分布的倍頻遍歷算法[33]，在航空設備的變速掃頻的驗證實驗中，也識別出了振動的倍頻、頻率及幅值等參數。此外，在多種同步振動共存狀態的監測中[34]，通過運用“5+2”定時傳感器布局進行多取樣動態監測，在改變轉速的狀態下，融合運用數組傳感器，有效監測到了多個同步共振頻率。同時作者認為在大量共振頻率并存且不同振頻間的差值為轉速的整數倍時，該方法會產生較嚴重的混疊現象，對此還需要進行深入的研究。

對于葉片的異步振動監測，融合了3均布和5均布的“5+2”布局頻率辨識法[35]具有雙速率同步采樣的特點。在多個恒定轉速下分別進行振頻辨識，通過與坎貝爾圖進行對比，展示了較好的辨識精度，并在與應變片監測數據的比對中，呈現了良好的一致性。在對全相位FFT辨識法[36]的研究中，7個定時傳感器分別以0°、21.2°、38.8°、56.3°、72.0°、144.0°和216.0°的夾角進行安裝以采集葉片振動信號，在3 300 r/min的恒速下進行測量。其仿真結果表明對振動相位的識別精度要高于傳統FFT。試驗結果也證實，結合多傳感器遍歷算法的全相位FFT在異步振動頻率的識別上精度更高。但該方法對轉速穩定性和軸系扭振量級的要求較高，也受到傳感器監測布局的直接影響。

對于閉式葉片的振動監測，原有的一維葉尖定時監測系統難以直接應用，研究人員針對葉片的實際結構提出兩種改進方法[37]。一是將兩組雙磁阻定時傳感器以90°夾角安裝于定子，并使每組的兩個傳感器分別對應護罩的進氣邊和出氣邊，一組用以監測葉片的軸向偏移，另一組則監測徑向偏移，如圖4所示；二是運用一個多系統集成的二維共軸磁阻傳感器同時監測葉片軸向及徑向的運動，其原理類似于兩個獨立傳感器。經過試驗臺測試，兩種方法均能有效地監測葉片在兩個或三個方向上的振動，為閉式葉輪葉片復雜結構的振動監測奠定了基礎。

在不同振動監測方式的實驗效果對比上，研究人員也開展了部分工作。在整體葉盤的振動監測中[38]。通過采用掃描激光多普勒和葉尖定時分析兩種方法對葉片振動進行監測。實驗中通過在葉片端部上加裝45°三角楔形塊以增加葉片振動的定時延遲效果，同時安裝高度略低的失諧塊以避免對傳感器的干擾，8只定時傳感器分別以0°、24.7°、37°、50.6°、62.9°、85.7°、93.3°和153.2°的角度進行安裝以采集葉片振動信號。結果表明，在不同激振下，葉尖定時對振幅的監測值較高，同時共振振動峰值的監測上也高于激光多普勒。分析認為導致兩者數據不匹配的可能性原因是楔形塊安裝位置及制造尺寸的精度未達到預期要求。而在葉片整階次和非整階次振動監測中[39]，通過對比2個光纖葉尖傳感器及應變片采集的數據，驗證了葉尖定時的測量原理，并在壓氣機測試實驗中，進一步證實了該系統對監測整級葉片的整階次和非整階次共振的有效性。

圖4　閉式葉片傳感器監測布局[37]Fig.4 The arrangement of sensors for monitoring shrouded blades[37]

2.3基于葉尖定時的葉片損傷監測研究

工作環境的嚴峻性決定了葉片故障的多樣性、復合性。因沖蝕[40-41]、外物劃傷[42-44]等因素而受損的葉片在承受長時間的工作載荷后，容易在缺陷處萌生裂紋并最終導致失效。缺陷葉片由于結構剛度發生改變，在振動特性上也會產生相應的變化[45]。因而通過分析葉片振動特性的改變，并進行故障特征的提取，便可獲取葉片損傷的相關信息。損傷監測是葉片健康監測的重要研究內容，也是行業難題。當前科研人員基于葉尖定時技術主要通過結構變形、頻率趨勢監測等單參數法，以及對故障特征進行統計學分析的多參數方法，開展針對裂紋的監測研究。

在燃氣輪機轉子葉片損傷的振動監測中[46]，首先通過有限元模態分析獲取了葉片的固有頻率和一階振動的應力分布，并判斷接近于最大轉速的3倍頻為潛在危險點。實驗中采用的5個電渦流和2個光纖傳感器以15°間隔均勻分布。在3倍頻激勵下，對加速和減速階段中葉片的振幅及傾斜度進行監測，結果表明其中3支葉片的振幅在加速及減速階段出現明顯增大和減少，同時葉片傾斜度在加速階段也顯著增大并隨后保持趨勢不變，如圖5所示，運用此差異性特征有效地監測出葉片裂紋的存在。同時在運用葉片健康監測系統對壓氣機葉片損傷進行監測時[47]，系統通過采集分析葉尖定時數據，一方面依據頻率失諧趨勢監測旋轉機械因多次啟停而引起的裂紋萌生，另一方面運用靜態擾度趨勢對長期運行的旋轉機械進行監測，通過趨勢分析可以有效判斷葉片裂紋的存在。筆者認為該系統依據頻率失諧可進一步探索低周疲勞裂紋監測，而基于靜態擾度趨勢可針對高周疲勞進行監測研究。

圖5　葉片振幅及傾斜度變化[45]Fig.5 The variation of vibration amplitude and blade lean[45]

在運用統計學原理分析損傷葉片的葉尖定時信號中，研究人員進行了一定的探索。在葉片一階振動監測中[24]，對振動信號進行了重構，而后運用基于主成分分析(PCA)的特征提取方法，對振頻、振幅及相關參數進行特征提取，確定貢獻率較高的主成分，并對比葉片在含裂紋及正常狀態下，主成分之間歐幾里得角度分布的差異，進而有效地提取出裂紋信息，如圖6所示。相比之下，振動信號的能譜圖在裂紋存在時呈現的差異較小，在含噪情況下難以提取。更進一步的研究中，核主成分分析(KPCA)和灰色模型用于葉片裂紋的預測[48]。運用香農定理和小波包對振動信號進行重構，并采用核主成分分析進行裂紋特征提取且以馬氏距離定義損傷指標，經過對比確定σ為100 000時可最有效地表征損傷趨勢，并以此進行灰色模型預測。經過長時間的旋轉實驗所采集的損傷擴展數據與模型預測的趨勢較為相近，證實了該方法預測裂紋損傷的有效性。

圖6　不同主成分間歐幾里得角度的分布[24]Fig.6 Euclidian angle pairs between the first and the second, the third and the fourth principle[24]

3結論與展望

葉片的工作環境復雜惡劣，容易出現損傷失效，減少正常的服役壽命。修復后的葉片會引入一定的材料表界面效應，也可能產生類似新品的損傷失效。對葉片的工作狀態進行監測以獲取服役參數，不僅有利于確保大型旋轉機械的安全，也可向科研工作者準確反饋損傷信息，供其對葉片的制造和修復技術進行改進完善，這對于提高葉片性能、延長服役壽命具有重要意義。

3.1結論

(1) 葉尖定時系統的軟硬件整體技術進步較大，但傳感器在性能指標和環境適應性上的兼容有待提高；融合辨識算法的傳感器布局方式雖能較為準確地還原葉片的振動，但在真實工況下的實用性有待進一步驗證，同時對于提高信號精度的降噪問題尚缺乏深入的研究。

(2) 當前葉片振動的監測研究，主要集中于開式葉輪端部自由葉片的同步和異步振動，而針對閉式葉輪葉片的研究相對較少。葉尖定時監測雖然可實現在線振幅測量，但振頻計算和振型判定仍需離線處理，實現全面的動態監測有待進一步突破。

(3) 葉片損傷監測在針對裂紋的研究上取得一定進展，但仍處于探索階段。當前對裂紋的監測主要采用基于振動信號的單參數和多參數統計學方法，運用其他信號處理方法進行損傷監測的研究相對較少；同時分析判定多采用定性手段，缺乏對裂紋監測的定量表征。此外，融合包括裂紋在內的多種損傷類型的全面監測研究相對較少，需要進一步拓展多種損傷類型的特征識別研究。

3.2展望

(1) 定時傳感器及其布局方式是葉尖定時技術的關鍵。傳感器在提高信號采集精度的同時，要兼顧尺寸及環境耐用性等性能；布局方式需要在進行充分的實用性驗證的基礎上，加強對影響信號精度的噪聲特性進行研究，并逐步實現在旋轉機械的設計階段對傳感器與殼體進行結構融合，同時將降噪處理融入信號處理流程之中，提高定時信號的精確性。

(2) 葉片振動監測應進一步拓展對閉式葉輪以及多種葉型在不同振型上的研究，并在振幅動態測量基礎上逐步實現振頻和振型的在線判定。

(3) 故障特征提取是準確判定故障的關鍵。在監測振動參數的基礎上，進一步研究能有效診斷故障的特征參量及提取方法，加強故障的定量判定研究，以準確地判定故障類型，提高在線監測的可靠性與智能型。

(4) 葉片健康監測可在葉尖定時振動監測的基礎上，結合葉片應力分布、葉尖間隙等參量進行多信息融合，更為全面地獲取葉片的工作狀態，增強對葉片振動和損傷的實時診斷能力，最大限度地保障旋轉機械的安全運轉。

參 考 文 獻

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Research status for dynamic monitoring impellers’ of blades based on blade tip-timing

FANBo-nan,ZHANGYu-bo,WANGHai-dou,XUBin-shi(National Key Laboratory for Remanufacturing, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract:As one of the key parts of rotating machineries, a blade of impellers working in complex and bad conditions suffers from vibration load easily, it can lead to blade failures, such as, fatigue fracture and threaten the safety of the whole machine. In order to avoid this dangerous situation, it is very important to monitor vibration of blades dynamically. Nowadays, as the most promising non-contact method, blade tip-timing has an ability to monitor an entire series of blades and provide an effective means for vibration and damage diagnosis of blades. Here, a summary of research status at home and abroad in fields of blade tip-timing sensing, blade vibration and damage monitoring was presented. some insufficiencies were illustrated as well. At the end, the future development of blade tip-timing and blade health monitoring was forecasted.

Key words:blade vibration; damage monitoring; crack; tip-timing

中圖分類號:V232.4; TK14

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.015

通信作者王海斗 男，教授, 1969年生

收稿日期：2015-04-10修改稿收到日期：2015-08-13

基金項目：國家973計劃資助(2011CB013405)；國家杰出青年科學基金資助(51125023)

第一作者 范博楠 男，碩士生，1991年生

E-mail：wanghaidou@aliyun.com