無轉速同步條件下轉子葉片非接觸振動測試方法研究

劉美茹，郜偉強，董 軍，鐘志才，滕光蓉，喬百杰

(1.西安交通大學機械工程學院，西安 710049；2.中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

在航空燃氣渦輪發動機的研制、生產過程中，需要對葉片應力進行測量，監測葉片的工作狀態，并在葉片出現故障時實現實時預警，這對于提高發動機的安全性、降低發動機的故障發生率具有重要的作用[1-2]。

傳統的葉片振動測量采用接觸式方法，通過在葉片上粘貼應變片測量葉片動應力來實現[3]。近年來，基于葉尖定時的非接觸振動測試系統，在風扇、壓氣機等轉子葉片振動測量中得到了廣泛應用[4]。如德國MTU研究人員基于自主研發的BSSM葉尖定時系統，通過布置5支BTT傳感器，在單級壓氣機試驗器上獲取了轉子葉片顫振工況下一扭模態振動的最大動應力[5]。天津大學段發階團隊自主研制了一套基于葉尖定時的非接觸振動測試系統，并提出了基于葉尖定時的葉片動應力反演方法[6-8]。北京化工大學王維民團隊開展了渦輪機葉片同步振動參數辨識方法研究，提出一種只需要較少傳感器就能提高測量精度的葉片同步振動參數分析方法[9-10]。中國航發四川燃氣渦輪研究院利用非接觸振動測試系統，實現了模擬轉子和壓氣機試驗件的非接觸振動測試，成功獲取了葉片振動幅值和頻率[11-12]。

基于葉尖定時的轉子葉片非接觸振動測試系統，是利用安裝在機匣上的傳感器測試所有葉片的旋轉脈沖信號并將其轉化成時間，借助轉速同步傳感器進行葉片振動測試。其中，轉速同步(OPR)信號的獲取是葉片振動與分析的重要環節。然而實際工作中，針對核心機、某些雙轉子發動機，轉速同步傳感器難以安裝且容易失效，限制了葉尖定時法的工程應用。為拓寬葉尖定時系統的適用范圍，需要研究在無轉速同步條件下利用葉尖定時系統實現葉片振動參數測試的方法。

本文提出了無轉速同步條件下的轉子葉片非接觸振動測試方法，利用光纖傳感器測試葉片脈沖信號進行振動識別和轉速獲取，并通過將無轉速同步條件下的轉子葉片非接觸振動測試結果，分別與動應變測試結果和光纖傳感器實現轉速同步的葉片非接觸振動測試系統測試結果進行對比分析，對測試方法予以了驗證。此方法將在發動機整機、核心機高壓壓氣機和渦輪轉子葉片非接觸振動測試中發揮重要作用。

2 轉子葉片非接觸振動測試原理

轉子葉片非接觸振動測試系統(圖1)基于葉尖定時原理，將幾支傳感器沿周向安裝在轉子葉片對應的靜子殼體或機匣上，感受轉子葉片到達時所產生的脈沖信號。假設葉片未發生振動，根據每個葉片的周向位置和轉子的旋轉速度可得到葉片到達傳感器的理論時間。而實際工作中，葉片時刻處于振動狀態，葉尖相對于轉動方向將會向前或向后偏移，葉片到達傳感器的實際時間與假設葉片不振動時到達傳感器的時間不相等，即脈沖到達時刻發生改變，從而產生1 個時間差Δt。對該時間差信號序列{Δt}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，可對每個轉子葉片的振動進行分析[13-15]。

圖1 非接觸振動測試系統工作原理Fig.1 Principle of non-contact vibration measurement system

3 有轉速同步的實現方法

有轉速同步方法的基本原理如圖2 所示，主要為在轉子轉軸上噴漆或開鍵槽，并在轉軸標記附近的機匣或靜子件上固定1支轉速同步傳感器。在發動機轉子旋轉過程中，當轉軸上的標記經過轉速同步傳感器時，傳感器會輸出1個電壓信號，即轉速同步基準信號。轉速同步基準信號的作用有三點：一是實現發動機轉速測試，為數據分析提供轉速參考；二是確定葉片順序，與發動機葉片實際安裝位置進行比對，確定監測葉片序號與實際安裝葉片位置的關系；三是作為非接觸振動測試系統的時間基準，確定無振動葉片到達某一光纖傳感器的理論時間，再根據葉尖定時信號實際到達時間計算葉片振動位移。

圖2 轉速同步基準信號的基本原理Fig.2 Basic theory of once-per-revolution sensor

有轉速同步實現方法有兩種，一種是利用磁電式轉速傳感器測試軸端轉速，另一種是利用光纖傳感器測試軸端轉速。磁電式轉速傳感器基于電磁感應原理，通過磁電相互作用把轉軸的轉速轉換成相對應的感應電動勢，再對輸出感應電動勢信號進行處理和分析，從而得到轉軸的實際轉速[16-17]。應用過程中，只需在測試位置的轉子或旋轉件對應位置加工1 個一定尺寸的鍵槽或孔，將磁電式轉速傳感器安裝于靜子件上。安裝時，保證探頭垂直對中轉子軸端或轉子所開鍵槽或孔，使轉速傳感器與鍵槽之間保持1～2 mm距離，即可產生脈沖信號。

葉尖定時原理的光纖傳感器是將激光投射到葉片端面，通過感受葉尖反射回來的光強信號變化來獲取葉片到來時刻[18]。應用過程中，將光纖傳感器安裝于轉軸對應靜子件上，在轉軸對應位置噴涂適當寬度(8～10 mm 左右)黑體漆，利用光纖傳感器感應黑體漆與轉軸本身顏色變化所輸出的電壓不同來獲取基準信號。

4 無轉速同步的實現方法

通過無轉速同步實現方法將葉片脈沖信號轉化為一圈一個脈沖的轉速信號，進而實現轉速定時信號獲取。無轉速同步實現方法工作原理如圖3 所示。

圖3 無轉速同步實現方法工作原理Fig.3 Theory of non-contact vibration measurement without once-per-revolution sensor

對測試葉片振動的1支光纖傳感器的原始電壓信號進行高通濾波，去除轉子轉速、間隙、溫度等狀態變化造成的信號“緩慢”偏移噪聲，然后通過放大功能對原始電壓信號進行放大并整形成TTL脈沖信號。脈沖信號的上升沿與某一葉片信號來臨時刻基本一致，延遲時間不超過10 ns，以保證鍵相精度。

已知每級葉片數N的前提下，選取裝在機匣上的某一光纖傳感器信號，并對該傳感器的定時脈沖信號進行計數，即假定第1個定時脈沖信號是1號葉片，同時輸出1 個脈沖作為OPR 信號。然后每隔N個葉片，在第N+1 個葉尖定時脈沖信號到達時實時輸出第2個脈沖信號。以此循環，即實現鍵相分頻，獲得一圈一個脈沖信號。

上述方法中，一個基本假定為基準葉片的振動為0。實際過程中，所有葉片均會產生一定程度的振動，造成所采用的基準葉片脈沖信號提前或延遲到達，從而對OPR 信號產生影響，進而對葉片振動精度產生影響。為此，本文通過對相鄰2 個傳感器信號進行差分來予以抑制和消除。對相鄰傳感器來說，OPR 信號提前或延遲到達，對某一葉片的達到時間計算造成的偏差大致相同。差分后，較大程度上消除了基準葉片的振動。

轉子轉速波動、機匣振動和環境噪聲等會影響定時信號精度，導致鍵相分頻器輸出的基準信號存在誤差，從而影響整個葉片振動測試系統精度，因此需對葉片定時信號進行修正，修正原理如圖4 所示。令第g個光纖傳感器Sg(g=1，2…)與第1 個葉尖定時傳感器S1(與鍵相分頻器相連接)之間的夾角為θg，則由葉尖定時測量基本原理可得：

圖4 鍵相分頻器信號修正原理Fig.4 Signal correction theory of phase and frequency divider

式中：tg,j為第j個葉片到達Sg的時間，fv為轉子轉速頻率，e為考慮轉速波動、機匣振動、葉片振動和環境噪聲等引入的測量誤差。

在葉片振動測量過程中θg為已知項，基于鍵相分頻器原理，葉片編號j亦為已知項。通過二維數組(tg,j，θg+j2π/N)對式(1)進行最小二乘擬合，可得：

式中：k為擬合曲線斜率，與轉子轉速相關。

結合式(1)和式(2)，根據式(3)進一步計算轉子轉速。

5 試驗驗證

5.1 試驗方案設計

在中國航發四川燃氣渦輪研究院模擬轉子試驗器上，開展無轉速同步的轉子葉片非接觸振動測試方法驗證，將測試結果分別與動應變測試結果和光纖傳感器實現轉速同步的非接觸振動測試系統測試結果進行對比分析。試驗驗證實物照片如圖5 所示。

圖5 無轉速同步條件下的轉子葉片非接觸振動測試方法試驗驗證實物照片Fig.5 Picture of experiment verification of non-contact vibration measurement of rotor blade without once-per-revolution sensor

試驗用模擬轉子為整體葉盤結構，盤緣直徑為68 mm，葉片沿葉高長度為50 mm，葉片數量為5片，葉型為無扭直葉片。通過ANSYS理論分析可知，所設計試驗件的一彎靜頻約為600 Hz。

試驗過程中，利用基于葉尖定時的非接觸振動測試系統對轉子葉片振動進行實時監測。根據整體葉片坎貝爾圖分析結果及系統的周向傅立葉分析需要，試驗前在傳感器安裝支架上安裝了5 支光纖傳感器，且光纖傳感器頭部離模擬轉子葉尖3～5 mm。

為了對非接觸振動測試結果進行驗證，試驗前，在1～5 號葉片一彎振動模態下各自應力最大點粘貼1片電阻應變片。利用滑環引電器實現轉子葉片應變信號的傳輸，采用OROS 動態測試系統對應變進行測試與分析。

為了對比分析有轉速同步和無轉速同步的葉片振動結果，共進行了兩次相同狀態的起動試驗。第一次起動過程中，將測試葉片振動的1 支光纖傳感器接入鍵相分頻器后再接入非接觸振動測試系統，實現轉子葉片振幅監測與分析。同時，利用OROS動態測試系統實現葉片動應力監測與分析。為保證葉片振幅與動應力的對比精度，OROS 動態測試系統中的轉速采用與葉尖定時信號相同的方法獲取，即采用通過非接觸振動測試系統輸出的無轉速同步信號實現方法測試的轉速。第二次起動過程中，通過在轉軸噴黑體漆，利用光纖傳感器測試轉軸轉速的方法獲取轉速同步基準，輸入非接觸振動測試系統分析轉子葉片葉尖振動。

試驗過程中，試驗件先起動到5 000 r/min，然后勻速上升到14 000 r/min，保持此轉速5 s，之后勻速停車。利用非接觸振動測試系統實時監測模擬轉子各葉片在不同轉速下的振動位移。離線處理時，利用非接觸振動測試系統的單自由度和周向傅立葉兩種方法分析，可以準確獲取葉片的共振幅值、共振轉速、共振頻率及激勵階次。利用OROS 測試系統對應變片測試結果進行監測，對葉片動應力進行頻譜和三維瀑布圖分析。

5.2 無轉速同步振動試驗結果分析

第一次起動過程中，當試驗件轉速上升至13 000 r/min 左右時，非接觸振動測試系統和OROS 動態測試系統監測的所有葉片均發生了共振。

利用非接觸振動測試系統的單自由度和周向傅立葉兩種方法分析，所有葉片發生了3 階激勵階次導致的一彎振動。利用OROS動態測試系統的頻譜和三維瀑布圖方法分析，所有葉片也發生了3 階激勵階次導致的一彎振動。圖6為兩種測試方法所得1～5 號葉片在轉速13 000 r/min 左右發生共振時的頻率對比，具體頻率值見表1。表中，f1為無轉速同步非接觸振動測試系統所得葉片頻率；f2為應變片所得葉片頻率；Re1為無轉速同步非接觸振動測試系統與應變片所得葉片頻率的相對誤差，由公式(4)計算。從表中可看出，無轉速同步的非接觸振動所得頻率與應變片所得頻率的相對誤差在0.5%以內，且動頻結果與理論計算一彎靜頻結果(約600 Hz)較吻合。

圖6 無轉速同步非接觸測試系統與應變片所得葉片頻率對比Fig.6 Frequency results comparison between non-contact vibration measurement and strain gage measurement at condition of no once-per-revolution sensor

表1 無轉速同步非接觸測試系統與應變片所得葉片頻率及相對誤差Table 1 Relative error of frequency result of non-contact vibration measurement with that of strain gage measurement at condition of no once-per-revolution sensor

根據模態分析基本理論，葉片發生一彎振型振動時，葉尖振幅與應變成一定比例關系。試驗件轉速為13 000 r/min時，無轉速同步的非接觸振動測試系統所得各葉片振幅與應變片應變幅值曲線如圖7所示?？梢钥闯觯魅~片振幅與應變片應變幅值的變化趨勢基本一致。

圖7 無轉速同步非接觸測試系統所得振幅與應變片應變幅值曲線Fig.7 Amplitude results comparison between non-contact vibration measurement and strain gage measurement at condition of no once-per-revolution sensor

利用公式(5)～(7)對非接觸振動測試共振時的葉片振幅與應變片測試的葉片應變幅值之比進行誤差分析，所得結果如表2所示?？梢?，非接觸振動測試振幅結果與應變片實測應變幅值之比的相對誤差在10%以內，相對較小。

表2 無轉速同步非接觸測試系統所得葉片振幅與應變片應變幅值Table 2 Relative error of ratio of amplitude result of non-contact vibration measurement with that of strain gage measurement

式中：φi為非接觸振動測試系統所得葉片振幅Ai與應變片所得葉片應變幅值εi的比值，φˉ為5 個葉片φi的平均值，Re2為葉片振幅與應變幅值之比的相對誤差。

5.3 無轉速同步與有轉速同步非接觸振動試驗結果分析

第二次起動過程中，通過在轉軸噴黑體漆，利用光纖傳感器測試轉軸轉速方法獲取的轉速同步基準接入非接觸振動測試系統，實現模擬轉子葉片的非接觸振動測試。試驗過程中，當轉速上升至13 000 r/min左右時，非接觸振動測試系統監測的所有葉片均發生了共振。利用非接觸振動測試系統的單自由度和周向傅立葉兩種方法分析，所有葉片發生了3階激勵階次導致的一彎振動。各葉片的共振頻率結果如表3所示。表中，f3為有轉速同步非接觸振動測試系統所得葉片頻率；Re3為無轉速同步與有轉速同步基準的非接觸振動測試系統所得葉片頻率之間的相對誤差，由公式(8)計算。

表3 有無轉速同步非接觸測試系統測試頻率及相對誤差Table 3 Relative error and frequency results of non-contact vibration measurement with OPR and without OPR sensor

對比分析可知，無轉速同步與有轉速同步基準的非接觸振動測試系統監測的葉片共振轉速基本一致。無轉速同步和有轉速同步基準的非接觸振動測試頻率的相對誤差在0.5%以內，且均與理論計算靜頻結果吻合。

6 結論

(1) 通過測試葉片振動的一支光纖傳感器接入鍵相分頻器的無轉速同步方法，可以實現非接觸振動測試系統的葉片振動測試。

(2) 一彎狀態下，無轉速同步條件下非接觸振動測試系統的測試頻率與應變片測試頻率的相對誤差小于0.5%；無轉速同步與有轉速同步條件下非接觸振動測試頻率之間的相對誤差小于0.5%。

(3) 無轉速同步條件下的振動幅值與應變片應變幅值之比的相對誤差在10%以內。

(4) 基于光纖傳感器葉片信號的無轉速同步方法，可以實現非接觸振動測試系統的葉片振動測試，成功解決了發動機試驗過程中轉速同步傳感器難以安裝等問題，將在航空發動機整機、核心機的高壓壓氣機和渦輪轉子葉片非接觸振動測試試驗中發揮重要作用。