基于FBG的汽輪機(jī)葉片動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)與損傷識(shí)別

喻勁森，周祖德，魏莉，尹東輝，胡哺松

（1武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070；2中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430070）

葉片是汽輪機(jī)及葉輪機(jī)械中最重要的零部件之一。因受高離心力、穩(wěn)定汽流力及交變汽流激振力的作用，葉片故障占汽輪機(jī)故障的30%～40%，甚至更多［1－2］。葉片安全一直是保證汽輪機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著汽輪機(jī)組單機(jī)功率的增大，尤其是近來(lái)超超臨界機(jī)組的發(fā)展，末幾級(jí)葉片越來(lái)越長(zhǎng)，汽輪機(jī)葉片工作的環(huán)境越來(lái)越惡劣，導(dǎo)致葉片事故時(shí)有發(fā)生。因此，對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片動(dòng)態(tài)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。而最主要的就是葉片動(dòng)態(tài)應(yīng)變參量的檢測(cè)，因?yàn)樗休d了葉片的振動(dòng)和有無(wú)損傷的信息。對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉片狀態(tài)參量檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，比較有代表性的有兩類方法——接觸式和非接觸式。接觸式方法中，最早的應(yīng)屬20世紀(jì)30年代美國(guó)西屋公司對(duì)運(yùn)行中的汽輪機(jī)葉片利用光反射到熒光屏上進(jìn)行觀察或照相而達(dá)到測(cè)量目的的方法。50年代開始采用的粘貼應(yīng)變片的方法，其最大的缺點(diǎn)是安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且工作壽命較短，易于受電磁干擾，且不易實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量等。自20世紀(jì)60年代，人們逐漸將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了非接觸測(cè)量方法的研究上。非接觸的方法有:葉片端面嵌入磁鐵的頻率調(diào)制法、工作輪正上方安裝傳感器的脈沖調(diào)制法、間斷相位法、聲響應(yīng)法［3－4］。但這些方法都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是只能檢測(cè)到葉片頂部的信號(hào)，無(wú)法對(duì)整個(gè)葉片的動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

隨著光纖傳感技術(shù)越來(lái)越成熟，光纖光柵（FBG）傳感器本身具有抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕、傳感信號(hào)可遠(yuǎn)距離傳輸且易于實(shí)現(xiàn)分布動(dòng)態(tài)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用也越來(lái)越受到重視，在健康監(jiān)測(cè)以及動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用［5－6］。本文利用光纖光柵傳感器的特點(diǎn)，搭建了接觸式FBG動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，與電阻應(yīng)變片傳感器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，成功地對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下汽輪機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)，并從有損傷的葉片上提取出了損傷信號(hào)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 FBG傳感原理

Bragg光纖光柵是利用紫外曝光技術(shù)，在光纖芯內(nèi)形成折射率具有周期性的分布結(jié)構(gòu)。當(dāng)一束寬帶光入射到光纖光柵中時(shí)，周期性折射率結(jié)構(gòu)使得某個(gè)特定波長(zhǎng)的窄帶光被反射，稱為Bragg波長(zhǎng)。光纖光柵中心反射波長(zhǎng)

式中:n為光纖光柵有效折射率；Λ為光纖光柵柵格周期。由此可知光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)與光柵的周期和反向耦合模的有效折射率成正比［7－8］。在所有引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量，因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢(shì)必導(dǎo)致光柵周期Λ的變化，并且光纖本身所

式中:ΔλB為波長(zhǎng)漂移量；ε為應(yīng)變；Pe為光纖有效彈光系數(shù)。具有彈光效應(yīng)使得有效折射率neff也隨外界應(yīng)變狀態(tài)的變化而變化，這為采用光纖布拉格光柵制成光纖應(yīng)變傳感器提供了最基本的物理基礎(chǔ)。應(yīng)力應(yīng)變引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移可以由下式給予描述

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

選取長(zhǎng)江動(dòng)力公司提供的某型汽輪機(jī)第12級(jí)葉輪上的一個(gè)葉片為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，葉片是變截面扭葉片，叉形葉根，葉片總長(zhǎng)584mm，工作長(zhǎng)度485 mm，葉片厚度不均勻，從進(jìn)汽側(cè)到出汽側(cè)由厚變薄。最小厚度為2.14mm，最大厚度為21.41mm。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某型汽輪機(jī)第12級(jí)葉輪上的一個(gè)葉片

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置條件有限，最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到400r/min，所以在對(duì)葉片進(jìn)行ANSYS靜力仿真分析時(shí)，取轉(zhuǎn)子工況為轉(zhuǎn)速400r/min的空轉(zhuǎn)。確定加載條件為離心力，邊界條件是軸承處全約束，葉片和葉輪接觸處采用綁定接觸。找出變形較大的區(qū)域，為傳感器的粘貼提供仿真依據(jù)。靜力分析結(jié)果以及選取的測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的被測(cè)葉片測(cè)點(diǎn)，從頂部到根部的編號(hào)分別為1、2、3、4、5、6、7、8，取根部一點(diǎn)為a，測(cè)點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)1－a＝20mm，L2－1＝40mm，L3－2＝54mm，L4－3＝63mm，L5－4＝65mm，L6－5＝80 mm，L7－6＝70mm，L8－7＝70mm。

圖3 葉片實(shí)驗(yàn)圖

搭建如圖4所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。利用平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供輸入激勵(lì)，其中光纖旋轉(zhuǎn)連接器實(shí)現(xiàn)光纖信號(hào)的由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子到靜態(tài)FBG高速解調(diào)儀的轉(zhuǎn)換，解調(diào)儀負(fù)責(zé)對(duì)光纖波長(zhǎng)信號(hào)的解調(diào)。解調(diào)儀（最高采樣率為4K）和旋轉(zhuǎn)連接器均為武漢理工大學(xué)自主研發(fā)產(chǎn)品。由上海牧坤電子科技有限公司生產(chǎn)的無(wú)線應(yīng)變傳感器（最高采樣率為1K）則實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變片檢測(cè)信號(hào)的無(wú)線傳輸。實(shí)驗(yàn)原理如下:在汽輪機(jī)一個(gè)葉片上有8個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一個(gè)FBG傳感器和一個(gè)電阻應(yīng)變片傳感器，實(shí)物照片如圖3所示。根據(jù)光纖光柵傳感器的特性，利用AB膠粘貼于被測(cè)葉片表面，改變測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速激勵(lì)輸入，光纖信號(hào)由安裝在轉(zhuǎn)子軸心孔上的光纖旋轉(zhuǎn)連接器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)端到固定端的傳送，再傳輸?shù)礁咚俟饫w解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)上，用配套軟件采集對(duì)應(yīng)不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉片上各測(cè)點(diǎn)光纖光柵波長(zhǎng)值，然后根據(jù)式（2）的波長(zhǎng)與應(yīng)變換算關(guān)系，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。在同樣測(cè)點(diǎn)處也粘貼有應(yīng)變片，利用無(wú)線傳輸方法完成應(yīng)變數(shù)據(jù)的傳輸，配套軟件采集數(shù)據(jù)。兩套測(cè)量方案相互比較完成葉片的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架圖

2 動(dòng)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)敲擊實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)得葉片的靜頻，了解葉片靜態(tài)下的固有特性，在進(jìn)行動(dòng)應(yīng)變檢測(cè)之前，首先進(jìn)行了靜態(tài)敲擊實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)葉片進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，分析得到前兩階固有頻率（圖5）。

圖5 葉片模態(tài)仿真分析所得固有頻率

實(shí)驗(yàn)中，采用脈沖錘敲擊葉片的方法（敲了3次），測(cè)得葉片8個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)，對(duì)光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的波長(zhǎng)到應(yīng)變的換算，再經(jīng)過(guò)頻譜分析，得到了葉片前兩階固有頻率（因?yàn)闊o(wú)線應(yīng)變模塊的頻率響應(yīng)最高是260Hz，故而只能測(cè)出前兩階），8個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻譜分析結(jié)果一樣。電測(cè)和FBG的測(cè)量結(jié)果如表1所示。由測(cè)得的結(jié)果可以看到，無(wú)論是時(shí)域波形還是頻譜分析都比較吻合。頻譜中，雖然電測(cè)有一個(gè)50Hz的工頻信號(hào)干擾，但是兩種傳感器的測(cè)量值很接近，相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，這也驗(yàn)證了FBG傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。

表1 靜態(tài)固有頻率對(duì)比

選取測(cè)點(diǎn)6的時(shí)域波形對(duì)比如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)6兩種傳感器時(shí)域波形對(duì)比圖

測(cè)點(diǎn)6頻譜對(duì)比如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)6的兩種傳感器頻譜對(duì)比

2.2 動(dòng)應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中，對(duì)三種不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)（200r/min、300r/min、400r/min）進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程:先加速到一定轉(zhuǎn)速，然后自由降速到停止。數(shù)據(jù)采集記錄了整個(gè)過(guò)程，每個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下都進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)。對(duì)比分析兩種傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域結(jié)果，其中測(cè)點(diǎn)6的兩種傳感器時(shí)域波形對(duì)比如圖8所示。

圖8 最高轉(zhuǎn)速300r/min狀態(tài)下的測(cè)點(diǎn)6時(shí)域波形對(duì)比

從圖6可以清楚地看到，從升速到降速的過(guò)程中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上動(dòng)應(yīng)變的變化趨勢(shì)在兩種傳感器的波形圖上基本一致。但是，因?yàn)閮煞N傳感器的測(cè)點(diǎn)位置不完全一樣，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變片都在FBG傳感器的一側(cè)，所以時(shí)域波形的幅值會(huì)存在誤差。每次測(cè)試過(guò)程都是先升速到最高目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后自由降速到停止，所以時(shí)域波形中的峰值點(diǎn)即為最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的應(yīng)變幅值。比較最高轉(zhuǎn)速300r/min狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)最大幅值，其結(jié)果如表2所示。從表中可見，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值兩種傳感器的誤差基本上在10%以內(nèi)。因此，位置偏差是傳感器誤差的主要原因。

表2 無(wú)損葉片300 r/min狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)幅值

根據(jù)三個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的頻譜分析，提取出的葉片前兩階對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)固有頻率結(jié)果見表3，從表中可以看到兩種測(cè)量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果吻合度很好，這也充分表明光纖光柵傳感測(cè)量精度足以與傳統(tǒng)電測(cè)相媲美。

表3 無(wú)損葉片動(dòng)態(tài)頻率對(duì)比表

最高轉(zhuǎn)速300r/min狀態(tài)下的測(cè)點(diǎn)6頻譜對(duì)比如圖9所示。

圖9 最高轉(zhuǎn)速300r/min狀態(tài)下的測(cè)點(diǎn)6頻譜對(duì)比

3 損傷識(shí)別

為找到葉片損傷的識(shí)別方法，在對(duì)完好葉片進(jìn)行動(dòng)應(yīng)變測(cè)量，取得其動(dòng)靜態(tài)頻率和應(yīng)變分布規(guī)律信息的數(shù)據(jù)后，對(duì)測(cè)試葉片進(jìn)行人為破壞，破壞位置位于測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5之間，缺陷呈不規(guī)則形狀（圖10），再進(jìn)行靜態(tài)敲擊和動(dòng)應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)，這樣就掌握了葉片有損狀態(tài)下和完好狀態(tài)下的信息，最后把有損傷和無(wú)損傷兩種狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果相對(duì)比，找出特征參量的變化規(guī)律，得到識(shí)別葉片損傷的方法。

圖10 有損葉片

成功在實(shí)驗(yàn)對(duì)象葉片上加工好缺陷之后，在保持與完好葉片其他實(shí)驗(yàn)條件基本一致的情況下，進(jìn)行有損葉片的靜態(tài)敲擊實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的前后對(duì)比結(jié)果見表4?？梢院苊黠@地看到，相對(duì)于完好狀態(tài)葉片的固有頻率，有損葉片一二階固有頻率都有所下降。有損狀態(tài)下兩種傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與仿真的結(jié)果偏差較大，主要是葉片破壞的位置和形狀與仿真的有差別，仿真模型與實(shí)物相比，缺口位置不夠精確，形狀大小不夠吻合，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真差別較大。但是兩種傳感器的對(duì)比誤差很小，吻合程度很高，足以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性。

表4 有損和完好葉片靜態(tài)頻率對(duì)比表

有損葉片測(cè)點(diǎn)6的動(dòng)靜態(tài)頻譜圖對(duì)比如圖11所示。

圖11 有損葉片測(cè)點(diǎn)6的動(dòng)靜態(tài)頻譜圖對(duì)比

有損葉片動(dòng)應(yīng)變檢測(cè)實(shí)驗(yàn)也對(duì)三種不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量（最高轉(zhuǎn)速分別是200r/min，300r/min，400r/min）。時(shí)域分析中同樣取300r/min狀態(tài)下的最大幅值進(jìn)行比較（表5）。

表5 有損葉片300 r/min狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)幅值

和完好葉片結(jié)果一樣，兩種傳感器測(cè)量結(jié)果誤差都在10%以內(nèi)。取有損傷葉片300r/min狀態(tài)下的各點(diǎn)幅值與完好狀態(tài)下的幅值對(duì)比曲線如圖12所示。

圖12 有損和無(wú)損葉片測(cè)點(diǎn)幅值比較

從對(duì)比結(jié)果可以看出，兩種傳感器測(cè)得的應(yīng)變分布走勢(shì)規(guī)律是一樣的，只是在具體數(shù)值上有較小誤差存在，這就證明了實(shí)驗(yàn)測(cè)量葉片應(yīng)變分布規(guī)律的準(zhǔn)確性。同時(shí)，兩種傳感器的測(cè)量結(jié)果都一致顯示損壞后的葉片在測(cè)點(diǎn)5的應(yīng)變幅值有明顯增大，也就間接說(shuō)明有缺陷存在的區(qū)域，葉片的變形明顯增大，應(yīng)變值也隨之劇增。這就為識(shí)別葉片損傷提供了時(shí)域方面的依據(jù)。從分析結(jié)果中提取的各狀態(tài)前兩階動(dòng)頻對(duì)比見表6。

表6 有損葉片動(dòng)頻對(duì)比表

由表6可知兩種傳感器的相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，再次證明了FBG傳感器的精度與傳統(tǒng)電類傳感器相當(dāng)。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于完好葉片，受損葉片的動(dòng)態(tài)固有頻率有所降低。這就為識(shí)別葉片損傷提供了頻域方面的表征。

綜上所述，葉片損傷后附近區(qū)域的應(yīng)變幅值會(huì)有突變，并且它的動(dòng)靜頻也會(huì)突然降低。這不僅提供了損傷是否存在的判別依據(jù)，同時(shí)也說(shuō)明了葉片的損傷可以通過(guò)FBG傳感器來(lái)識(shí)別。

4 結(jié)論

本文搭建了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片動(dòng)應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用光纖光柵傳感技術(shù)，成功獲取了汽輪機(jī)葉片動(dòng)態(tài)應(yīng)變分布數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到了葉片的應(yīng)變分布規(guī)律和動(dòng)靜頻等參數(shù)。在進(jìn)一步的損傷葉片實(shí)驗(yàn)中，從時(shí)域和頻域兩方面都提取出了損傷信息，從而實(shí)現(xiàn)了基于FBG傳感的對(duì)葉片動(dòng)應(yīng)變的分布式檢測(cè)，以及對(duì)損傷葉片的識(shí)別，分析結(jié)果與傳統(tǒng)的電類傳感器相吻合，驗(yàn)證了FBG傳感應(yīng)用于葉片動(dòng)應(yīng)變檢測(cè)和損傷識(shí)別的精確可靠性。

本次的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還不足以獲取實(shí)際工況下汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的動(dòng)態(tài)應(yīng)變分布數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器進(jìn)行相應(yīng)的封裝等措施后，下一步將有望實(shí)現(xiàn)工況下轉(zhuǎn)子葉片的監(jiān)測(cè)。

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