基于葉尖定時(shí)技術(shù)的葉輪葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

范博楠， 張玉波， 王海斗， 徐濱士(裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100072)

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基于葉尖定時(shí)技術(shù)的葉輪葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

范博楠， 張玉波， 王海斗， 徐濱士(裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

摘要：葉輪作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件之一，在復(fù)雜惡劣的工況中容易使葉片產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)疲勞斷裂等失效形式，因此對(duì)葉片振動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要意義。非接觸式的葉尖定時(shí)技術(shù)具有同時(shí)監(jiān)測(cè)整級(jí)葉片的優(yōu)勢(shì)，為葉片振動(dòng)及損傷診斷提供了有效方式。從葉尖定時(shí)傳感、葉片振動(dòng)及損傷監(jiān)測(cè)等三個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，總結(jié)了當(dāng)前研究中存在的不足，并就葉尖定時(shí)技術(shù)及葉片健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：葉片振動(dòng)；損傷監(jiān)測(cè)；裂紋；葉尖定時(shí)

葉輪是航空、船舶、電力和化工等行業(yè)應(yīng)用廣泛的重要部件，其穩(wěn)定運(yùn)行是保障大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全運(yùn)輸和高效生產(chǎn)的決定性因素[1-4]。作為能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，葉輪的性能日益向高轉(zhuǎn)速、高效率及高可靠性的趨勢(shì)發(fā)展[5]，葉片的工作環(huán)境也愈加嚴(yán)峻。在離心力、氣動(dòng)力及熱應(yīng)力之上疊加工況中產(chǎn)生的振動(dòng)載荷，使葉片產(chǎn)生交變應(yīng)變并承受高循環(huán)應(yīng)力，進(jìn)而在缺陷處萌生裂紋，最終導(dǎo)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(dòng)形式可在短時(shí)間內(nèi)加速葉片損傷，危及旋轉(zhuǎn)機(jī)械的整體安全[8-9]。而當(dāng)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(shí)排除葉片的安全隱患。因此，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)葉片的振動(dòng)參數(shù)，提取特征信息[10]，及早確定并排除故障，是當(dāng)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(duì)葉片振動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的接觸式應(yīng)變片測(cè)量技術(shù)較為成熟，已得到廣泛的應(yīng)用，但存在一些難以克服的缺點(diǎn)，常用于試驗(yàn)驗(yàn)證和對(duì)比[11-12]。非接觸式測(cè)量法具有安裝簡(jiǎn)便及不干擾被測(cè)葉片等特點(diǎn)[13]，在信息技術(shù)的助推下得到廣泛的研究，其中葉尖定時(shí)法由于具有同時(shí)監(jiān)測(cè)整級(jí)葉片振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[14-15]。在國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者探索的基礎(chǔ)上，本文對(duì)基于葉尖定時(shí)技術(shù)的葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的分析，并對(duì)葉尖定時(shí)及葉片健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1葉尖定時(shí)

1.1測(cè)振原理

葉尖定時(shí)是基于間斷相位法和脈沖調(diào)制法發(fā)展起來的葉片振動(dòng)測(cè)量技術(shù)，其核心原理是將數(shù)個(gè)定時(shí)傳感器沿圓周方向安置在葉輪殼體上，采集葉片經(jīng)過傳感器時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)[16]。正常狀態(tài)下，葉尖到達(dá)傳感器的時(shí)間可根據(jù)葉片分布角度和轉(zhuǎn)速計(jì)算得出，而振動(dòng)狀態(tài)下，葉尖到達(dá)則會(huì)引起相對(duì)時(shí)間差[17]。通過處理時(shí)間差序列，可得到葉片實(shí)時(shí)的振動(dòng)位移，進(jìn)而獲取振幅、頻率及振動(dòng)階次等信息。葉尖定時(shí)的本質(zhì)是間斷測(cè)量葉片末端的相對(duì)位移，獲取并分析葉片振動(dòng)過程的相關(guān)參數(shù)。

表1　某型航發(fā)測(cè)量要求及定時(shí)系統(tǒng)測(cè)量精度

以運(yùn)用葉尖定時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)[18]為例，其測(cè)量精度的要求如表1所示。傳感器帶寬根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片尺寸及最大切向轉(zhuǎn)速的要求可知系統(tǒng)的定時(shí)分辨力應(yīng)優(yōu)于10.6 ns，因而傳感器帶寬應(yīng)優(yōu)于100 MHz。而基于固定頻率脈沖填充法的傳輸速率根據(jù)傳感器數(shù)量、轉(zhuǎn)速和整級(jí)葉片數(shù)量等可得最低要求為201 Kb/s，因此葉尖定時(shí)系統(tǒng)應(yīng)針對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)象的特征，滿足測(cè)量精度、帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率的相關(guān)要求。

圖2　葉尖定時(shí)系統(tǒng)示意圖Fig.2 BTT system schematic

1.2關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

葉尖定時(shí)系統(tǒng)組成如圖2所示。旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)信號(hào)采集及處理的關(guān)鍵是定時(shí)傳感器及融合辨識(shí)算法的傳感器布局方式。傳感器的性能直接影響信號(hào)的精確度，因此定時(shí)傳感器需有大頻寬、高信噪比和較好的響應(yīng)速度[18]。如表2所示，不同類型傳感器性能各有優(yōu)缺，具體選型取決于實(shí)際工況及性能需求。而融合信號(hào)辨識(shí)算法的傳感器布局是影響振動(dòng)參數(shù)分析精度的重要因素，其精確性和實(shí)用性對(duì)葉尖定時(shí)的工程化應(yīng)用具有一定的決定性意義。

表2　葉尖傳感器對(duì)比[16]

當(dāng)前基于葉尖定時(shí)的葉片監(jiān)測(cè)研究主要分為兩個(gè)方面：一是進(jìn)行傳統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，在不同工況下針對(duì)葉片的同步和異步振動(dòng)，進(jìn)行振動(dòng)參數(shù)采集和辨識(shí)的研究；二是運(yùn)用葉尖定時(shí)監(jiān)測(cè)葉片服役中的損傷失效。通過單參數(shù)監(jiān)測(cè)和多參數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析等方法，對(duì)損傷葉片的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障特征提取的研究。

1.3其他非接觸式測(cè)量法

常見的非接觸式測(cè)量方法如表3所示：激光多普勒法的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試比較復(fù)雜，系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響；聲發(fā)射多普勒法容易受到各類背景噪聲的影響，在信號(hào)降噪的理論研究和工程實(shí)踐上仍存在較大挑戰(zhàn)；葉間動(dòng)態(tài)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(jìn)一步深入的探索。

表3　典型非接觸式測(cè)量方法

2基于葉尖定時(shí)的葉片動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

2.1葉尖定時(shí)傳感研究

旋轉(zhuǎn)葉片經(jīng)過定時(shí)傳感器感應(yīng)區(qū)域時(shí)會(huì)使其產(chǎn)生信號(hào)脈沖，進(jìn)而生成時(shí)間序列以進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。葉尖定時(shí)傳感器是實(shí)現(xiàn)信號(hào)精確采集的關(guān)鍵。表4為不同傳感器的基礎(chǔ)性能對(duì)比，可知帶透鏡的激光傳感器測(cè)量精度最高?；诓煌瑐鞲性淼亩〞r(shí)傳感器在性能指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性上存在差異，研究人員通過運(yùn)用試驗(yàn)臺(tái)或旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)實(shí)際運(yùn)用中不同傳感器的工程應(yīng)用能力進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。

基于強(qiáng)度調(diào)制的反射式光纖傳感具有良好的抗干擾性和測(cè)量精度，在葉尖定時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在與多光纖探頭的性能對(duì)比測(cè)試中，單光纖探頭帶寬更高且噪聲水平更低。同時(shí)仿真和實(shí)驗(yàn)研究表明，基于單光纖對(duì)模型的傳感器在精度、適用性擴(kuò)展性上更具有優(yōu)勢(shì)[22]。而在“1+36”全光纖傳感器的基礎(chǔ)上[18]開發(fā)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(fēng)冷穩(wěn)功率控制，有效解決了光源產(chǎn)生的光強(qiáng)波動(dòng)問題，提高了定時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在后續(xù)定時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中得到良好的應(yīng)用。

圖3　“1+6”光纖傳感器結(jié)構(gòu)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(duì)工作環(huán)境要求較高，因而科研人員探索運(yùn)用耐污染性更好的電容傳感。在運(yùn)用葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)的電容傳感器對(duì)葉片一階振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)中[25]，其測(cè)量精度高于運(yùn)用有限數(shù)量的應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果，同時(shí)分析認(rèn)為，使振動(dòng)葉片的定時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的原因在于模擬信號(hào)的離散化處理及系統(tǒng)噪聲。針對(duì)煙氣輪機(jī)的工況，精度較高的雙屏蔽電容傳感器被開發(fā)用于信號(hào)的采集實(shí)驗(yàn)[16]，結(jié)果顯示該傳感器實(shí)測(cè)信號(hào)與理論計(jì)算的幅值對(duì)應(yīng)性好，且過零點(diǎn)處信號(hào)的轉(zhuǎn)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(shí)精度。

近年來，新型傳感方式也被探索用于旋轉(zhuǎn)葉片的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在運(yùn)用葉尖定時(shí)系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，光纖光柵磁耦合傳感器[26]可將初始定時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)為光柵應(yīng)變信號(hào)，進(jìn)而變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)信號(hào)并傳遞給信號(hào)處理模塊。通過同步及異步振動(dòng)的監(jiān)測(cè)證實(shí)了該傳感器能有效監(jiān)測(cè)葉片的振動(dòng)。而微波傳感器[27]通過仿真和樣品測(cè)試，證實(shí)了其相對(duì)于渦流傳感器具有較好的分辨率和帶寬，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易并能更加可靠地適應(yīng)復(fù)雜工況。

表4　不同傳感器的性能對(duì)比[18]

2.2基于葉尖定時(shí)的葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究

高速旋轉(zhuǎn)葉片在氣流和機(jī)械激振力等多重因素影響下所產(chǎn)生的各型振動(dòng)，極有可能誘發(fā)疲勞斷裂等失效形式[28]。當(dāng)前振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(zhuǎn)速引起激振而形成的同步共振在振動(dòng)參數(shù)的獲取上較為困難，因而是葉片振動(dòng)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[29]。對(duì)此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者相繼提出了一些典型算法，如速矢端跡法、雙參數(shù)法和自回歸法等[17]，進(jìn)行了有效的探索。

在葉片同步共振的參數(shù)識(shí)別上,針對(duì)葉片本征頻率和阻尼比的離線識(shí)別，兩種模式的子空間方法對(duì)多只葉尖定時(shí)傳感器的信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比研究[30]。結(jié)果表明，子空間方法對(duì)本征頻率的識(shí)別誤差小于FFT，同時(shí)還可獲得葉片的阻尼系數(shù)，相比FFT有了明顯的改進(jìn)。在運(yùn)用間斷相位法監(jiān)測(cè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下葉片同步振動(dòng)的探索中[31]，葉尖定時(shí)傳感器以均勻夾角進(jìn)行安置，進(jìn)行了3均布、5均布及“5+2”(即以共用一個(gè)傳感器的方法融合3均布和5均布的方式)等布局的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明該方法可以獲得振幅值并能消除不同轉(zhuǎn)速下因葉片變形而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，但不能準(zhǔn)確計(jì)算出振動(dòng)的頻率。而旋轉(zhuǎn)不變子空間[32](ESPRIT)的振動(dòng)信息辨識(shí)法在恒定轉(zhuǎn)速下，將2個(gè)定時(shí)傳感器以14°夾角進(jìn)行安裝以采集振動(dòng)信號(hào)，能有效識(shí)別出多諧波疊加下振動(dòng)信號(hào)的頻率參數(shù)，可對(duì)同步共振進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)基于多個(gè)傳感器以任意角分布的倍頻遍歷算法[33]，在航空設(shè)備的變速掃頻的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，也識(shí)別出了振動(dòng)的倍頻、頻率及幅值等參數(shù)。此外，在多種同步振動(dòng)共存狀態(tài)的監(jiān)測(cè)中[34]，通過運(yùn)用“5+2”定時(shí)傳感器布局進(jìn)行多取樣動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在改變轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，融合運(yùn)用數(shù)組傳感器，有效監(jiān)測(cè)到了多個(gè)同步共振頻率。同時(shí)作者認(rèn)為在大量共振頻率并存且不同振頻間的差值為轉(zhuǎn)速的整數(shù)倍時(shí)，該方法會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的混疊現(xiàn)象，對(duì)此還需要進(jìn)行深入的研究。

對(duì)于葉片的異步振動(dòng)監(jiān)測(cè)，融合了3均布和5均布的“5+2”布局頻率辨識(shí)法[35]具有雙速率同步采樣的特點(diǎn)。在多個(gè)恒定轉(zhuǎn)速下分別進(jìn)行振頻辨識(shí)，通過與坎貝爾圖進(jìn)行對(duì)比，展示了較好的辨識(shí)精度，并在與應(yīng)變片監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)中，呈現(xiàn)了良好的一致性。在對(duì)全相位FFT辨識(shí)法[36]的研究中，7個(gè)定時(shí)傳感器分別以0°、21.2°、38.8°、56.3°、72.0°、144.0°和216.0°的夾角進(jìn)行安裝以采集葉片振動(dòng)信號(hào)，在3 300 r/min的恒速下進(jìn)行測(cè)量。其仿真結(jié)果表明對(duì)振動(dòng)相位的識(shí)別精度要高于傳統(tǒng)FFT。試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)，結(jié)合多傳感器遍歷算法的全相位FFT在異步振動(dòng)頻率的識(shí)別上精度更高。但該方法對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和軸系扭振量級(jí)的要求較高，也受到傳感器監(jiān)測(cè)布局的直接影響。

對(duì)于閉式葉片的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，原有的一維葉尖定時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以直接應(yīng)用，研究人員針對(duì)葉片的實(shí)際結(jié)構(gòu)提出兩種改進(jìn)方法[37]。一是將兩組雙磁阻定時(shí)傳感器以90°夾角安裝于定子，并使每組的兩個(gè)傳感器分別對(duì)應(yīng)護(hù)罩的進(jìn)氣邊和出氣邊，一組用以監(jiān)測(cè)葉片的軸向偏移，另一組則監(jiān)測(cè)徑向偏移，如圖4所示；二是運(yùn)用一個(gè)多系統(tǒng)集成的二維共軸磁阻傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)葉片軸向及徑向的運(yùn)動(dòng)，其原理類似于兩個(gè)獨(dú)立傳感器。經(jīng)過試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，兩種方法均能有效地監(jiān)測(cè)葉片在兩個(gè)或三個(gè)方向上的振動(dòng)，為閉式葉輪葉片復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

在不同振動(dòng)監(jiān)測(cè)方式的實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比上，研究人員也開展了部分工作。在整體葉盤的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中[38]。通過采用掃描激光多普勒和葉尖定時(shí)分析兩種方法對(duì)葉片振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)中通過在葉片端部上加裝45°三角楔形塊以增加葉片振動(dòng)的定時(shí)延遲效果，同時(shí)安裝高度略低的失諧塊以避免對(duì)傳感器的干擾，8只定時(shí)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(jìn)行安裝以采集葉片振動(dòng)信號(hào)。結(jié)果表明，在不同激振下，葉尖定時(shí)對(duì)振幅的監(jiān)測(cè)值較高，同時(shí)共振振動(dòng)峰值的監(jiān)測(cè)上也高于激光多普勒。分析認(rèn)為導(dǎo)致兩者數(shù)據(jù)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(dá)到預(yù)期要求。而在葉片整階次和非整階次振動(dòng)監(jiān)測(cè)中[39]，通過對(duì)比2個(gè)光纖葉尖傳感器及應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了葉尖定時(shí)的測(cè)量原理，并在壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步證實(shí)了該系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)整級(jí)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(jiān)測(cè)布局[37]Fig.4 The arrangement of sensors for monitoring shrouded blades[37]

2.3基于葉尖定時(shí)的葉片損傷監(jiān)測(cè)研究

工作環(huán)境的嚴(yán)峻性決定了葉片故障的多樣性、復(fù)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(zhǎng)時(shí)間的工作載荷后，容易在缺陷處萌生裂紋并最終導(dǎo)致失效。缺陷葉片由于結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生改變，在振動(dòng)特性上也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化[45]。因而通過分析葉片振動(dòng)特性的改變，并進(jìn)行故障特征的提取，便可獲取葉片損傷的相關(guān)信息。損傷監(jiān)測(cè)是葉片健康監(jiān)測(cè)的重要研究?jī)?nèi)容，也是行業(yè)難題。當(dāng)前科研人員基于葉尖定時(shí)技術(shù)主要通過結(jié)構(gòu)變形、頻率趨勢(shì)監(jiān)測(cè)等單參數(shù)法，以及對(duì)故障特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的多參數(shù)方法，開展針對(duì)裂紋的監(jiān)測(cè)研究。

在燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片損傷的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中[46]，首先通過有限元模態(tài)分析獲取了葉片的固有頻率和一階振動(dòng)的應(yīng)力分布，并判斷接近于最大轉(zhuǎn)速的3倍頻為潛在危險(xiǎn)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中采用的5個(gè)電渦流和2個(gè)光纖傳感器以15°間隔均勻分布。在3倍頻激勵(lì)下，對(duì)加速和減速階段中葉片的振幅及傾斜度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明其中3支葉片的振幅在加速及減速階段出現(xiàn)明顯增大和減少，同時(shí)葉片傾斜度在加速階段也顯著增大并隨后保持趨勢(shì)不變，如圖5所示，運(yùn)用此差異性特征有效地監(jiān)測(cè)出葉片裂紋的存在。同時(shí)在運(yùn)用葉片健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)壓氣機(jī)葉片損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)[47]，系統(tǒng)通過采集分析葉尖定時(shí)數(shù)據(jù)，一方面依據(jù)頻率失諧趨勢(shì)監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械因多次啟停而引起的裂紋萌生，另一方面運(yùn)用靜態(tài)擾度趨勢(shì)對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過趨勢(shì)分析可以有效判斷葉片裂紋的存在。筆者認(rèn)為該系統(tǒng)依據(jù)頻率失諧可進(jìn)一步探索低周疲勞裂紋監(jiān)測(cè)，而基于靜態(tài)擾度趨勢(shì)可針對(duì)高周疲勞進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理分析損傷葉片的葉尖定時(shí)信號(hào)中，研究人員進(jìn)行了一定的探索。在葉片一階振動(dòng)監(jiān)測(cè)中[24]，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了重構(gòu)，而后運(yùn)用基于主成分分析(PCA)的特征提取方法，對(duì)振頻、振幅及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行特征提取，確定貢獻(xiàn)率較高的主成分，并對(duì)比葉片在含裂紋及正常狀態(tài)下，主成分之間歐幾里得角度分布的差異，進(jìn)而有效地提取出裂紋信息，如圖6所示。相比之下，振動(dòng)信號(hào)的能譜圖在裂紋存在時(shí)呈現(xiàn)的差異較小，在含噪情況下難以提取。更進(jìn)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(yù)測(cè)[48]。運(yùn)用香農(nóng)定理和小波包對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，并采用核主成分分析進(jìn)行裂紋特征提取且以馬氏距離定義損傷指標(biāo)，經(jīng)過對(duì)比確定σ為100 000時(shí)可最有效地表征損傷趨勢(shì)，并以此進(jìn)行灰色模型預(yù)測(cè)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)所采集的損傷擴(kuò)展數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)的趨勢(shì)較為相近，證實(shí)了該方法預(yù)測(cè)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(jié)論與展望

葉片的工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，容易出現(xiàn)損傷失效，減少正常的服役壽命。修復(fù)后的葉片會(huì)引入一定的材料表界面效應(yīng)，也可能產(chǎn)生類似新品的損傷失效。對(duì)葉片的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以獲取服役參數(shù)，不僅有利于確保大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全，也可向科研工作者準(zhǔn)確反饋損傷信息，供其對(duì)葉片的制造和修復(fù)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)完善，這對(duì)于提高葉片性能、延長(zhǎng)服役壽命具有重要意義。

3.1結(jié)論

(1) 葉尖定時(shí)系統(tǒng)的軟硬件整體技術(shù)進(jìn)步較大，但傳感器在性能指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性上的兼容有待提高；融合辨識(shí)算法的傳感器布局方式雖能較為準(zhǔn)確地還原葉片的振動(dòng)，但在真實(shí)工況下的實(shí)用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)于提高信號(hào)精度的降噪問題尚缺乏深入的研究。

(2) 當(dāng)前葉片振動(dòng)的監(jiān)測(cè)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(dòng)，而針對(duì)閉式葉輪葉片的研究相對(duì)較少。葉尖定時(shí)監(jiān)測(cè)雖然可實(shí)現(xiàn)在線振幅測(cè)量，但振頻計(jì)算和振型判定仍需離線處理，實(shí)現(xiàn)全面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)有待進(jìn)一步突破。

(3) 葉片損傷監(jiān)測(cè)在針對(duì)裂紋的研究上取得一定進(jìn)展，但仍處于探索階段。當(dāng)前對(duì)裂紋的監(jiān)測(cè)主要采用基于振動(dòng)信號(hào)的單參數(shù)和多參數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，運(yùn)用其他信號(hào)處理方法進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)的研究相對(duì)較少；同時(shí)分析判定多采用定性手段，缺乏對(duì)裂紋監(jiān)測(cè)的定量表征。此外，融合包括裂紋在內(nèi)的多種損傷類型的全面監(jiān)測(cè)研究相對(duì)較少，需要進(jìn)一步拓展多種損傷類型的特征識(shí)別研究。

3.2展望

(1) 定時(shí)傳感器及其布局方式是葉尖定時(shí)技術(shù)的關(guān)鍵。傳感器在提高信號(hào)采集精度的同時(shí)，要兼顧尺寸及環(huán)境耐用性等性能；布局方式需要在進(jìn)行充分的實(shí)用性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)影響信號(hào)精度的噪聲特性進(jìn)行研究，并逐步實(shí)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)階段對(duì)傳感器與殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)融合，同時(shí)將降噪處理融入信號(hào)處理流程之中，提高定時(shí)信號(hào)的精確性。

(2) 葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)進(jìn)一步拓展對(duì)閉式葉輪以及多種葉型在不同振型上的研究，并在振幅動(dòng)態(tài)測(cè)量基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)振頻和振型的在線判定。

(3) 故障特征提取是準(zhǔn)確判定故障的關(guān)鍵。在監(jiān)測(cè)振動(dòng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究能有效診斷故障的特征參量及提取方法，加強(qiáng)故障的定量判定研究，以準(zhǔn)確地判定故障類型，提高在線監(jiān)測(cè)的可靠性與智能型。

(4) 葉片健康監(jiān)測(cè)可在葉尖定時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合葉片應(yīng)力分布、葉尖間隙等參量進(jìn)行多信息融合，更為全面地獲取葉片的工作狀態(tài)，增強(qiáng)對(duì)葉片振動(dòng)和損傷的實(shí)時(shí)診斷能力，最大限度地保障旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

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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(hào):V232.4; TK14

文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：國(guó)家973計(jì)劃資助(2011CB013405)；國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助(51125023)

第一作者 范博楠 男，碩士生，1991年生

E-mail：wanghaidou@aliyun.com