燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)動(dòng)葉片斷裂故障振動(dòng)特征及其診斷方法

黨 偉， 胡明輝， 江志農(nóng)， 馮 坤

(1. 北京化工大學(xué) 發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2. 北京化工大學(xué) 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

燃?xì)廨啓C(jī)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)航空、船舶運(yùn)輸及石油化工等行業(yè)，與現(xiàn)代國(guó)防建設(shè)和國(guó)民生活息息相關(guān)。葉片作為燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件之一，承擔(dān)著能量轉(zhuǎn)換的重任。葉片故障是燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵機(jī)械部件典型故障之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，葉片故障約占燃機(jī)整體故障的42%[1]，其中壓氣機(jī)動(dòng)葉片斷裂為主要的故障形式。一旦發(fā)生動(dòng)葉片斷裂故障，不僅使燃機(jī)性能下降，高速脫落的斷裂葉片還會(huì)打傷轉(zhuǎn)子系統(tǒng)其他部件及靜子部件，可能引發(fā)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)“掃膛”甚至整臺(tái)燃機(jī)損毀的事故，嚴(yán)重威脅燃機(jī)的安全運(yùn)行。振動(dòng)信號(hào)分析是燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)械部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷最常用的方法，然而我國(guó)民用及軍用燃機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)中廣泛采用的是低頻振動(dòng)速度有效值監(jiān)測(cè)，目前仍難以實(shí)現(xiàn)葉片斷裂瞬態(tài)的告警，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)葉片斷裂故障的識(shí)別與定位。

在葉片故障識(shí)別問(wèn)題的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要形成了如下兩方面的成果。

第一方面是通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)模型，分析葉片故障機(jī)理和故障前后固有特性參數(shù)的變化，目前已形成了基于葉片固有頻率跟蹤分析的葉片斷裂故障識(shí)別方法。洪杰等[2-3]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片丟失后問(wèn)題，建立整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，分析了葉片丟失后的轉(zhuǎn)子突發(fā)不平衡激勵(lì)、碰摩、非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速時(shí)變等整機(jī)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)完整性問(wèn)題。Masoud等[4-7]通過(guò)建立葉片有限元模型，提出可根據(jù)固有頻率的變化判斷葉片是否存在裂紋故障且根據(jù)固有頻率改變量確定葉片損傷程度。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可用于葉片斷裂故障的識(shí)別，但工程中如何精準(zhǔn)地獲取葉片固有頻率是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。常用方法有兩類(lèi)：其一，通過(guò)公式計(jì)算[8]，但其控制參數(shù)復(fù)雜且難以準(zhǔn)確設(shè)置，導(dǎo)致計(jì)算誤差大；其二，模態(tài)測(cè)試法[9-10]，技術(shù)較成熟，但由于我國(guó)使用的燃?xì)廨啓C(jī)大多并未實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化，部件級(jí)模態(tài)測(cè)試難以在作為燃機(jī)用戶(hù)的我國(guó)各企業(yè)廣泛開(kāi)展。

上述可用于葉片斷裂故障監(jiān)測(cè)的主要思路是對(duì)葉片固有頻率進(jìn)行分析與跟蹤，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍存在兩個(gè)未解難題：①葉片固有頻率難以精準(zhǔn)獲取，燃機(jī)模態(tài)測(cè)試在我國(guó)開(kāi)展難度大，且每型燃機(jī)需單獨(dú)測(cè)試，難以遷移和推廣；②工程實(shí)測(cè)信號(hào)中葉片固有頻率振動(dòng)成分提取難，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)通常位于外機(jī)匣表面，葉片固有頻率振動(dòng)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子、軸承、彈性支承、薄壁機(jī)匣等結(jié)構(gòu)傳遞后幅值大幅衰減，傳感器很難檢測(cè)到該成分；同時(shí)外機(jī)匣振動(dòng)中包含大量其他結(jié)構(gòu)、氣體噪聲，使提取固有頻率振動(dòng)更加難以實(shí)現(xiàn)。

第二方面是基于試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)采集的葉片信號(hào)，利用特征提取或機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行葉片正常與故障狀態(tài)的分類(lèi)和識(shí)別。趙新光等[11]提出利用小波變換后的分段能量作為特征參數(shù)可對(duì)葉片正常與故障狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。黎少輝等[12]利用K均值聚類(lèi)對(duì)葉片狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)與識(shí)別。Gubran等[13]基于試驗(yàn)提出轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)角速度值可用于識(shí)別葉片根部松動(dòng)和裂紋故障。上述研究成果可用于葉片正常和故障數(shù)據(jù)的分類(lèi)與識(shí)別，但主要工作集中于數(shù)據(jù)層面找異常及區(qū)別，未充分考慮故障機(jī)理，因此得到的方法和規(guī)則難以用于作為逆問(wèn)題的葉片斷裂故障辨識(shí)、葉片斷裂與其他故障的區(qū)分。

綜上所述，要使研究成果可應(yīng)用于工程中葉片斷裂故障的識(shí)別，需滿(mǎn)足如下要求：①應(yīng)充分考慮故障的振動(dòng)響應(yīng)機(jī)理，使提出的故障特征可用于逆問(wèn)題的故障診斷，且便于實(shí)現(xiàn)葉片斷裂與其他故障的區(qū)分；②提出的故障特征理論參考值便于實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算；③提出的故障特征在工程中便于測(cè)試與提取。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣體激振力產(chǎn)生機(jī)理，研究了葉片振動(dòng)響應(yīng)的傳遞路徑和尾流激振力變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立了壓氣機(jī)靜子葉片振動(dòng)響應(yīng)模型，推導(dǎo)了轉(zhuǎn)子葉片斷裂后氣體激振力響應(yīng)的變化規(guī)律，提出了便于工程中監(jiān)測(cè)分析的葉片斷裂故障特征參數(shù)。進(jìn)一步地，針對(duì)葉片斷裂故障的識(shí)別問(wèn)題，提出了基于改進(jìn)啟發(fā)式分割算法(improved heuristic segmentation algorithm，IHSA)的葉片斷裂故障識(shí)別方法，可通過(guò)葉片斷裂瞬態(tài)故障特征幅值突變的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別。然后，構(gòu)造了葉片斷裂位置識(shí)別因子γ，可實(shí)現(xiàn)葉片斷裂位置的辨識(shí)。最后，綜合上述兩種方法，提出了一種燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)動(dòng)葉片斷裂故障診斷方法。通過(guò)某型燃機(jī)葉片斷裂故障數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了提出的振動(dòng)特征及診斷方法的有效性。

1 葉片尾流激振力及其響應(yīng)傳遞分析

1.1 葉片尾流激振力分析

燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部流道中由于葉片、支板及幅板等零件的存在，將整個(gè)流道分成多個(gè)通道。氣流流經(jīng)各個(gè)通道時(shí)，通道中心和通道邊緣處氣體的流場(chǎng)壓力P、流速v等參數(shù)不同，進(jìn)而形成了間隔分布的“氣柱流”，即產(chǎn)生環(huán)向上的氣流速度、壓力分布凹坑；另外，由于裝配、制造等誤差引起的葉盤(pán)失諧同樣導(dǎo)致葉片流道中出口面積和氣流出口角不均勻。上述原因?qū)е铝鲌?chǎng)在葉盤(pán)出口截面產(chǎn)生周向畸變，即環(huán)向上P，v并非恒定值，而呈多周期性沿環(huán)向增大又減小的變化狀，如圖1所示。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)靜葉片間軸向距離一般只有葉片寬度的10%～15%，導(dǎo)致由上述原因引起的氣流速度分布凹坑無(wú)法及時(shí)恢復(fù)便到了后面的相鄰葉片，因此在后一級(jí)葉盤(pán)前緣截面仍為非均勻流場(chǎng)。后一級(jí)葉片每相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)葉片通道，會(huì)受到一次交變的氣柱沖擊，形成周期性葉片尾流激振力[14]。

圖1 尾流激振力產(chǎn)生原理Fig.1 Generation principle of wake excitation force

按尾流激振力來(lái)源，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的尾流激振力可分為兩類(lèi)：

(1)靜葉支板/幅板產(chǎn)生的尾流激振力，即靜葉/支板/幅板產(chǎn)生的氣流凹坑，其受力載體為后面的下一級(jí)動(dòng)葉片。轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子上同一位置受到靜葉片數(shù)次氣體激振力，即激振頻率為靜葉片通過(guò)頻率ft。

ft=Ks×fr

(1)

式中：Ks為燃?xì)廨啓C(jī)本級(jí)靜子上葉片、支板或幅板的數(shù)量；fr為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子工頻。

(2)動(dòng)葉片產(chǎn)生的尾流激振力，即動(dòng)葉片產(chǎn)生的氣流凹坑，其受力載體為后面的本級(jí)靜葉片。轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，靜葉上同一位置受到動(dòng)葉片數(shù)次氣體激振力，即激振頻率為動(dòng)葉片通過(guò)頻率fo。

fo=Kr×fr

(2)

式中，Kr為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子上本級(jí)動(dòng)葉片的數(shù)量。

1.2 葉片振動(dòng)響應(yīng)傳遞路徑

燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)通常只能布置在外機(jī)匣表面，難以直接測(cè)量?jī)?nèi)部部件的振動(dòng)信號(hào)。由于上述兩類(lèi)尾流激振力受力部件不同，進(jìn)而導(dǎo)致其振動(dòng)信號(hào)傳遞路徑不同，因此分兩種情況進(jìn)行分析。

1.2.1 靜葉片等靜子部件產(chǎn)生的尾流激振力

該激振力由靜葉片等靜子部件產(chǎn)生，因此其大小與靜子狀態(tài)相關(guān)。激振力頻率為靜葉片通過(guò)頻率，激振力作用部位為下一級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片，如圖2中實(shí)心圓所示。該激振力產(chǎn)生的振動(dòng)要被外機(jī)匣表面的傳感器A、傳感器B獲取到，則必須通過(guò)傳遞路徑1、傳遞路徑2、傳遞路徑3，如圖2中虛線所示。該類(lèi)傳遞路徑組成復(fù)雜，其中包含轉(zhuǎn)子葉片-轉(zhuǎn)子鼓筒-轉(zhuǎn)子軸-支承軸承-彈性支承-薄壁機(jī)匣等部件，傳遞路徑長(zhǎng)進(jìn)而導(dǎo)致振動(dòng)衰減明顯且易混入局部振動(dòng)等噪聲，同時(shí)彈性支承使作為高頻信號(hào)的靜葉片通過(guò)頻率分量振動(dòng)嚴(yán)重衰減。上述原因?qū)е略撜駝?dòng)分量難以通過(guò)外機(jī)匣振動(dòng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，同時(shí)由于該振動(dòng)分量主要與靜子葉片狀態(tài)相關(guān)，并非轉(zhuǎn)子葉片斷裂的敏感參數(shù)，因此在本文研究動(dòng)葉片斷裂故障時(shí)暫不予以重點(diǎn)關(guān)注。

1.2.2 動(dòng)葉片產(chǎn)生的尾流激振力

該激振力由動(dòng)葉片產(chǎn)生，因此其大小與轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片狀態(tài)相關(guān)。激振力頻率為動(dòng)葉片通過(guò)頻率，激振力作用部位為本級(jí)靜葉片，如圖2中空心圓所示。該激振力通過(guò)傳遞路徑4、傳遞路徑5、傳遞路徑6后被外機(jī)匣表面的傳感器A、傳感器B獲取，如圖2中實(shí)線所示。該類(lèi)傳遞路徑中主要包含靜葉片-薄壁機(jī)匣等部件，相對(duì)上一類(lèi)傳遞路徑而言長(zhǎng)度明顯縮短，振動(dòng)信號(hào)衰減較少，進(jìn)而導(dǎo)致該振動(dòng)分量易通過(guò)外機(jī)匣振動(dòng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，該振動(dòng)分量主要與轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片狀態(tài)相關(guān)，因此在本文中予以重點(diǎn)研究。

圖2 葉片振動(dòng)響應(yīng)傳遞路徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of blade vibration response transfer path

綜上所述，由于本文的研究對(duì)象為燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)動(dòng)葉片斷裂故障，因此主要對(duì)動(dòng)葉片通過(guò)頻率激勵(lì)下的靜葉片振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行建模分析。

2 動(dòng)葉通過(guò)頻率激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)模型建立

如1.2節(jié)所述，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜子葉片主要受到上級(jí)動(dòng)葉片產(chǎn)生的氣體激振力作用。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)斷裂故障時(shí)，本級(jí)動(dòng)葉盤(pán)葉頂間隙增大，泄漏損失變大，增壓性能和效率下降，下級(jí)靜子葉片前緣截面的氣體壓力P下降，則氣體激振力大小發(fā)生變化，進(jìn)而影響靜子葉片的振動(dòng)響應(yīng)，如圖3所示。因此本文模擬轉(zhuǎn)子葉片斷裂狀態(tài)下建立靜子葉片在尾流激振力作用下的振動(dòng)響應(yīng)模型，進(jìn)而研究葉片斷裂故障下振動(dòng)響應(yīng)的變化規(guī)律。

圖3 斷裂轉(zhuǎn)子葉片示意圖Fig.3 Schematic diagram of broken rotor blade

2.1 動(dòng)葉片尾流激振力變化規(guī)律分析

根據(jù)葉片尾流激振力產(chǎn)生機(jī)理，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片未發(fā)生斷裂故障時(shí)，葉柵尾流激振壓力P可近似表達(dá)為

P=P0+ΔP1|cos(2πfot)|

(3)

當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂后，斷裂級(jí)葉柵尾流激振壓力P′可近似表達(dá)為

(4)

式中：P0為穩(wěn)定壓力值； ΔP1為正常葉片尾緣由于尾流引起的壓力脈動(dòng)量； ΔP′為斷裂轉(zhuǎn)子葉片尾緣由于尾流引起的壓力脈動(dòng)量， ΔP′<ΔP1； Δt為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)動(dòng)葉片間隔所需要的時(shí)間；n為轉(zhuǎn)子斷裂葉片號(hào)；m=1,2,…,N，N為正整數(shù)；K為斷裂級(jí)葉盤(pán)的葉片總數(shù)。

為便于分析，對(duì)上述變量進(jìn)行賦值，令P0=2 MPa，ΔP1=2 MPa，ΔP′=1.6 MPa，即轉(zhuǎn)子葉片斷裂導(dǎo)致本級(jí)動(dòng)葉柵壓比下降10%，轉(zhuǎn)子工頻fr=10 Hz，葉片數(shù)K=10，斷裂葉片葉片號(hào)n=3，故轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率fo=100 Hz，代入式(3)、式(4)，則正常和斷裂葉片尾流激振壓力波形，如圖4所示。

圖4 尾流激振壓力脈動(dòng)波形Fig.4 Fluctuation waveform of wake excitation pressure

對(duì)上述壓力信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，正常和轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障對(duì)應(yīng)的尾流激振壓力信號(hào)頻譜，如圖5所示。

由圖5可知：①在葉片無(wú)故障及斷裂狀態(tài)下，尾流激振壓力頻譜均以葉片通過(guò)頻率主導(dǎo)；②當(dāng)出現(xiàn)葉片斷裂時(shí)，尾流激振壓力中動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值降低；③在葉片斷裂狀態(tài)下，尾流激振壓力中轉(zhuǎn)子工頻及其諧波幅值升高。同時(shí)，因?yàn)槿~片斷裂通常為突發(fā)類(lèi)故障[15]，因此上述壓力中對(duì)應(yīng)成分變化均為突變。

上述動(dòng)葉片尾流激振壓力的受力部件為本級(jí)靜葉片，因此對(duì)靜葉片在尾流激振壓力作用下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行建模分析。

圖5 尾流激振壓力脈動(dòng)頻譜Fig.5 Spectrum of wake excitation pressure

2.2 靜子葉片振動(dòng)響應(yīng)模型構(gòu)建

為便于分析，選取單個(gè)靜子葉片作為分析對(duì)象?？蓪⑵浜?jiǎn)化為歐拉-伯努利懸臂梁模型，如圖6所示，利用模態(tài)疊加法求解懸臂梁模型的振動(dòng)響應(yīng)。壓力P在徑向上以均布載荷為例進(jìn)行分析，但若考慮P在徑向上的變化，由于其徑向分布規(guī)律具有高度時(shí)不變特性，因此不影響后續(xù)分析結(jié)果。

圖6 歐拉-伯努利懸臂梁模型Fig.6 Model of Euler-Bernoulli cantilever

等截面梁的動(dòng)力學(xué)方程為

(5)

懸臂梁各階模態(tài)函數(shù)為

φi(x)=cosβix-coshβix+ξi(sinβix-sinhβix),
i=1,2,…

(6)

設(shè)懸臂梁動(dòng)力學(xué)方程式(5)的解為

(7)

將式(7)代入式(5)得

(8)

式(8)兩側(cè)同乘φj并沿梁長(zhǎng)對(duì)x進(jìn)行積分，得

(9)

利用懸臂梁的正則模態(tài)的正交性條件得

(10)

求解式(10)得模態(tài)系數(shù)qi為

(11)

將式(6)、式(11)代入式(7)中，得到尾流激振力作用下靜子葉片的振動(dòng)響應(yīng)為

(12)

忽略動(dòng)靜葉軸向間隙對(duì)壓力的影響，將燃?xì)廨啓C(jī)葉片正常和斷裂狀態(tài)下的尾流激振壓力P，P′分別代入式(12)，即可得到正常和故障狀態(tài)下的靜子葉片振動(dòng)響應(yīng)y1，y2。

(13)

(14)

其中，

2.3 葉片斷裂狀態(tài)下振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律分析

由式(12)可知，靜葉片振動(dòng)響應(yīng)與動(dòng)葉片尾流激振壓力成正比例關(guān)系，即葉片斷裂前后其變化規(guī)律與2.1節(jié)中壓力變化規(guī)律基本一致。

由葉片的振動(dòng)特性可得，葉尖處振動(dòng)位移最大，因此以正常和斷裂故障狀態(tài)下葉尖處振動(dòng)響應(yīng)為例進(jìn)行分析。其中，葉片材料為鈦合金，彈性模量E=106.4 GPa；葉片長(zhǎng)度l=0.4 m；弦長(zhǎng)b=0.04 m；密度ρ=4.51 g/cm3；葉片厚度c=5 mm，其他參數(shù)設(shè)置與式(4)相同。正常和轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障葉片葉尖處的振動(dòng)頻譜，如圖7所示。以懸臂梁仿真葉片受氣流激振力的振動(dòng)響應(yīng)，由于采用線性微分方程，因此響應(yīng)與激振力的頻譜規(guī)律基本一致。

圖7 葉尖處振動(dòng)頻譜Fig.7 Spectrum of vibration at the blade tip

由圖7可知：①轉(zhuǎn)子葉片無(wú)故障時(shí)靜子葉尖處的振動(dòng)響應(yīng)中葉片通過(guò)頻率(即100 Hz)幅值為21.33 μm，葉片斷裂時(shí)其值為20.91 μm，即葉片斷裂后振動(dòng)響應(yīng)中葉片通過(guò)頻率幅值較故障前明顯降低；同時(shí)，由于葉片斷裂通常為突發(fā)性故障，因此上述特征變化過(guò)程通常表現(xiàn)為頻率幅值的突發(fā)降低；②轉(zhuǎn)子葉片無(wú)故障時(shí)靜子葉尖處的振動(dòng)響應(yīng)中轉(zhuǎn)子工頻成分無(wú)明顯幅值，葉片斷裂時(shí)轉(zhuǎn)子工頻幅值為1.268 μm，即葉片斷裂后振動(dòng)響應(yīng)中尾流激振力進(jìn)一步增加了轉(zhuǎn)子工頻的幅值。此外，由已有研究成果可知葉片斷裂往往會(huì)引發(fā)動(dòng)平衡狀態(tài)的惡化，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子工頻幅值進(jìn)一步增大。

本文選取上述響應(yīng)中動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子工頻幅值作為判斷葉片是否發(fā)生斷裂故障的特征參數(shù)。為準(zhǔn)確捕捉振動(dòng)響應(yīng)變化規(guī)律，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)葉片斷裂故障的識(shí)別與定位，對(duì)上述振動(dòng)響應(yīng)的特征參數(shù)及其識(shí)別方法進(jìn)行研究。

3 葉片斷裂故障診斷與定位方法

3.1 基于改進(jìn)啟發(fā)式分割算法的葉片斷裂故障識(shí)別方法

如2.3節(jié)所述，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)壓氣機(jī)動(dòng)葉片斷裂故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值突發(fā)降低、轉(zhuǎn)子工頻幅值突發(fā)升高現(xiàn)象。然而，無(wú)故障狀態(tài)下進(jìn)氣參數(shù)的變化及其他工況擾動(dòng)因素出現(xiàn)時(shí)，亦可能出現(xiàn)上述變化。因此，要實(shí)現(xiàn)葉片斷裂故障的診斷與定位，首先需要通過(guò)對(duì)上述振動(dòng)響應(yīng)的突變進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，并與常規(guī)工況調(diào)整進(jìn)行區(qū)分。

目前常用的突變點(diǎn)檢測(cè)方法主要有：①濾波檢測(cè)法；②滑動(dòng)t檢驗(yàn)法；③Gramer法等。但上述方法通常用于處理線性和平穩(wěn)數(shù)據(jù)[16]，不適用于動(dòng)態(tài)變化的燃?xì)廨啓C(jī)監(jiān)測(cè)參數(shù)分析。Bernaola-Galvan學(xué)者提出的啟發(fā)式分割算法是一種用于處理非線性和非平穩(wěn)數(shù)據(jù)的突變點(diǎn)檢測(cè)方法，可將非平穩(wěn)序列轉(zhuǎn)化為一系列多尺度的自平穩(wěn)子序列，實(shí)際應(yīng)用中無(wú)需設(shè)置報(bào)警線，即可確定參數(shù)突變位置。

3.1.1 改進(jìn)啟發(fā)式分割算法

由N個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的時(shí)間序列x(t)，從左至右分別計(jì)算每個(gè)點(diǎn)左邊部分和右邊部分的平均值μ1(i)，μ2(i)及標(biāo)準(zhǔn)差S1(i)，S2(i)，定義第i個(gè)點(diǎn)的合并偏差SD(i)為

(15)

式中，N1,N2分別為第i個(gè)點(diǎn)左側(cè)和右側(cè)的點(diǎn)數(shù)。利用t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值T(i)表示第i點(diǎn)左、右兩部分均值的差異

(16)

計(jì)算序列x(t)中每個(gè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)值T(t)，其中T越大，表示該點(diǎn)左、右兩部分的均值相差越大。計(jì)算T(t)中最大值Tmax的統(tǒng)計(jì)顯著性P(Tmax)

P(Tmax)=P(T≤Tmax)

(17)

式中，P(Tmax)為在隨機(jī)過(guò)程中取到T≤Tmax的概率，一般P(Tmax)近似表示為

(18)

由蒙特卡洛模擬得到η=4.19lnN-11.54，δ=0.4(N為時(shí)間序列x(t)的點(diǎn)數(shù))，v=N-2，Ix(a,b)為不完全β函數(shù)。設(shè)定臨界值P0，若P(Tmax)≥P0，則以此點(diǎn)為分割點(diǎn)，將序列x(t)分為兩段不同均值的子序列，否則不分割。得到的兩個(gè)新子序列分別重復(fù)上述過(guò)程，直至所有子序列不可分割為止。一般為保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的有效性，當(dāng)子序列長(zhǎng)度小于等于l0(l0為最小分割尺度)時(shí)，不再對(duì)序列進(jìn)行分割。通過(guò)上述步驟，可將原始序列x(t)分為多個(gè)不同均值的子序列，分割點(diǎn)即為序列的突變點(diǎn)。

原始啟發(fā)式分割算法僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的突變點(diǎn)檢測(cè)，無(wú)法區(qū)分突變?cè)龃筮€是減小。因此在原始啟發(fā)式分算法基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)啟發(fā)式分割算法

U(iT=Tmax)=μ1(iT=Tmax)-μ2(iT=Tmax)

(19)

式中：iT=Tmax為T(mén)=Tmax的位置坐標(biāo)；U(iT=Tmax)為T(mén)=Tmax點(diǎn)左、右兩側(cè)序列均值的差值；μ1(iT=Tmax)為T(mén)=Tmax點(diǎn)左側(cè)序列均值；μ2(iT=Tmax)為T(mén)=Tmax點(diǎn)右側(cè)序列均值。因此當(dāng)滿(mǎn)足P(Tmax)≥P0時(shí)，若U(iT=Tmax)<0，則此點(diǎn)為上升突變，模型輸出“+1”；若U(iT=Tmax)>0，則此點(diǎn)為下降突變，模型輸出“-1”。

3.1.2 基于振動(dòng)特征突變檢測(cè)的葉片斷裂故障識(shí)別

基于IHSA，結(jié)合第2章提出的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，識(shí)別葉片斷裂故障。具體步驟如下：

步驟1基于IHSA，以燃?xì)廨啓C(jī)各級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值為振動(dòng)特征，建立其突變點(diǎn)檢測(cè)模型。若模型輸出結(jié)果為“1”，則認(rèn)為葉片通過(guò)頻率幅值在此點(diǎn)突變?cè)龃?；若模型輸出結(jié)果為“0”，則認(rèn)為此點(diǎn)為非突變點(diǎn)；若模型輸出結(jié)果為“-1”，則認(rèn)為葉片通過(guò)頻率幅值在此點(diǎn)突變減小。使用以上輸出結(jié)果建立葉片通過(guò)頻率幅值突變檢測(cè)矩陣BS。結(jié)合2.3節(jié)推導(dǎo)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，葉片斷裂不會(huì)導(dǎo)致葉片通過(guò)頻率幅值增大，因此將BS中的元素“+1”置“0”，構(gòu)造矩陣BS′。

步驟2利用IHSA，對(duì)該葉片對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行突變點(diǎn)檢測(cè)，模型輸出規(guī)則與步驟1相同。使用以上輸出結(jié)果建立該葉片對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的突變檢測(cè)矩陣BN。將原BN中的非零元素置“0”，元素“0”置“+1”，構(gòu)造矩陣BN′。

步驟3使用IHSA對(duì)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的工頻幅值進(jìn)行突變點(diǎn)檢測(cè)，建立該葉片對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子工頻幅值的突變點(diǎn)檢測(cè)矩陣BR。結(jié)合2.3節(jié)推導(dǎo)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，葉片斷裂通常不會(huì)導(dǎo)致工頻幅值降低，將BR中的元素“-1”置“0”，構(gòu)造矩陣BR′。

步驟4結(jié)合2.3節(jié)推導(dǎo)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，結(jié)合葉片通過(guò)頻率幅值突發(fā)衰減與工頻幅值突發(fā)增大的振動(dòng)特征，并對(duì)轉(zhuǎn)速變化引起的葉片通過(guò)頻率幅值變化現(xiàn)象進(jìn)行濾除，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如式(20)、式(21)所示，進(jìn)而確定葉片故障突變檢測(cè)矩陣BF。

BD=BS′?BN′?BR′

(20)

BF=|BD|

(21)

式中：“?”為矩陣中對(duì)應(yīng)各個(gè)元素相乘； “|·|”為對(duì)其中矩陣的各個(gè)元素取絕對(duì)值。BF中元素“+1”對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即為發(fā)生了葉片斷裂故障。

3.1.3 仿真信號(hào)分析

通過(guò)仿真數(shù)據(jù)對(duì)上述葉片斷裂故障識(shí)別方法有效性進(jìn)行初步驗(yàn)證。使用MATLAB軟件生成如圖8(a)～圖8(c)所示的跟蹤幅值信號(hào)x(t)，y(t)和z(t)，分別模擬燃?xì)廨啓C(jī)葉片通過(guò)頻率幅值、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子工頻幅值的變化趨勢(shì)。各點(diǎn)的變化情況及模擬工況，如表1所示。

圖8 仿真信號(hào)變化趨勢(shì)Fig.8 Trend of the simulated signals

表1 仿真燃?xì)廨啓C(jī)工況變化表Tab.1 Simulated operating conditions of gas turbine

表1中各模擬工況具體描述如下：

(1) 正常運(yùn)行中的變工況——以一階臨界轉(zhuǎn)速內(nèi)為例，工頻幅值與轉(zhuǎn)速正相關(guān)[17]。但由于傳遞路徑中局部模態(tài)等因素的影響，葉片通過(guò)頻率幅值可能升高也可能降低[18]，如仿真中X坐標(biāo)為1 800和9 600的兩種狀態(tài)。

(2) 葉片斷裂故障——根據(jù)本文理論研究結(jié)果，設(shè)定特征為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變時(shí)，葉片通過(guò)頻率幅值降低，工頻幅值升高。如仿真中X坐標(biāo)為3 600的狀態(tài)。

(3) 氣流因素——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，工頻幅值基本穩(wěn)定；由于氣流狀態(tài)變化(如進(jìn)氣溫度和氣流密度等)，導(dǎo)致葉片通過(guò)頻率幅值發(fā)生變化，可能升高也可能降低[19]，但此處主要為初步驗(yàn)證對(duì)葉片斷裂故障識(shí)別的準(zhǔn)確性，因此僅仿真與葉片斷裂故障特征相近的通過(guò)頻率幅值降低過(guò)程。如仿真中X坐標(biāo)為5 400的狀態(tài)。

(4) 非葉片斷裂所致的轉(zhuǎn)子不平衡故障——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，動(dòng)平衡狀態(tài)惡化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子工頻幅值升高，而此時(shí)葉片通過(guò)頻率幅值無(wú)明顯變化。如仿真中X坐標(biāo)為7 200的狀態(tài)。

分別使用啟發(fā)式分割算法對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行突變點(diǎn)檢測(cè)分析，得到BS，BN，BR矩陣，如圖9所示。

圖9 突變點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Results of the mutation detection

對(duì)BS，BN和BR矩陣按照3.1.2節(jié)的規(guī)則進(jìn)行變換得BS′，BN′和BR′矩陣，由式(20)、式(21)構(gòu)造BF矩陣，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 突變識(shí)別結(jié)果Fig.10 Mutation recognition results

根據(jù)診斷規(guī)則，BF矩陣在橫坐標(biāo)為3 600點(diǎn)的值為“1”，其他點(diǎn)均為“0”，因此判定燃?xì)廨啓C(jī)在改點(diǎn)處發(fā)生葉片斷裂故障。經(jīng)驗(yàn)證，分析結(jié)果與表1所示的仿真設(shè)置一致，即初步驗(yàn)證了振動(dòng)特征突變檢測(cè)在葉片斷裂故障識(shí)別中的有效性。該方法可排除氣流因素、轉(zhuǎn)子不平衡(非葉片斷裂類(lèi))、變工況等因素引發(fā)的相似振動(dòng)特征對(duì)識(shí)別結(jié)果的干擾。

3.2 葉片斷裂位置辨識(shí)方法

當(dāng)轉(zhuǎn)子上某一級(jí)葉片出現(xiàn)斷裂時(shí)，該轉(zhuǎn)子上其他級(jí)的葉片通過(guò)頻率幅值往往亦會(huì)出現(xiàn)突變，因此通過(guò)3.1節(jié)的突變檢測(cè)通常只能對(duì)葉片斷裂故障進(jìn)行識(shí)別，即識(shí)別出該燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)了葉片斷裂故障，難以實(shí)現(xiàn)斷裂級(jí)的定位。本節(jié)結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)在工程中的實(shí)際特點(diǎn)，針對(duì)進(jìn)行故障識(shí)別后的數(shù)據(jù)進(jìn)行葉片斷裂故障敏感參數(shù)研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷裂位置的辨識(shí)。

現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)廨啓C(jī)常作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、齒輪箱-螺旋槳等作為被驅(qū)動(dòng)設(shè)備。為保證整套設(shè)備最終輸出穩(wěn)定并滿(mǎn)足工作要求，目前現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)廨啓C(jī)多安裝有輸出參數(shù)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率或渦輪出口溫度偏離設(shè)定值時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)工況，以保證燃?xì)廨啓C(jī)輸出參數(shù)恢復(fù)或靠近之前的穩(wěn)定值，進(jìn)而滿(mǎn)足被驅(qū)動(dòng)設(shè)備的正常工作需求[20]。在出現(xiàn)葉片斷裂故障時(shí)，具體調(diào)控過(guò)程可分為三個(gè)狀態(tài)：①當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片斷裂后，壓氣機(jī)增壓比和效率下降，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率及渦輪出口溫度降低，在后端負(fù)載不變的情況下表現(xiàn)為動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速降低；②控制系統(tǒng)檢測(cè)到上述變化后，為使輸出功率恢復(fù)或靠近原工作狀態(tài)，通常通過(guò)自動(dòng)增加燃油流量或提高進(jìn)口空氣流量(通過(guò)調(diào)整壓氣機(jī)導(dǎo)葉及靜葉角度實(shí)現(xiàn))來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而提高盡可能地恢復(fù)輸出功率；③控制系統(tǒng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)后，燃燒室中燃燒所產(chǎn)生能量較調(diào)節(jié)前提高，而此時(shí)由于渦輪葉片未發(fā)生故障，必導(dǎo)致被動(dòng)的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速提高，燃?xì)鉁u輪與壓氣機(jī)同軸，因此即表現(xiàn)為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速較調(diào)節(jié)前出現(xiàn)輕微升高。上述三個(gè)過(guò)程中壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)示意圖，如圖11所示，葉片斷裂前(t1時(shí)刻前)和葉片斷裂后控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)前(t1～t2區(qū)間)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后(t2時(shí)刻后)轉(zhuǎn)速較之前出現(xiàn)輕微升高。

圖11 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)示意圖Fig.11 Schematic diagram of compressor speed’s trend

在上述變化過(guò)程中，分析葉片通過(guò)頻率幅值變化趨勢(shì)。葉片斷裂發(fā)生在t1時(shí)刻，根據(jù)本文第2章結(jié)論可知葉片通過(guò)頻率幅值降低；控制系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)往往有一定滯后性，因此不會(huì)在t1時(shí)刻直接調(diào)節(jié)；t2時(shí)刻為控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)刻(通常情況下t1與t2相差較小)，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，但升高幅度較小，因此可不計(jì)局部模態(tài)等因素的影響，導(dǎo)致葉片通過(guò)頻率幅值在此時(shí)刻出現(xiàn)升高，但通常難以恢復(fù)至葉片斷裂前的數(shù)值。此過(guò)程中葉片通過(guò)頻率幅值變化，如圖12所示。上述過(guò)程即為葉片通過(guò)頻率幅值在葉片斷裂瞬間的突發(fā)衰減效應(yīng)和控制系統(tǒng)作用下的恢復(fù)效應(yīng)。

圖12中：A1為葉片斷裂故障發(fā)生前較短時(shí)間內(nèi)(工況穩(wěn)定或近似穩(wěn)定)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片通過(guò)頻率幅值平均值；A2為t1～t2區(qū)間轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片通過(guò)頻率幅值平均值；A3為控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后較短時(shí)間內(nèi)(同一工況)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片通過(guò)頻率幅值平均值。

圖12 故障前后葉片通過(guò)頻率幅值變化示意圖Fig.12 Schematic diagram of the amplitude change of blade passing frequency before and after blade fracture

根據(jù)上述過(guò)程中葉片通過(guò)頻率幅值的衰減及恢復(fù)規(guī)律，本文定義如下三個(gè)參數(shù)：

(1)參數(shù)α。計(jì)算公式如式(22)所示，表示葉片斷裂瞬態(tài)(t1時(shí)刻)前后葉片通過(guò)頻率幅值衰減幅度，即幅值降低量(A1-A2)與原幅值(A1)之比，顯然其取值范圍為α≤1。其值越大，出現(xiàn)葉片斷裂的可能性越大。

(22)

(2)參數(shù)β。計(jì)算公式如式(23)所示，表示控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)(t2時(shí)刻)所致的葉片通過(guò)頻率幅值的恢復(fù)幅度，即幅值恢復(fù)量(A3-A2)與幅值降低量(A1-A2)之比。在同一轉(zhuǎn)子上，即轉(zhuǎn)速及其上升量一致，斷裂級(jí)葉片的幅值恢復(fù)更難，即對(duì)應(yīng)β值較小。

(23)

由于轉(zhuǎn)速升高量通常較小，因此斷裂級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值通常難以恢復(fù)至無(wú)故障狀態(tài)下的取值，即A3

(3)參數(shù)γ。計(jì)算公式如式(24)所示，綜合考慮斷裂級(jí)葉片在故障發(fā)生瞬態(tài)引起的葉片通過(guò)頻率幅值強(qiáng)衰減特征及控制系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)后的弱恢復(fù)特性，構(gòu)造斷裂位置識(shí)別因子γ。

(24)

為避免t1時(shí)刻葉片通過(guò)頻率幅值不降反增(即肯定未發(fā)生葉片斷裂故障)的級(jí)對(duì)故障定位的影響，在γ計(jì)算式中保留了α的正負(fù)號(hào)(即α/|α|項(xiàng))，則上述情況下γ為負(fù)值，后續(xù)選取最大值時(shí)必會(huì)直接排除。

針對(duì)同一轉(zhuǎn)子上的各級(jí)葉片，斷裂級(jí)對(duì)應(yīng)的γ值必更大。因此，以γ作為葉片斷裂故障的定位指標(biāo)，通過(guò)同一轉(zhuǎn)子上各級(jí)葉片γ值的對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)斷裂級(jí)定位。在使用3.1節(jié)方法識(shí)別為某一轉(zhuǎn)子上發(fā)生了葉片斷裂故障的前提下，計(jì)算各級(jí)葉片γ值并進(jìn)行大小比較，其值最大者則為斷裂級(jí)。

3.3 葉片斷裂故障診斷方法

基于啟發(fā)式分割算法進(jìn)行葉片斷裂故障的識(shí)別，基于葉片斷裂位置識(shí)別因子進(jìn)行葉片斷裂故障的定位。綜合上述兩方法，建立葉片斷裂故障診斷方法，其實(shí)現(xiàn)流程如圖13所示。

圖13 燃?xì)廨啓C(jī)葉片斷裂故障診斷方法流程圖Fig.13 Flow chart of the fault diagnosis method for gas turbines’ blade fracture

上述診斷方法主要包含如下步驟：

步驟1振動(dòng)響應(yīng)特征構(gòu)造。首先，基于燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)，跟蹤燃?xì)廨啓C(jī)各級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值、各轉(zhuǎn)子工頻幅值；然后，通過(guò)改進(jìn)啟發(fā)式分割算法對(duì)葉片通過(guò)頻率幅值、工頻幅值、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的突變點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，分別形成特征突變檢測(cè)矩陣BS，BR，BN；接下來(lái)，如3.1節(jié)所述，根據(jù)上述三類(lèi)特征在葉片斷裂故障中的響應(yīng)規(guī)律，對(duì)特征突變檢測(cè)矩陣進(jìn)行變換，構(gòu)造BS′，BN′和BR′矩陣。

步驟2葉片斷裂故障識(shí)別。根據(jù)式(20)和式(21)，構(gòu)造葉片故障突變檢測(cè)矩陣BF。若BF中存在元素值為“1”，則判斷為該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)了葉片斷裂故障；若BF的元素均為“0”，則判斷為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子上未出現(xiàn)葉片斷裂故障。

步驟3葉片斷裂位置辨識(shí)。根據(jù)式(22)～式(24)計(jì)算步驟2中確定的轉(zhuǎn)子上各級(jí)葉片的斷裂位置識(shí)別因子γ，對(duì)各個(gè)γ值進(jìn)行排序，其中最大值對(duì)應(yīng)的級(jí)即為葉片斷裂出現(xiàn)的位置。

4 工程案例分析

4.1 設(shè)備基本情況

某型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組安裝了振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共安裝四個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，測(cè)點(diǎn)位置如圖14所示。振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的采樣頻率為51.2 kHz。

圖14 燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖[21]Fig.14 Schematic diagram of gas turbine’s vibration measurement points

該燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了壓氣機(jī)葉片斷裂故障，前水測(cè)點(diǎn)由于靠近承力部位，其變化特征最為明顯，因此后續(xù)分析均以此測(cè)點(diǎn)為對(duì)象，其特征及現(xiàn)場(chǎng)基本情況如下：

(1) 前水測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度有效值在88 s發(fā)生了明顯突變，突變前后振動(dòng)有效值各自穩(wěn)定。突變前有效值為3.2 mm/s，突變瞬間振動(dòng)有效值為17.7 mm/s，突變后有效值為6.3 mm/s，如圖15所示。

圖15 振動(dòng)速度有效值趨勢(shì)Fig.15 Trend of the rms of vibration velocity

(2) 由于現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)報(bào)警停機(jī)閾值為20 mm/s，因此有效值突變瞬間及突變后現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未報(bào)警，直至后續(xù)運(yùn)行中工作人員聽(tīng)到異響才停車(chē)。

(3) 在故障發(fā)生及人工停車(chē)后，現(xiàn)場(chǎng)仍難以判斷故障原因，憑經(jīng)驗(yàn)首先檢查轉(zhuǎn)子腔內(nèi)是否出現(xiàn)了異常，具體故障原因只能通過(guò)逐級(jí)孔探來(lái)確認(rèn)。

(4) 最終孔探發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)第9級(jí)葉片出現(xiàn)了斷裂故障，而此時(shí)已造成了嚴(yán)重的多級(jí)葉片二次損傷。

由上可見(jiàn)，目前廣泛應(yīng)用的振動(dòng)速度有效值監(jiān)測(cè)難以實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂故障的及時(shí)診斷和定位。

與圖15保持一致，取故障發(fā)生前后共143 s數(shù)據(jù)，使用本文提出的診斷方法進(jìn)行分析。

4.2 振動(dòng)響應(yīng)特征構(gòu)造

圖16為燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片通過(guò)頻率幅值的變化趨勢(shì)，其中圖16(a)～圖16(h)分別代表第1～第9級(jí)葉片，由于第8、第9級(jí)葉片數(shù)量相同，故統(tǒng)一用圖16(h)表示。由圖可得，第1、第3、第5、第6、第8、第9級(jí)的轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率幅值在87～88 s發(fā)生較大變化，第2、第4、第7級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值基本穩(wěn)定。

圖16 壓氣機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片通過(guò)頻率幅值趨勢(shì)Fig.16 Amplitude trend of compressor’s blades passing frequency

利用IHSA對(duì)各級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片的通過(guò)頻率幅值進(jìn)行突變點(diǎn)分析，然后進(jìn)行矩陣變換，構(gòu)造各級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值突變檢測(cè)矩陣BS′，如圖17所示。

圖17 各級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值突變檢測(cè)結(jié)果Fig.17 Mutation detection results of the amplitude of blade passing frequency at all stages

此階段轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)，如圖18所示。由圖可得，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在88～89 s輕微升高，升高幅值遠(yuǎn)小于常規(guī)主動(dòng)工況調(diào)節(jié)。利用IHSA對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行突變點(diǎn)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)變換構(gòu)造轉(zhuǎn)速突變檢測(cè)矩陣BN′，如圖19所示。

圖18 轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)Fig.18 Trend of the rotating speed

圖19 轉(zhuǎn)速突變點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果Fig.19 Mutation detection results of the rotating speed

轉(zhuǎn)子工頻幅值變化趨勢(shì)，如圖20所示。由圖可得，工頻幅值在87～88 s明顯突變，突變前工頻幅值基本穩(wěn)定，突變后工頻幅值逐漸增大。利用IHSA對(duì)工頻幅值變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，經(jīng)變換后構(gòu)造工頻幅值突變檢測(cè)矩陣BR′，如圖21所示。

圖20 轉(zhuǎn)子工頻幅值趨勢(shì)Fig.20 Trend of the amplitude of fundamental frequency

圖21 工頻幅值突變檢測(cè)結(jié)果Fig.21 Mutation detection results of the amplitude of fundamental frequency

4.3 葉片斷裂故障識(shí)別

基于BS′，BN′和BR′三個(gè)突變檢測(cè)矩陣，根據(jù)式(20)、式(21)計(jì)算各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的故障突變檢測(cè)矩陣，如圖22所示。

由圖22可知，第1、第3、第5、第6、第8、第9級(jí)葉片的故障突變檢測(cè)矩陣在87 s時(shí)刻對(duì)應(yīng)的矩陣元素值為“1”。根據(jù)3.3節(jié)中步驟2故障識(shí)別規(guī)則，判斷該壓氣機(jī)在87 s時(shí)刻發(fā)生葉片斷裂故障。

但由于上述多級(jí)葉片的故障突變檢測(cè)矩陣均出現(xiàn)了特征，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)葉片斷裂故障的定位。故接下來(lái)進(jìn)一步計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)各級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值的斷裂位置識(shí)別因子，以確定葉片斷裂位置。

圖22 各級(jí)葉片故障突變檢測(cè)矩陣Fig.22 Mutation detection matrix of all compressor stages

4.4 葉片斷裂位置辨識(shí)

將70～100 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化，如圖23所示。由圖23可知：以一級(jí)葉片通過(guò)頻率振幅為例，在87～88 s，振動(dòng)由12.01 m/s2降至2.718 m/s2，轉(zhuǎn)速在其時(shí)間范圍未發(fā)生明顯變化；在88～89 s，振動(dòng)由2.718 m/s2恢復(fù)至11.82 m/s2，轉(zhuǎn)速由6 946 r/min升至7 044 r/min。上述現(xiàn)象證實(shí)在該燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂前后，確實(shí)存在如3.2節(jié)所述的三個(gè)階段，即：葉片斷裂前、葉片斷裂后控制系統(tǒng)未動(dòng)作前、葉片斷裂后控制系統(tǒng)動(dòng)作后。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)三個(gè)階段中該壓氣機(jī)各級(jí)葉片的動(dòng)葉片通過(guò)頻率幅值均值A(chǔ)1，A2，A3，如表2所示。

圖23 第1級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值及轉(zhuǎn)速細(xì)化趨勢(shì)Fig.23 Detailed trend of amplitude of the 1st stage blade passing frequency and rotating speed

表2 各級(jí)葉片A1，A2，A3統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of A1, A2 and A3 in each stage

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，按照式(22)～式(24)計(jì)算各級(jí)葉片的斷裂位置識(shí)別因子γ，如表3所示。

表3 各級(jí)葉片α，β，γ計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of α, β, γ in each stage

由表2和表3可知，第8、第9級(jí)葉片斷裂位置識(shí)別因子γ值最大。

此外，對(duì)α，β，γ三個(gè)參數(shù)的識(shí)別效果進(jìn)行對(duì)比分析：①第8、第9級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值的α最大，即斷裂瞬態(tài)葉片通過(guò)頻率幅值衰減效果最為顯著，但第1級(jí)與其極其接近；②第3、第4、第6級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值的β最小，且三者均為0，表明反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的葉片通過(guò)頻率幅值均小于斷裂瞬態(tài)的幅值；③在綜合考慮兩者影響后，葉片的斷裂位置識(shí)別因子γ最大值出現(xiàn)在第8、第9級(jí)，且較α而言與其他各級(jí)的區(qū)分度更明顯。因此，案例分析效果再次證實(shí)了斷裂位置識(shí)別因子γ構(gòu)造的合理性及上述三個(gè)參數(shù)的不同。

4.5 故障診斷結(jié)論

4.3節(jié)的故障識(shí)別結(jié)論為：該壓氣機(jī)在87 s時(shí)刻發(fā)生了葉片斷裂故障，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障的定位。4.4節(jié)的結(jié)論為：第8、第9級(jí)葉片斷裂位置識(shí)別因子γ值最大。根據(jù)本文所提出的診斷方法，結(jié)合上述兩部分結(jié)論，可判斷壓氣機(jī)第8、第9級(jí)出現(xiàn)了葉片斷裂故障。由于本案例中第8、第9級(jí)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)相同，導(dǎo)致二者只能當(dāng)作一個(gè)部件分析。

故障后現(xiàn)場(chǎng)孔探發(fā)現(xiàn)該壓氣機(jī)第9級(jí)葉片出現(xiàn)了明顯的斷裂現(xiàn)象，即證實(shí)了上述診斷結(jié)論的準(zhǔn)確性。上述案例分析驗(yàn)證了本文提出方法可用于工程中燃?xì)廨啓C(jī)葉片斷裂故障的診斷。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片斷裂故障，結(jié)合葉片尾流激振力產(chǎn)生機(jī)理和葉片斷裂前后激振力的變化規(guī)律，建立了靜子葉片振動(dòng)響應(yīng)模型，推導(dǎo)了葉片斷裂故障的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律：燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片發(fā)生斷裂后，葉片通過(guò)頻率幅值突發(fā)降低，同時(shí)該轉(zhuǎn)子工頻幅值同步突增。

基于上述振動(dòng)響應(yīng)特征，基于改進(jìn)啟發(fā)式分割算法的振動(dòng)響應(yīng)突變識(shí)別可實(shí)現(xiàn)葉片斷裂故障的識(shí)別，并可隔離其他相似特征對(duì)識(shí)別結(jié)論的影響；針對(duì)葉片斷裂位置辨識(shí)問(wèn)題，本文構(gòu)造了葉片斷裂位置識(shí)別因子γ，同一轉(zhuǎn)子上各級(jí)葉片γ值的對(duì)比分析可用于確定斷裂位置。結(jié)合以上故障識(shí)別和斷裂位置辨識(shí)方法，本文提出了一種葉片斷裂故障診斷方法。

某燃?xì)廨啓C(jī)故障案例驗(yàn)證了本文推導(dǎo)的振動(dòng)特征及葉片斷裂故障診斷方法在工程應(yīng)用中的有效性。