考慮葉尖間隙變化影響的高速旋轉(zhuǎn)葉片監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

鐘 龍，張繼旺，張來(lái)斌，段禮祥

(1.中國(guó)石化銷售有限公司華南分公司，廣東廣州 510000；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

0 引言

高速透平葉片是航空、艦船、電力等行業(yè)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵部件[1]，在實(shí)際工作中承受極其復(fù)雜的激振力及高循環(huán)交變應(yīng)力的作用，容易導(dǎo)致高周疲勞失效，甚至出現(xiàn)裂紋、折斷等故障[2-4]，從而造成嚴(yán)重安全事故。因此對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)具有重要意義，也是保障系統(tǒng)安全運(yùn)行、提高生產(chǎn)效率的有效保障手段。自葉尖定時(shí)方法提出以來(lái)，因其能夠通過(guò)少量非接觸式傳感器實(shí)現(xiàn)全旋轉(zhuǎn)周向葉片監(jiān)測(cè)且成本低廉，成為旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域最有前景的監(jiān)測(cè)手段。

目前，葉尖定時(shí)測(cè)量技術(shù)主要基于電容式、光纖式及電渦流式3種。其中電容式傳感器容易受到葉片與傳感器之間的電介質(zhì)影響，通常應(yīng)用于恒定工況下的實(shí)驗(yàn)研究[5]；光纖式傳感器需要葉片及傳感器表面保持潔凈，而在長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)過(guò)程中容易出現(xiàn)污染造成測(cè)量精度下降，因此更傾向于短周期的檢測(cè)[6]。與以上2種技術(shù)相比，電渦流傳感器技術(shù)更適用于長(zhǎng)周期復(fù)雜工況下的機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)，受介質(zhì)、環(huán)境和工況的影響較小[7]。

傳統(tǒng)的基于葉尖定時(shí)的葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中多采用脈沖信號(hào)的上升沿作為葉片的到達(dá)時(shí)刻，沒(méi)有考慮葉尖間隙變化所帶來(lái)的影響，導(dǎo)致葉片振動(dòng)測(cè)量結(jié)果中引入了很大的測(cè)量誤差。為此，研究人員相繼提出了恒比定時(shí)、高通容阻及雙閾值前沿時(shí)刻鑒別等方法[8]，來(lái)提高時(shí)刻鑒別精度，減少間隙變化引入的誤差。但是恒比定時(shí)時(shí)刻鑒別[9]會(huì)受到噪聲和波形畸變的影響；高通容阻時(shí)刻鑒別對(duì)于零點(diǎn)時(shí)刻的鑒別較為困難；而雙閾值前沿時(shí)刻鑒別[10]會(huì)引入了新誤差。因此，綜合考慮葉片掃過(guò)電渦流傳感器時(shí)的脈沖信號(hào)特點(diǎn)，本文提出了一種提高葉尖定時(shí)系統(tǒng)精度的方法，最大限度地減小了葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中葉尖間隙變化造成的影響，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了此方案在提高系統(tǒng)精度方面的有效性。

1 葉尖定時(shí)測(cè)量法的基本原理

葉尖定時(shí)法是一種非接觸式的葉片振動(dòng)測(cè)量技術(shù)，是一種數(shù)字化的間斷相位法，其本質(zhì)是通過(guò)記錄旋轉(zhuǎn)葉片經(jīng)過(guò)靜止安裝在機(jī)殼上的傳感器的時(shí)間間隔并將之轉(zhuǎn)化為振動(dòng)位移來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)的測(cè)量[11]。葉尖定時(shí)測(cè)振技術(shù)的基本原理是將一個(gè)或多個(gè)葉尖定時(shí)傳感器S沿徑向安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械相對(duì)靜止的殼體上，利用傳感器來(lái)記錄旋轉(zhuǎn)葉片經(jīng)過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)[12-13]，在葉片發(fā)生振動(dòng)時(shí)，葉片的端部在圓周方向相對(duì)于平衡位置將會(huì)向前或向后偏離,引起脈沖到達(dá)時(shí)間的改變，從而使得葉片每次到達(dá)傳感器的實(shí)際時(shí)間t與假設(shè)葉片無(wú)振動(dòng)時(shí)到達(dá)傳感器的時(shí)間不相等，即脈沖實(shí)際到達(dá)時(shí)間t會(huì)隨著葉片的振動(dòng)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間差Δt，通過(guò)不同的分析算法對(duì)該時(shí)間差序列{Δt}進(jìn)行處理，即可得到葉片的振動(dòng)信息[14-15]。具體測(cè)試原理如圖1所示，其中S表示葉尖定時(shí)傳感器，SZ表示轉(zhuǎn)速同步傳感器，SA表示葉根同步傳感器，每個(gè)脈沖信號(hào)的上升沿代表一個(gè)葉片到達(dá)傳感器的時(shí)刻。設(shè)葉片實(shí)際到達(dá)時(shí)刻與理論到達(dá)葉片的到達(dá)時(shí)刻的差值為Δt，轉(zhuǎn)速為Ω，則可得葉片的振動(dòng)位移為

y=Ω·Δt

(1)

圖1 基于葉尖定時(shí)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖

在實(shí)際測(cè)量中，葉片經(jīng)過(guò)電渦流傳感器時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)不是規(guī)則的矩形脈沖，脈沖上升沿是一個(gè)光滑漸變的上升過(guò)程，上升沿斜率與葉片經(jīng)過(guò)速度相關(guān)，圖2是對(duì)葉片經(jīng)過(guò)電渦流傳感器時(shí)的響應(yīng)進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定，為了使響應(yīng)曲線具有良好的光滑性，采用傅里葉算法進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

圖2 葉片通過(guò)傳感器時(shí)靜態(tài)標(biāo)定示意圖

圖3 靜態(tài)標(biāo)定傅里葉擬合曲線

2 測(cè)量誤差分析及修正方法

2.1 誤差分析

葉尖定時(shí)時(shí)刻鑒別的準(zhǔn)確性將直接影響葉尖定時(shí)系統(tǒng)的精度，傳統(tǒng)葉片振動(dòng)測(cè)量方法，通過(guò)與某一閾值的切割電平的比較，取脈沖信號(hào)的上升沿作為葉片到達(dá)傳感器的時(shí)刻，再與無(wú)振動(dòng)時(shí)的葉片到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比，即可求得葉片振動(dòng)幅值。但該方法的精度極易受到葉尖間隙的影響，給后期處理結(jié)果帶來(lái)很大誤差。由圖3可知，葉片經(jīng)過(guò)電渦流傳感器時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)不是規(guī)則的矩形脈沖，需要經(jīng)過(guò)方波整形處理來(lái)確定脈沖的上升沿時(shí)刻。傳統(tǒng)的將傳感器輸出的原始信號(hào)與切割電平比較獲得脈沖上升沿的方法，在葉尖間隙發(fā)生變化時(shí)，電渦流傳感器接收到葉片切割磁感線反饋信號(hào)強(qiáng)度隨之發(fā)生變化，脈沖響應(yīng)的上升沿和下降沿相應(yīng)地發(fā)生向前或向后的偏移，導(dǎo)致在葉片振動(dòng)幅值測(cè)量結(jié)果中引入了測(cè)量誤差。如圖4 所示，葉片1距離傳感器距離為d2，葉片2距離傳感器距離為d1，其中虛線代表葉片2經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)的響應(yīng)，實(shí)線代表葉片1經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)的響應(yīng)。由圖4可見(jiàn)，傳統(tǒng)的葉尖定時(shí)法選用某一固定的閾值作為脈沖上升沿進(jìn)行定時(shí)，隨葉尖間隙的變化會(huì)引入Δt1的測(cè)量誤差。近年來(lái)國(guó)內(nèi)也有文獻(xiàn)提出使用脈沖中間時(shí)刻定時(shí)方法[16]，以達(dá)到減少葉尖間隙對(duì)葉尖定時(shí)信號(hào)的影響，但該方法未考慮葉片振動(dòng)相位對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)中葉片前后邊緣往往不平行，會(huì)導(dǎo)致引入新的測(cè)量誤差。

圖4 葉尖間隙引起的振動(dòng)位移測(cè)量誤差

則由葉尖間隙變化引入的振動(dòng)位移誤差為

d=Ω·Δt1

(2)

式中Δt1為因葉尖間隙變化而引起的定時(shí)誤差。

2.2 改進(jìn)方法

電渦流傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，由前置器輸送高頻振蕩電流進(jìn)入電渦流探頭線圈，在傳感器線圈中產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體進(jìn)入交變磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)作用范圍的導(dǎo)體表層，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與原磁場(chǎng)相反的交變磁場(chǎng)，使得傳感器中高頻振蕩電流的幅值、相位發(fā)生改變。因此當(dāng)被測(cè)體與傳感器間的距離d改變時(shí)，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電壓幅值U的變化。由于電渦流傳感器在有效測(cè)試范圍內(nèi)一般保持良好的線性特性，那么在傳感器線性測(cè)量范圍內(nèi)葉尖間隙的變化也將與脈沖響應(yīng)高度間成線性關(guān)系，只需在葉尖定時(shí)測(cè)量過(guò)程中耦合葉尖間隙信息，對(duì)因葉尖間隙變化引起的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，即可得到準(zhǔn)確的葉片振動(dòng)信息?；诖耍疚奶岢鋈~尖定時(shí)補(bǔ)償法進(jìn)行葉片振動(dòng)位移測(cè)量，減少葉尖間隙對(duì)葉尖定時(shí)信號(hào)的影響。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

利用高速旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)如圖5所示。該風(fēng)機(jī)共有8個(gè)葉片，葉片直徑為488 mm，葉片高度為175 mm，電渦流傳感器安裝在機(jī)殼上，葉尖距傳感器距離可通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)，所使用電渦流傳感器探頭為本特利高性能位移傳感器，探頭直徑為5 mm，線性測(cè)試范圍為0.2～2.3 mm，輸出分辨率為-7.87 V/mm，頻響為10 kHz。采用螺旋測(cè)微儀進(jìn)行間隙值調(diào)節(jié)，設(shè)定葉尖間隙值( 傳感器到齒的距離)范圍在0.5～2.5 mm，同時(shí)為確保葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)免受損傷，安裝的傳感器須與機(jī)匣襯套平行，要求測(cè)量精度達(dá)μm級(jí)。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用1.5 mm葉尖間隙作為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，共進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，為了保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次，取10次實(shí)驗(yàn)均值作為某一間隙下的振動(dòng)幅值。為了增加葉片振動(dòng)幅值，采用固定的吹風(fēng)機(jī)以恒定的角度和風(fēng)速對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)行擾動(dòng)，使其發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，其中誤差是以1.5 mm葉尖間隙為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

圖6 葉尖間隙與葉尖定時(shí)時(shí)刻間關(guān)系

圖7 葉尖定時(shí)信號(hào)

由圖6可以看出，在傳感器線性測(cè)量范圍內(nèi)，隨葉尖間隙的增加，誤差線性減少，說(shuō)明只要對(duì)所測(cè)葉片進(jìn)行標(biāo)定，求得葉尖間隙與測(cè)量誤差間的關(guān)系，即可對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償從而消除測(cè)量誤差，得到準(zhǔn)確的葉片振動(dòng)幅值。

最后以本文實(shí)驗(yàn)臺(tái)風(fēng)機(jī)的目標(biāo)葉片為例，對(duì)不同葉尖間隙情況下的葉片振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，并以1.5 mm葉尖間隙為基準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試，圖7為1組部分葉尖定時(shí)信號(hào)，共進(jìn)行了11組測(cè)試，每次測(cè)試3次，取分機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的葉片振動(dòng)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 傳統(tǒng)方法與改進(jìn)后相對(duì)誤差對(duì)比

由圖8可以看出，在利用改進(jìn)后的方法對(duì)葉尖定時(shí)時(shí)刻進(jìn)行補(bǔ)償后，與傳統(tǒng)方法相比，相對(duì)誤差明顯減小，并且對(duì)葉尖間隙變化不再敏感，由此可以看出本文所提出方法能有效地減少葉尖間隙對(duì)葉片振動(dòng)位移誤差的影響，提高了葉尖定時(shí)系統(tǒng)的精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)基于電渦流傳感器的葉尖定時(shí)系統(tǒng)測(cè)量誤差分析基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在因葉尖間隙變化而引起加大的測(cè)量誤差這一技術(shù)缺陷。論文通過(guò)研究電渦流響應(yīng)脈沖幅值與定時(shí)時(shí)刻差值之間的關(guān)系，提出了一種減小葉尖間隙變化對(duì)葉尖定時(shí)系統(tǒng)精度的影響的方法。該方法在采用脈沖信號(hào)上升沿作為葉片到來(lái)時(shí)刻的基礎(chǔ)上耦合了脈沖幅值這一信息，對(duì)因葉尖間隙變化導(dǎo)致的測(cè)量誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，從而提高了葉尖定時(shí)系統(tǒng)的精度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。