胡 偉，王德友，杜少輝，蔚奪魁

（沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

非接觸式數(shù)字光纖葉片測振系統(tǒng)研究及應(yīng)用

胡 偉，王德友，杜少輝，蔚奪魁

（沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

應(yīng)用非接觸式數(shù)字光纖葉片測振系統(tǒng)對葉片整數(shù)階次振動（共振）與非整數(shù)階次振動進(jìn)行了分析。通過模擬試驗器和臺架壓氣機試驗證明，應(yīng)用該系統(tǒng)以及相關(guān)算法可以有效測量、監(jiān)測和分析葉片共振和顫振等非整階次振動，能較準(zhǔn)確地評估葉片振動特征；其結(jié)果與應(yīng)變片測量結(jié)果一致。

旋轉(zhuǎn)葉片；共振；測量系統(tǒng)；數(shù)字光纖；整數(shù)階次；非整數(shù)階次；非接觸式；應(yīng)變片

1 引言

旋轉(zhuǎn)葉片振動測量是在研和現(xiàn)役航空發(fā)動機葉片耐久性評估和安全性監(jiān)測的重要測試項目之一。在這方面，應(yīng)變量電測法是目前應(yīng)用最廣泛、在試驗技術(shù)上已非常完善的接觸式測量方法，能較好地確定葉片的振動特性和響應(yīng)結(jié)果。但是，應(yīng)變計在貼片引線和引電器安裝過程中需對機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝，而且，監(jiān)測葉片數(shù)量受限會影響整級葉片最大振動應(yīng)力測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)變計、引電器的改裝成本、安裝周期和使用壽命都會限制其應(yīng)用。為此，自20世紀(jì)70年代開始，美國、德國、日本、荷蘭等國家先后開展了非接觸式葉片振動測量技術(shù)研究。美國國家技術(shù)研究中心、AEDC組織將非接觸式葉片振動應(yīng)力測量系統(tǒng)簡稱為 NSMS（Noninterference Stress Measurement System）系統(tǒng)，德國MTU公司則簡稱為OBM（Optical Blade Vibration Measurement）。該種測量系統(tǒng)和技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機、電站燃?xì)廨啓C葉片振動監(jiān)測中。

本文介紹了非接觸葉片振動測試系統(tǒng)的原理，全面總結(jié)了非接觸式數(shù)字光纖葉片測振系統(tǒng)在發(fā)動機臺架試車與壓氣機試驗中的應(yīng)用經(jīng)驗，對測量的各種葉片振型與應(yīng)變片測試的結(jié)果進(jìn)行了比較。

2 非接觸式葉片振動測試系統(tǒng)原理

非接觸式葉片振動測試系統(tǒng)由光纖傳感器、光電變換器、信號預(yù)處理器、計數(shù)器卡、葉片振動數(shù)據(jù)采集分析軟件組成，如圖1所示。

非接觸式葉片振動測試原理如圖2所示。葉尖振幅傳感器安裝在被測級葉片機匣上方，定位參考傳感器安裝在轉(zhuǎn)子上；計算葉尖振幅傳感器測出的脈沖與轉(zhuǎn)速脈沖的時間間隔，當(dāng)葉片振動時，葉尖沿旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生偏移，到達(dá)傳感器的時間發(fā)生改變，由此得到葉片振幅、相位、頻率等振動變化參數(shù)。

假設(shè)葉片為簡諧振動，葉尖振動位移可表示為

式中：ω為葉片振動頻率；θ為從參考點到傳感器的角度；t為葉片從參考點到傳感器的時間；x為葉尖位移；a為葉片振幅；τ′為葉尖振動產(chǎn)生的時間漂移。

將式（2）、（3）代入式（1）中得到

考 慮 到 ωτ′＜＜1，sin（ωτ′）≈ωτ′，cos（ωτ′）≈1，可得出

如果為隨機激勵振動，φ值波動也是隨機的。當(dāng)經(jīng)過一定轉(zhuǎn)速后，τ出現(xiàn)極值為

由此，通過測葉尖脈沖變化時間τ′就可得到葉片振幅。

3 數(shù)據(jù)分析方法

3.1 非整階次葉片振動分析方法

非整階次葉片振動是指葉片的振動頻率與轉(zhuǎn)速成非整數(shù)倍關(guān)系。通常由氣動失穩(wěn)引起葉片振動。

3.1.1 單個葉片振動數(shù)據(jù)分析

單個葉片振動數(shù)據(jù)采樣率為轉(zhuǎn)速頻率，遠(yuǎn)低于葉片振動頻率，而頻譜分析帶寬內(nèi)包含采樣率以上的頻率，此時會發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生混疊時，葉片的振動頻率可依據(jù)如下數(shù)學(xué)公式，結(jié)合葉片固有頻率計算得到

式中：fa為混疊頻率；fs為采樣頻率；fr為響應(yīng)頻率；k為整數(shù)。

利用上述方法計算，所得出的在某型壓氣機性能試驗時對應(yīng)0.85轉(zhuǎn)速的喘振前2級葉片振幅、振動頻率和時域波形如圖3、4所示。

3.1.2 整級葉片振動數(shù)據(jù)分析

當(dāng)整級葉片以節(jié)徑模態(tài)振動時，采用整級葉片頻譜分析。此時，受旋轉(zhuǎn)的影響產(chǎn)生行波，其中，前行波節(jié)徑線旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)方向相同，后行波節(jié)徑線與其相反

式中：Nb為葉片數(shù)；An為節(jié)徑n響應(yīng)幅值；φn為節(jié)徑n響應(yīng)相位；n為正數(shù)為前行波，負(fù)數(shù)為后行波。

對于奇數(shù)葉片，nna＝Nb／2；nmin＝1－Nb／2。

對于偶數(shù)葉片，nmax＝（Nb-1）／2；nmin＝-（Nb-1）／2。

對以ω旋轉(zhuǎn)而參照系單一的激振頻率，式（6）改為

相對于靜止參考系，葉片響應(yīng)頻率為

整級葉片振動信號采樣速率等于轉(zhuǎn)速乘以葉片數(shù)，不發(fā)生頻譜混疊。當(dāng)進(jìn)行整級葉片振動分析時，出現(xiàn)的頻率個數(shù)將由振動模態(tài)的節(jié)徑數(shù)決定。也可用2個測量傳感器得到節(jié)徑型模態(tài)，計算方法為

式中：Δφ為譜峰相位差；Δθ為2傳感器間隔角度。

在某型壓氣機性能試驗中，2級整級葉片振動的時域波形及頻譜如圖5所示。

3.2 整階次葉片振動分析方法

在整階次葉片振動情況下，葉片振動頻率與轉(zhuǎn)速成整數(shù)倍，其分析方法分為直接分析法和間接分析法。

間接分析方法是在機匣上相近的位置安裝1或2個傳感器，在轉(zhuǎn)速連續(xù)變化時采集每個葉片振動數(shù)據(jù)，此時僅能分析單個頻率振動。當(dāng)葉片在變化轉(zhuǎn)速范圍發(fā)生共振時，用該方法能夠給出發(fā)動機響應(yīng)階次及相應(yīng)共振頻率值。

間接分析方法對葉尖位移采樣；在轉(zhuǎn)速瞬態(tài)變化測試條件下，利用單自由度方法（SDOF）計算整階次葉片振動頻率。單自由度傳遞函數(shù)幅頻及相頻特性如圖6所示，圖6指出了葉片振動的最大值與最小值將發(fā)生在響應(yīng)點比較窄的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。在某型發(fā)動機測試應(yīng)用中，采用間接分析方法分析的葉片共振響應(yīng)如圖7所示。

4 試驗驗證

在模型試驗器上，對旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)行激振，利用研制的測試系統(tǒng)測量葉片振動，并與應(yīng)變計測試結(jié)果對比。

4.1 試驗方法

設(shè)計了1套帶有6個葉片的模擬葉盤（如圖8所示），用敲擊法測量的葉片固有頻率見表2。每個葉片的根部粘貼應(yīng)變片。采用在3個氣孔通壓縮空氣來模擬發(fā)動機氣流尾跡激振，使葉片產(chǎn)生1彎共振。用應(yīng)變片與光纖同時測量和比較2種測試結(jié)果。

表2 用敲擊法測量的葉片固有頻率

4.2 試驗結(jié)果

在1600～1750r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，采用1個傳感器數(shù)據(jù)、用間接分析方法得到的葉片共振結(jié)果如圖9所示。

試驗結(jié)果表明，用光纖葉片振動測量系統(tǒng)測量得到的葉片共振結(jié)果符合葉片共振間接分析法理論,與應(yīng)變片測量結(jié)果有非常好的一致性。

試驗結(jié)果表明，用光纖葉片振動測量系統(tǒng)測量得到的葉片共振結(jié)果符合葉片共振間接分析法理論,與應(yīng)變片測量結(jié)果有非常好的一致性。

5 在發(fā)動機整機試車及壓氣機試驗中的應(yīng)用

5.1 非整階次葉片振動測量

在某型壓氣機試驗中，在0.95等轉(zhuǎn)速線、壓氣機喘振前，葉片發(fā)生明顯振動。在0.9轉(zhuǎn)速下、壓氣機喘振前，整級葉片振幅如圖10所示。通過頻率分析確定，在0.9轉(zhuǎn)速下、壓氣機喘振前，葉片發(fā)生了1彎振動，其頻率為322Hz；該葉片的1彎靜頻為289Hz。在0.9轉(zhuǎn)速下的逼喘過程中，葉片振動頻率、振幅、時間三維頻譜如圖11所示，葉片振動時域及頻譜分析結(jié)果如圖12、13所示。

5.2 整階次葉片振動測量

某型風(fēng)扇第1級轉(zhuǎn)子葉片在轉(zhuǎn)速為 4100～6300r/min范圍內(nèi)出現(xiàn)的4次共振測量結(jié)果如圖14所示。應(yīng)變片測量與光纖測量的結(jié)果基本一致。

6 結(jié)論

（1）非接觸式數(shù)字光纖葉片振動測量系統(tǒng)可實時監(jiān)測整級各葉片振幅，提供葉片振幅報警信息；根據(jù)葉片振幅變化和離線分析，可準(zhǔn)確地確定整階次與非整階次葉片振動特性。

（2）葉片整階次與非整階次振動分析的試驗驗證表明，這些方法能較準(zhǔn)確地評估葉片振動特征。

（3）在壓氣機試驗中，使用3支光纖傳感器所測得的數(shù)據(jù)分析了葉片非整階次振動頻率，其結(jié)果與應(yīng)變片測量結(jié)果相一致。

（4）該系統(tǒng)及非整階次葉片振動分析方法為開展壓氣機葉片顫振研究奠定了基礎(chǔ)。

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[4]李勇，胡偉，等.非接觸式數(shù)字光纖葉片測振應(yīng)用分析與試驗研究[J].航空動力學(xué)報，2008，23（1）.

Investigation and Application of Non-Contact Digital Optical Fiber Rotor Blade Vibration Measurement System

HU Wei,WANG De-you,DU Shao-hui,Yu Duo-kui
（Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang110015,China）

The analysis of integer order and non-integer order vibrations for rotor blade were performed by non-contact digital optic fiber rotor blade vibration measurement system.The simulated and compressor rig test results indicate that the non-integer order vibration such as blade resonance and flutter are effectively measured,monitored and analyzed using this system and the related algorithmand the blade vibration characteristics are accurately estimated.The result is consistent with the measurement of the strain gauge.

rotorblade;resonance;measurement system;digital optic fiber;integer order,non-integer order,non-contact;strain gauge

胡偉（1964），女，自然科學(xué)研究員，從事航空發(fā)動機旋轉(zhuǎn)件測試技術(shù)研究。