劉美茹，郜偉強(qiáng)，董 軍，鐘志才，滕光蓉，喬百杰

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049；2.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的研制、生產(chǎn)過程中，需要對葉片應(yīng)力進(jìn)行測量，監(jiān)測葉片的工作狀態(tài)，并在葉片出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警，這對于提高發(fā)動機(jī)的安全性、降低發(fā)動機(jī)的故障發(fā)生率具有重要的作用[1-2]。

傳統(tǒng)的葉片振動測量采用接觸式方法，通過在葉片上粘貼應(yīng)變片測量葉片動應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)[3]。近年來，基于葉尖定時(shí)的非接觸振動測試系統(tǒng)，在風(fēng)扇、壓氣機(jī)等轉(zhuǎn)子葉片振動測量中得到了廣泛應(yīng)用[4]。如德國MTU研究人員基于自主研發(fā)的BSSM葉尖定時(shí)系統(tǒng)，通過布置5支BTT傳感器，在單級壓氣機(jī)試驗(yàn)器上獲取了轉(zhuǎn)子葉片顫振工況下一扭模態(tài)振動的最大動應(yīng)力[5]。天津大學(xué)段發(fā)階團(tuán)隊(duì)自主研制了一套基于葉尖定時(shí)的非接觸振動測試系統(tǒng)，并提出了基于葉尖定時(shí)的葉片動應(yīng)力反演方法[6-8]。北京化工大學(xué)王維民團(tuán)隊(duì)開展了渦輪機(jī)葉片同步振動參數(shù)辨識方法研究，提出一種只需要較少傳感器就能提高測量精度的葉片同步振動參數(shù)分析方法[9-10]。中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院利用非接觸振動測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模擬轉(zhuǎn)子和壓氣機(jī)試驗(yàn)件的非接觸振動測試，成功獲取了葉片振動幅值和頻率[11-12]。

基于葉尖定時(shí)的轉(zhuǎn)子葉片非接觸振動測試系統(tǒng)，是利用安裝在機(jī)匣上的傳感器測試所有葉片的旋轉(zhuǎn)脈沖信號并將其轉(zhuǎn)化成時(shí)間，借助轉(zhuǎn)速同步傳感器進(jìn)行葉片振動測試。其中，轉(zhuǎn)速同步(OPR)信號的獲取是葉片振動與分析的重要環(huán)節(jié)。然而實(shí)際工作中，針對核心機(jī)、某些雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)速同步傳感器難以安裝且容易失效，限制了葉尖定時(shí)法的工程應(yīng)用。為拓寬葉尖定時(shí)系統(tǒng)的適用范圍，需要研究在無轉(zhuǎn)速同步條件下利用葉尖定時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)葉片振動參數(shù)測試的方法。

本文提出了無轉(zhuǎn)速同步條件下的轉(zhuǎn)子葉片非接觸振動測試方法，利用光纖傳感器測試葉片脈沖信號進(jìn)行振動識別和轉(zhuǎn)速獲取，并通過將無轉(zhuǎn)速同步條件下的轉(zhuǎn)子葉片非接觸振動測試結(jié)果，分別與動應(yīng)變測試結(jié)果和光纖傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步的葉片非接觸振動測試系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，對測試方法予以了驗(yàn)證。此方法將在發(fā)動機(jī)整機(jī)、核心機(jī)高壓壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子葉片非接觸振動測試中發(fā)揮重要作用。

2 轉(zhuǎn)子葉片非接觸振動測試原理

轉(zhuǎn)子葉片非接觸振動測試系統(tǒng)(圖1)基于葉尖定時(shí)原理，將幾支傳感器沿周向安裝在轉(zhuǎn)子葉片對應(yīng)的靜子殼體或機(jī)匣上，感受轉(zhuǎn)子葉片到達(dá)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖信號。假設(shè)葉片未發(fā)生振動，根據(jù)每個(gè)葉片的周向位置和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可得到葉片到達(dá)傳感器的理論時(shí)間。而實(shí)際工作中，葉片時(shí)刻處于振動狀態(tài)，葉尖相對于轉(zhuǎn)動方向?qū)蚯盎蛳蚝笃?，葉片到達(dá)傳感器的實(shí)際時(shí)間與假設(shè)葉片不振動時(shí)到達(dá)傳感器的時(shí)間不相等，即脈沖到達(dá)時(shí)刻發(fā)生改變，從而產(chǎn)生1 個(gè)時(shí)間差Δt。對該時(shí)間差信號序列{Δt}進(jìn)行分析處理，即可得到葉片振動位移信息，計(jì)算出葉片振動的振幅和頻率。同時(shí)，借助基準(zhǔn)同步信號，可對每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的振動進(jìn)行分析[13-15]。

圖1 非接觸振動測試系統(tǒng)工作原理Fig.1 Principle of non-contact vibration measurement system

3 有轉(zhuǎn)速同步的實(shí)現(xiàn)方法

有轉(zhuǎn)速同步方法的基本原理如圖2 所示，主要為在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上噴漆或開鍵槽，并在轉(zhuǎn)軸標(biāo)記附近的機(jī)匣或靜子件上固定1支轉(zhuǎn)速同步傳感器。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)軸上的標(biāo)記經(jīng)過轉(zhuǎn)速同步傳感器時(shí)，傳感器會輸出1個(gè)電壓信號，即轉(zhuǎn)速同步基準(zhǔn)信號。轉(zhuǎn)速同步基準(zhǔn)信號的作用有三點(diǎn)：一是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測試，為數(shù)據(jù)分析提供轉(zhuǎn)速參考；二是確定葉片順序，與發(fā)動機(jī)葉片實(shí)際安裝位置進(jìn)行比對，確定監(jiān)測葉片序號與實(shí)際安裝葉片位置的關(guān)系；三是作為非接觸振動測試系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，確定無振動葉片到達(dá)某一光纖傳感器的理論時(shí)間，再根據(jù)葉尖定時(shí)信號實(shí)際到達(dá)時(shí)間計(jì)算葉片振動位移。

圖2 轉(zhuǎn)速同步基準(zhǔn)信號的基本原理Fig.2 Basic theory of once-per-revolution sensor

有轉(zhuǎn)速同步實(shí)現(xiàn)方法有兩種，一種是利用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測試軸端轉(zhuǎn)速，另一種是利用光纖傳感器測試軸端轉(zhuǎn)速。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器基于電磁感應(yīng)原理，通過磁電相互作用把轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的感應(yīng)電動勢，再對輸出感應(yīng)電動勢信號進(jìn)行處理和分析，從而得到轉(zhuǎn)軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速[16-17]。應(yīng)用過程中，只需在測試位置的轉(zhuǎn)子或旋轉(zhuǎn)件對應(yīng)位置加工1 個(gè)一定尺寸的鍵槽或孔，將磁電式轉(zhuǎn)速傳感器安裝于靜子件上。安裝時(shí)，保證探頭垂直對中轉(zhuǎn)子軸端或轉(zhuǎn)子所開鍵槽或孔，使轉(zhuǎn)速傳感器與鍵槽之間保持1～2 mm距離，即可產(chǎn)生脈沖信號。

葉尖定時(shí)原理的光纖傳感器是將激光投射到葉片端面，通過感受葉尖反射回來的光強(qiáng)信號變化來獲取葉片到來時(shí)刻[18]。應(yīng)用過程中，將光纖傳感器安裝于轉(zhuǎn)軸對應(yīng)靜子件上，在轉(zhuǎn)軸對應(yīng)位置噴涂適當(dāng)寬度(8～10 mm 左右)黑體漆，利用光纖傳感器感應(yīng)黑體漆與轉(zhuǎn)軸本身顏色變化所輸出的電壓不同來獲取基準(zhǔn)信號。

4 無轉(zhuǎn)速同步的實(shí)現(xiàn)方法

通過無轉(zhuǎn)速同步實(shí)現(xiàn)方法將葉片脈沖信號轉(zhuǎn)化為一圈一個(gè)脈沖的轉(zhuǎn)速信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速定時(shí)信號獲取。無轉(zhuǎn)速同步實(shí)現(xiàn)方法工作原理如圖3 所示。

圖3 無轉(zhuǎn)速同步實(shí)現(xiàn)方法工作原理Fig.3 Theory of non-contact vibration measurement without once-per-revolution sensor

對測試葉片振動的1支光纖傳感器的原始電壓信號進(jìn)行高通濾波，去除轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、間隙、溫度等狀態(tài)變化造成的信號“緩慢”偏移噪聲，然后通過放大功能對原始電壓信號進(jìn)行放大并整形成TTL脈沖信號。脈沖信號的上升沿與某一葉片信號來臨時(shí)刻基本一致，延遲時(shí)間不超過10 ns，以保證鍵相精度。

已知每級葉片數(shù)N的前提下，選取裝在機(jī)匣上的某一光纖傳感器信號，并對該傳感器的定時(shí)脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，即假定第1個(gè)定時(shí)脈沖信號是1號葉片，同時(shí)輸出1 個(gè)脈沖作為OPR 信號。然后每隔N個(gè)葉片，在第N+1 個(gè)葉尖定時(shí)脈沖信號到達(dá)時(shí)實(shí)時(shí)輸出第2個(gè)脈沖信號。以此循環(huán)，即實(shí)現(xiàn)鍵相分頻，獲得一圈一個(gè)脈沖信號。

上述方法中，一個(gè)基本假定為基準(zhǔn)葉片的振動為0。實(shí)際過程中，所有葉片均會產(chǎn)生一定程度的振動，造成所采用的基準(zhǔn)葉片脈沖信號提前或延遲到達(dá)，從而對OPR 信號產(chǎn)生影響，進(jìn)而對葉片振動精度產(chǎn)生影響。為此，本文通過對相鄰2 個(gè)傳感器信號進(jìn)行差分來予以抑制和消除。對相鄰傳感器來說，OPR 信號提前或延遲到達(dá)，對某一葉片的達(dá)到時(shí)間計(jì)算造成的偏差大致相同。差分后，較大程度上消除了基準(zhǔn)葉片的振動。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動、機(jī)匣振動和環(huán)境噪聲等會影響定時(shí)信號精度，導(dǎo)致鍵相分頻器輸出的基準(zhǔn)信號存在誤差，從而影響整個(gè)葉片振動測試系統(tǒng)精度，因此需對葉片定時(shí)信號進(jìn)行修正，修正原理如圖4 所示。令第g個(gè)光纖傳感器Sg(g=1，2…)與第1 個(gè)葉尖定時(shí)傳感器S1(與鍵相分頻器相連接)之間的夾角為θg，則由葉尖定時(shí)測量基本原理可得：

圖4 鍵相分頻器信號修正原理Fig.4 Signal correction theory of phase and frequency divider

式中：tg,j為第j個(gè)葉片到達(dá)Sg的時(shí)間，fv為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率，e為考慮轉(zhuǎn)速波動、機(jī)匣振動、葉片振動和環(huán)境噪聲等引入的測量誤差。

在葉片振動測量過程中θg為已知項(xiàng)，基于鍵相分頻器原理，葉片編號j亦為已知項(xiàng)。通過二維數(shù)組(tg,j，θg+j2π/N)對式(1)進(jìn)行最小二乘擬合，可得：

式中：k為擬合曲線斜率，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)。

結(jié)合式(1)和式(2)，根據(jù)式(3)進(jìn)一步計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院模擬轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器上，開展無轉(zhuǎn)速同步的轉(zhuǎn)子葉片非接觸振動測試方法驗(yàn)證，將測試結(jié)果分別與動應(yīng)變測試結(jié)果和光纖傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步的非接觸振動測試系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)物照片如圖5 所示。

圖5 無轉(zhuǎn)速同步條件下的轉(zhuǎn)子葉片非接觸振動測試方法試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Picture of experiment verification of non-contact vibration measurement of rotor blade without once-per-revolution sensor

試驗(yàn)用模擬轉(zhuǎn)子為整體葉盤結(jié)構(gòu)，盤緣直徑為68 mm，葉片沿葉高長度為50 mm，葉片數(shù)量為5片，葉型為無扭直葉片。通過ANSYS理論分析可知，所設(shè)計(jì)試驗(yàn)件的一彎靜頻約為600 Hz。

試驗(yàn)過程中，利用基于葉尖定時(shí)的非接觸振動測試系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子葉片振動進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。根據(jù)整體葉片坎貝爾圖分析結(jié)果及系統(tǒng)的周向傅立葉分析需要，試驗(yàn)前在傳感器安裝支架上安裝了5 支光纖傳感器，且光纖傳感器頭部離模擬轉(zhuǎn)子葉尖3～5 mm。

為了對非接觸振動測試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)前，在1～5 號葉片一彎振動模態(tài)下各自應(yīng)力最大點(diǎn)粘貼1片電阻應(yīng)變片。利用滑環(huán)引電器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片應(yīng)變信號的傳輸，采用OROS 動態(tài)測試系統(tǒng)對應(yīng)變進(jìn)行測試與分析。

為了對比分析有轉(zhuǎn)速同步和無轉(zhuǎn)速同步的葉片振動結(jié)果，共進(jìn)行了兩次相同狀態(tài)的起動試驗(yàn)。第一次起動過程中，將測試葉片振動的1 支光纖傳感器接入鍵相分頻器后再接入非接觸振動測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片振幅監(jiān)測與分析。同時(shí)，利用OROS動態(tài)測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)葉片動應(yīng)力監(jiān)測與分析。為保證葉片振幅與動應(yīng)力的對比精度，OROS 動態(tài)測試系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速采用與葉尖定時(shí)信號相同的方法獲取，即采用通過非接觸振動測試系統(tǒng)輸出的無轉(zhuǎn)速同步信號實(shí)現(xiàn)方法測試的轉(zhuǎn)速。第二次起動過程中，通過在轉(zhuǎn)軸噴黑體漆，利用光纖傳感器測試轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的方法獲取轉(zhuǎn)速同步基準(zhǔn)，輸入非接觸振動測試系統(tǒng)分析轉(zhuǎn)子葉片葉尖振動。

試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)件先起動到5 000 r/min，然后勻速上升到14 000 r/min，保持此轉(zhuǎn)速5 s，之后勻速停車。利用非接觸振動測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測模擬轉(zhuǎn)子各葉片在不同轉(zhuǎn)速下的振動位移。離線處理時(shí)，利用非接觸振動測試系統(tǒng)的單自由度和周向傅立葉兩種方法分析，可以準(zhǔn)確獲取葉片的共振幅值、共振轉(zhuǎn)速、共振頻率及激勵(lì)階次。利用OROS 測試系統(tǒng)對應(yīng)變片測試結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測，對葉片動應(yīng)力進(jìn)行頻譜和三維瀑布圖分析。

5.2 無轉(zhuǎn)速同步振動試驗(yàn)結(jié)果分析

第一次起動過程中，當(dāng)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速上升至13 000 r/min 左右時(shí)，非接觸振動測試系統(tǒng)和OROS 動態(tài)測試系統(tǒng)監(jiān)測的所有葉片均發(fā)生了共振。

利用非接觸振動測試系統(tǒng)的單自由度和周向傅立葉兩種方法分析，所有葉片發(fā)生了3 階激勵(lì)階次導(dǎo)致的一彎振動。利用OROS動態(tài)測試系統(tǒng)的頻譜和三維瀑布圖方法分析，所有葉片也發(fā)生了3 階激勵(lì)階次導(dǎo)致的一彎振動。圖6為兩種測試方法所得1～5 號葉片在轉(zhuǎn)速13 000 r/min 左右發(fā)生共振時(shí)的頻率對比，具體頻率值見表1。表中，f1為無轉(zhuǎn)速同步非接觸振動測試系統(tǒng)所得葉片頻率；f2為應(yīng)變片所得葉片頻率；Re1為無轉(zhuǎn)速同步非接觸振動測試系統(tǒng)與應(yīng)變片所得葉片頻率的相對誤差，由公式(4)計(jì)算。從表中可看出，無轉(zhuǎn)速同步的非接觸振動所得頻率與應(yīng)變片所得頻率的相對誤差在0.5%以內(nèi)，且動頻結(jié)果與理論計(jì)算一彎靜頻結(jié)果(約600 Hz)較吻合。

圖6 無轉(zhuǎn)速同步非接觸測試系統(tǒng)與應(yīng)變片所得葉片頻率對比Fig.6 Frequency results comparison between non-contact vibration measurement and strain gage measurement at condition of no once-per-revolution sensor

表1 無轉(zhuǎn)速同步非接觸測試系統(tǒng)與應(yīng)變片所得葉片頻率及相對誤差Table 1 Relative error of frequency result of non-contact vibration measurement with that of strain gage measurement at condition of no once-per-revolution sensor

根據(jù)模態(tài)分析基本理論，葉片發(fā)生一彎振型振動時(shí)，葉尖振幅與應(yīng)變成一定比例關(guān)系。試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速為13 000 r/min時(shí)，無轉(zhuǎn)速同步的非接觸振動測試系統(tǒng)所得各葉片振幅與應(yīng)變片應(yīng)變幅值曲線如圖7所示?？梢钥闯?，各葉片振幅與應(yīng)變片應(yīng)變幅值的變化趨勢基本一致。

圖7 無轉(zhuǎn)速同步非接觸測試系統(tǒng)所得振幅與應(yīng)變片應(yīng)變幅值曲線Fig.7 Amplitude results comparison between non-contact vibration measurement and strain gage measurement at condition of no once-per-revolution sensor

利用公式(5)～(7)對非接觸振動測試共振時(shí)的葉片振幅與應(yīng)變片測試的葉片應(yīng)變幅值之比進(jìn)行誤差分析，所得結(jié)果如表2所示。可見，非接觸振動測試振幅結(jié)果與應(yīng)變片實(shí)測應(yīng)變幅值之比的相對誤差在10%以內(nèi)，相對較小。

表2 無轉(zhuǎn)速同步非接觸測試系統(tǒng)所得葉片振幅與應(yīng)變片應(yīng)變幅值Table 2 Relative error of ratio of amplitude result of non-contact vibration measurement with that of strain gage measurement

式中：φi為非接觸振動測試系統(tǒng)所得葉片振幅Ai與應(yīng)變片所得葉片應(yīng)變幅值εi的比值，φˉ為5 個(gè)葉片φi的平均值，Re2為葉片振幅與應(yīng)變幅值之比的相對誤差。

5.3 無轉(zhuǎn)速同步與有轉(zhuǎn)速同步非接觸振動試驗(yàn)結(jié)果分析

第二次起動過程中，通過在轉(zhuǎn)軸噴黑體漆，利用光纖傳感器測試轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速方法獲取的轉(zhuǎn)速同步基準(zhǔn)接入非接觸振動測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)子葉片的非接觸振動測試。試驗(yàn)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至13 000 r/min左右時(shí)，非接觸振動測試系統(tǒng)監(jiān)測的所有葉片均發(fā)生了共振。利用非接觸振動測試系統(tǒng)的單自由度和周向傅立葉兩種方法分析，所有葉片發(fā)生了3階激勵(lì)階次導(dǎo)致的一彎振動。各葉片的共振頻率結(jié)果如表3所示。表中，f3為有轉(zhuǎn)速同步非接觸振動測試系統(tǒng)所得葉片頻率；Re3為無轉(zhuǎn)速同步與有轉(zhuǎn)速同步基準(zhǔn)的非接觸振動測試系統(tǒng)所得葉片頻率之間的相對誤差，由公式(8)計(jì)算。

表3 有無轉(zhuǎn)速同步非接觸測試系統(tǒng)測試頻率及相對誤差Table 3 Relative error and frequency results of non-contact vibration measurement with OPR and without OPR sensor

對比分析可知，無轉(zhuǎn)速同步與有轉(zhuǎn)速同步基準(zhǔn)的非接觸振動測試系統(tǒng)監(jiān)測的葉片共振轉(zhuǎn)速基本一致。無轉(zhuǎn)速同步和有轉(zhuǎn)速同步基準(zhǔn)的非接觸振動測試頻率的相對誤差在0.5%以內(nèi)，且均與理論計(jì)算靜頻結(jié)果吻合。

6 結(jié)論

(1) 通過測試葉片振動的一支光纖傳感器接入鍵相分頻器的無轉(zhuǎn)速同步方法，可以實(shí)現(xiàn)非接觸振動測試系統(tǒng)的葉片振動測試。

(2) 一彎狀態(tài)下，無轉(zhuǎn)速同步條件下非接觸振動測試系統(tǒng)的測試頻率與應(yīng)變片測試頻率的相對誤差小于0.5%；無轉(zhuǎn)速同步與有轉(zhuǎn)速同步條件下非接觸振動測試頻率之間的相對誤差小于0.5%。

(3) 無轉(zhuǎn)速同步條件下的振動幅值與應(yīng)變片應(yīng)變幅值之比的相對誤差在10%以內(nèi)。

(4) 基于光纖傳感器葉片信號的無轉(zhuǎn)速同步方法，可以實(shí)現(xiàn)非接觸振動測試系統(tǒng)的葉片振動測試，成功解決了發(fā)動機(jī)試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)速同步傳感器難以安裝等問題，將在航空發(fā)動機(jī)整機(jī)、核心機(jī)的高壓壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子葉片非接觸振動測試試驗(yàn)中發(fā)揮重要作用。