一种转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法及装置，其中方法包括以下步骤：1)获取叶片振动时叶端定时信号序列和转速信号序列；2)构建叶端定时角域均匀采样的叶片振动位移模型；3)建立叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的重构公式；4)计算叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的阶次谱，提取同步振动阶次；5)计算叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的频谱瀑布图，提取异步振动频率。本发明专利技术提供的方法可针对转速非恒定的叶端定时测振信号进行重构，且重构信号无阶次混叠，能同时识别叶片的同步和异步振动特性，计算过程简单、易于实现，能用很少的叶端定时传感器识别高阶次振动，节约了安装成本和空间。

【技术实现步骤摘要】
一种转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法及装置
本专利技术涉及高速叶片振动在线监测
，具体来说，涉及一种转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法及装置。
技术介绍
高速叶片是燃气轮机、航空发动机等旋转机械中的关键动部件，在极端服役环境下高速叶片容易产生各种故障，这些故障大多由振动引起，包括同步和异步振动。主要原因是高速叶片承受离心力及气动力等循环交变载荷作用，容易诱发高周疲劳损伤，产生微小裂纹；损伤严重时会导致叶片掉角、掉块，甚至直接断裂，产生巨大的安全隐患。为此，对高速叶片产生的振动进行在线监测，研究叶片振动特性并及早发现叶片早期裂纹故障，对于保障旋转机械正常稳定运行、防范重大事故具有重要意义。高速叶片的振动在线测量一直是旋转机械领域关注的重要难题之一。自20世纪30年代以来，人们研究了各种不同类型的叶片振动监测方法，大致分为接触式和非接触式两类。但接触式测量方法存在安装成本高、信号传输困难等固有缺陷，同时会直接影响高速叶片的振动特性。为了克服接触式监测方法的不足，20世纪60年代开始，人们提出了一种基于叶端定时的非接触式叶片振动在线监测方法。叶端定时测振的基本原理是通过沿圆周方向安装在机匣上的一组叶端定时传感器记录叶片通过传感器的时间，当叶片没有发生振动时，其到达传感器的基准时间只与转速、叶片半径以及传感器安装夹角相关；而当叶片发生振动时，其到达传感器的实际时间会超前或滞后于理论基准时间，产生一个时间差，再对该时间差序列进行处理就可以得到高速叶片叶端的振动位移序列，从而可以估计出叶片的振动特性。但是，叶端定时采样频率取决于转速和传感器数目，而实际中由于传感器安装代价和空间等约束，叶端定时传感器数目一般较少，这使得叶端定时测振信号的采样频率远低于高速叶片的固有频率。因此，叶端定时测振过程不满足奈奎斯特采样定理，是典型的严重欠采样信号，不能真实反映叶片的振动特性，必须对其进行重构。在经典的高速叶片叶端定时测振及其欠采样信号重构理论中，转速恒定是一个必要的前提条件。但是在实际应用场合中，旋转机械往往需要在工作在不同的转速下，这使得高速叶片的转速往往是在变化的。在转速非恒定情况下，当叶端定时传感器沿圆周方向均匀布置时，每一个传感器采集的振动位移序列都是非均匀的，不符合经典的采样方式，这给振动信号重构与振动特性识别设置了很大的障碍。因此，在传感器均匀布置情况下，如何对转速非恒定时高速叶片叶端定时欠采样测振信号进行高效重构并识别振动特性是一个急需解决的问题。当前，对叶端定时测振信号重构算法的研究，主要集中于假定转速是恒定的情况，如CN201310460647.8中公开了一种高速叶片欠采样叶端振动信号的无混叠重构方法，该方法通过将叶片振动信号看成是带通信号，基于香农采样定理对所得信号进行均匀重构，但该方法要求转速必须是恒定的，且不能识别同步振动；CN201510882079.X中公开了一种非均匀欠采样叶端定时振动信号重构方法及其装置，多个叶端定时传感器非均匀布置，该方法假定转速是恒定的，从而多个叶端定时传感器的非均匀欠采样信号可以转化为每个叶端定时传感器均匀欠采样信号之和，然后基于周期非均匀采样定理实现叶片振动信号的重构。然而，在转速非恒定时，已有的叶端定时欠采样测振信号重构方法均不再适用，无法获取高速叶片的振动特性。
技术实现思路
针对相关技术中的上述技术问题，本专利技术提供一种转速非恒定时的叶片振动叶端定时在线监测方法及装置，该专利技术解决了现有方法无法对转速非恒定时欠采样叶端定时测振信号进行高效重构，并同时识别高速叶片同步和异步振动的技术问题。本专利技术提供一种转速非恒定时的叶片振动叶端定时在线监测方法，包括以下步骤：步骤S1：在所述叶片的叶片机匣的圆周均匀设置叶端定时传感器，所述叶片的旋转轴的圆周均匀设置至少一个转速参考传感器，在所述叶片旋转N圈后，获取所述叶片振动时叶端定时信号序列和转速信号序列；步骤S2：将所述叶端定时信号序列转化为等角度采样信号，构建叶端定时角域均匀采样的叶片振动位移模型；步骤S3：选取待监测的叶片的振动频带，计算其对应的阶次范围，建立所述叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的重构公式；步骤S4：计算所述叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的阶次谱，提取同步振动阶次；步骤S5：计算所述叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的频谱瀑布图，提取异步振动频率。进一步地，所述叶片的旋转轴的圆周上设置有一个基准位置。进一步地，所述叶片旋转的转速可以为恒定的，也可以为非恒定的，且既可以是转速波动，也可以是变转速。进一步地，所述步骤S2的具体步骤如下：基于所述叶端定时传感器均匀设置于所述叶片的叶片机匣的圆周，则无论所述叶片的转速是恒定的还是非恒定的，所述叶片的振动都可以看做是等角度均匀采样，为此可以建立叶端定时振动信号的角域均匀欠采样模型。记M为叶端定时传感器的个数，Q为转速参考传感器的个数，所述叶片旋转第i圈时间为Ti，第k个叶片相对于基准位置的角度为θk，第p个叶端定时传感器相对于所述基准位置的安装角为βp，则第i圈时第k个叶片经过第j个叶端定时传感器的理论到达时间为：Ti为Q个转速参考传感器第i圈旋转时间的平均值；当所述叶片振动时，所述叶片通过叶端定时传感器的实际时间比式(1)理论时间要提前或滞后，记为且可以通过对转速参考信号序列进行计数计算得到。叶端定时角域均匀采样的第k个叶片振动位移模型为：其中，R为叶片叶端到旋转中心的半径，n是叶端定时角域均匀采样的序号，π是圆周率，符号表示往下取整数，mod(n,M)表示n除以M的余数，特别地，当n是M的倍数时约定mod(n,M)＝M。所述叶片振动位移模型是角度的函数，而不是时间的函数。进一步地，所述步骤S3的具体步骤如下：针对式(2)所示的叶端定时角域均匀采样的第k个叶片振动位移模型，可以采用阶次分析方法对其进行分析。根据阶次采样理论，使得采样不发生阶次混叠的角域采样间隔必须满足：其中EOmax是最大阶次，而实际中的角域采样间隔为：从而角域采样频率为2π/△θs＝M，但是实际中由于安装位置和代价的约束，叶端定时传感器数量并不多，这使得叶端定时角域采样间隔并不满足阶次采样理论，因此必须在角域进行重构才能避免阶次混叠，根据香农采样理论，假设所述叶片的振动信号为低通信号，其最高阶次为EO*，则当角域采样频率M>EO*时，所述叶片的振动信号的角域采样可以利用式(5)进行重构，其中，θ是连续角度变量，记叶片振动频带为[fmin,fmax]，将其转化为对应的阶次范围[EOmin,EOmax]，所述阶次范围根据待监测振动频带的最高频率fmax和最低频率fmin、以及叶片的最高转速和最低转速来确定，有，其中，运算符′[]′表示取整数，则中心阶次为：阶次带宽BEO为BEO＝EOmax-EOmin(8)进一步，对角域采样信号x(θ)进行阶次平移，得到变换后的角域采样信号为：则的最高阶次为BEO/2，当叶端定时角域采样率M>BEO，则根据公式(5)可以得到第k个叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号为：其中，是xk(n)的角域解析信号，Re表示取实部；利用式(10)在叶端定时角域采样率大于阶次带宽的条件下，即可无混叠地利用叶端定时角域欠采样信号重构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：在所述叶片的叶片机匣的圆周均匀设置叶端定时传感器，所述叶片的旋转轴的圆周均匀设置至少一个转速参考传感器，在所述叶片旋转N圈后，获取所述叶片振动时叶端定时信号序列和转速信号序列；步骤S2：将所述叶端定时信号序列转化为等角度采样信号，构建叶端定时角域均匀采样的叶片振动位移模型；步骤S3：针对待监测的叶片的振动频带，计算其对应的阶次范围，建立所述叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的重构公式；步骤S4：计算所述叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的阶次谱，提取同步振动阶次；步骤S5：计算所述叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的频谱瀑布图，提取异步振动频率。

【技术特征摘要】
1.一种转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：在所述叶片的叶片机匣的圆周均匀设置叶端定时传感器，所述叶片的旋转轴的圆周均匀设置至少一个转速参考传感器，在所述叶片旋转N圈后，获取所述叶片振动时叶端定时信号序列和转速信号序列；步骤S2：将所述叶端定时信号序列转化为等角度采样信号，构建叶端定时角域均匀采样的叶片振动位移模型；步骤S3：针对待监测的叶片的振动频带，计算其对应的阶次范围，建立所述叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的重构公式；步骤S4：计算所述叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的阶次谱，提取同步振动阶次；步骤S5：计算所述叶片振动叶端定时角域欠采样重构信号的频谱瀑布图，提取异步振动频率。2.根据权利要求1所述的转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述叶片的旋转轴的圆周上设置有一个基准位置。3.根据权利要求2所述的转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述叶片旋转的转速为非恒定的。4.根据权利要求1-3任一项所述的转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤如下：基于所述叶端定时传感器均匀设置于所述叶片的叶片机匣的圆周，则无论所述叶片的转速是恒定的还是非恒定的，所述叶片的振动都可以看做是等角度均匀采样，为此可以建立叶端定时振动信号的角域均匀欠采样模型。记M为叶端定时传感器的个数，Q为转速参考传感器的个数，所述叶片旋转第i圈时间为Ti，第k个叶片相对于基准位置的角度为θk，第p个叶端定时传感器相对于所述基准位置的安装角为βp，则第i圈时第k个叶片经过第p个叶端定时传感器的理论到达时间为：Ti为Q个转速参考传感器第i圈旋转时间的平均值；当所述叶片振动时，所述叶片通过叶端定时传感器的实际时间比式(1)理论时间要提前或滞后，记为叶端定时角域均匀采样的第k个叶片振动位移模型为：其中，R为叶片叶端到旋转中心的半径，n是叶端定时角域均匀采样的序号，π是圆周率，符号表示往下取整数，mod(n,M)表示n除以M的余数，特别地，当n是M的倍数时约定mod(n,M)＝M。5.根据权利要求4所述的转速非恒定时叶片振动叶端定时在线监测方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤如下：根据阶次采样理论，使得采样不发生阶次混叠的角域采样间隔必须满足：其中EOmax是最大阶次，π是圆周率，而实际中的角域采样间隔为：从而角域采样频率为2π/Δθs＝M。根据香农采样理论，假设所述叶片的振动信号为低通信号，其最高阶次为EO*，则当角域采样频率M＞EO*时，所述叶片的振动信号的角域采样可以利用式(5)进行重构。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈仲生，何静，刘建华，张昌凡，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43