[发明专利]恒速下叶片异步振动频率非调和傅里叶分析方法

说明书

本发明属于叶轮机械叶片测试技术领域，为最终得到正确的振动频率值，本发明恒速下叶片异步振动频率非调和傅里叶分析方法，步骤如下：步骤1：求取折叠频率和相位值；步骤2：计算相位差；步骤3：倍频整数遍历；步骤4：通过误差分析得出叶片异步振动频率ω；步骤5：重复步骤2至步骤4，得出基于相位φ_i′计算的叶片异步振动频率ω′；进一步：对叶片异步振动频率辨识的可能值ω和ω′计算，得到ω_n、ω_n′和相应的H_j，i值；若对于i＝0,1…N，R_i(ω_n)>R_i(ω_n′)成立，则叶片异步振动频率值为ω，否则叶片异步振动频率值为ω′。本发明主要应用于叶轮机械叶片测试场合。

技术领域

本发明属于叶轮机械叶片测试技术领域，特别是一种叶片异步振动频率分析方法。

背景技术

航空发动机、燃气涡轮机是飞机、大型舰船等的“心脏”，动叶片作为核心做功元件，其运行状态监测，特别是振动参数监测对航空发动机、燃气涡轮机安全、高效运行具有重大意义。发动机工作时，作用在涡轮转子叶片上的载荷主要有，高速转动下叶片自身质量产生的离心载荷，流体作用在叶片上的气动载荷，高温分布不均匀引起的温度载荷，各种振动载荷等[1]。机匣内的支撑板、静叶片等结构导致气流分布不均，从而产生激振力，当该激振力与转子转速频率成整数倍关系且在数值上接近动叶片某阶频率时，动叶片便发生同步共振。除了同步共振外，在某些情况下，比如压气机颤振，喘振或者是旋转失速时，叶片会发生异步振动。动叶片在振动载荷下，会发生疲劳，产生裂纹甚至是断裂脱落，导致整个旋转机械停运[2]。

叶片健康状态在线监测系统可为旋转机械日常维护，以及提高旋转机械运行效率提供必要信息。传统的接触式叶片状态监测技术在实际工程应用中受到限制。比如贴应变片法，该方法在高温燃气涡轮机的监测中应用受限，此外该方法需要遥测系统，费用昂贵，安装复杂，并且在动叶片上粘贴应变片，会对叶片本身的动力性能造成影响[3]。基于叶尖定时的叶片状态监测方法属于非接触测量方式，相对接触测量方式，该方法安装简单，可一次性测量整级所有叶片的振动参数，优势明显。

基于叶尖定时原理的叶片振动参数监测属于欠采样监测方法，其难点为基于欠采样数据如何对叶片振动信息进行重构。根据叶片发生的振动类型不同采用相应的重构算法。常用的测量同步振动的叶尖定时辨识算法有：单参数法[4]、双参数法[5]、自回归法[6]，基于任意角的叶片同步振动参数辨识算法[7]，去OPR的叶片同步振动参数辨识算法[8]等。常用的测量异步振动的叶尖定时辨识算法有：Prony谱估计法、传感器均布法、差频法、“5+2”分布法[9]，恒速下叶片异步振动参数辨识算法[7]，变速激励下叶片异步振动参数辨识算法[10]等。

对于恒速下叶片异步振动参数辨识算法的理论推导可参考文献[7]。由于本发明提出的分析方法是在恒速下叶片异步振动参数辨识算法的基础上，对叶片异步振动频率进行二次辨识，因此有必要将恒速下叶片异步振动参数辨识算法计算过程进行简述，并说明当前该算法存在的缺陷。假设转子转速为Ω，采用多支叶尖定时传感器(编号依次为0,1,2…N)对叶片异步振动进行监测。

步骤1：求取折叠频率和相位值

对每支叶尖定时传感器监测的振动信号截取相同时间段的2n-1个数据进行全相位傅里叶分析得到谱分析结果，在[-Ω/2,0]和[0,Ω/2]范围内找出峰值谱线对应的频率点|Δf|，再找出此峰值对应的相位值和其中i＝0,1,2…N，表示相应的传感器编号。

步骤2：计算相位差

依据上一步得出的相位值和这里以相位为例。根据计算各传感器相对0号传感器的实测相位差并规整到[0,360°)。相应相位差应写为：

m—振动倍频整数部分

a_i—叶尖定时传感器安装角度