旋转叶片振动测试精度计算方法及系统与流程

本公开涉及振动监测技术领域，具体而言，涉及一种旋转叶片振动测试精度计算方法及旋转叶片振动测试精度计算系统。

背景技术：

转子叶片作为燃气轮机的关键部件，受到离心力、流体动力、振动、热应力等各种因素的影响而极易发生故障。通过统计可知，叶片损坏的原因很大程度上由振动引起，因此，对燃气轮机转子叶片振动进行监测显得尤为重要。继传统应变片测试方法之后，非接触旋转叶片振动测试应运而生。如图1所示，非接触旋转叶片振动测试的基本原理为：在叶片旋转平面的机匣上安装叶尖振幅传感器，利用叶尖反光脉冲至转子键相脉冲之间的时间统计原理计算出每个旋转叶片的叶尖振幅(周向振幅)。

虽然非接触旋转叶片振动测试系统解决了燃气轮机转子叶片实时的振动检测问题，然而，对于叶片振动测试的精度却无法确定。鉴于此，需要通过一种旋转叶片振动测试精度计算方法及旋转叶片振动测试精度计算系统。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种旋转叶片振动测试精度计算方法及旋转叶片振动测试精度计算系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的一个方面，提供一种旋转叶片振动测试精度计算方法，包括：

针对预设转子的各叶片进行静态标定，以获得各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系；

获取所述预设转子转动状态下各所述叶片的实测应变值以及实测叶尖振动幅值；

根据所述叶尖振动幅值与应变值之间的关系以及各所述叶片的实测应变值计算各所述叶片的理论叶尖振动幅值；以及

根据各所述叶片的所述实测叶尖振动幅值和所述理论叶尖振动幅值计算所述旋转叶片振动测试的精度。

在本公开的一种示例性实施例中，根据各所述叶片的所述实测叶尖振动幅值和所述理论叶尖振动幅值计算所述旋转叶片振动测试的精度包括：

计算各所述叶片的所述实测叶尖振动幅值与所述理论叶尖振动幅值的比值作为各所述叶片振动测试的精度；

计算各所述叶片振动测试的精度的平均值以得到所述旋转叶片振动测试的精度。

在本公开的一种示例性实施例中，针对预设转子的各叶片进行静态标定包括：

对各所述叶片施加与各叶片的一弯共振频率对应的激励；

调节所述激励的幅值，并记录各所述叶片中的每个所述叶片在所述激励不同幅值下的叶尖振动幅值和应变值。

在本公开的一种示例性实施例中，记录各所述叶片中的每个所述叶片在所述激励不同幅值下的叶尖振动幅值和应变值包括：

采用一激光位移传感器记录每个所述叶片在所述激励不同幅值下的叶尖振动幅值；

采用一与应变片耦接的应变仪记录每个所述叶片在所述激励不同幅值下的应变值；

其中，在各所述叶片的一弯共振频率下，所述应变片粘贴在各所述叶片的最大应力区。

在本公开的一种示例性实施例中，获得各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系包括：

对每个所述叶片在所述激励不同幅值下的叶尖振动幅值以及应变值进行拟合分析；

根据拟合分析的结果确定各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系。

在本公开的一种示例性实施例中，获取所述预设转子转动状态下各所述叶片的实测应变值以及实测叶尖振动幅值包括：

在所述预设转子周围布置绕有线圈的铁芯，并在所述预设转子上同轴装配一电机；

调节所述线圈中的电流并控制所述电机的转速以使所述预设转子的各叶片发生一弯共振；

调节所述线圈中电流并记录各所述叶片中的每个所述叶片在不同电流下的实测应变值以及实测叶尖振动幅值；以及

对每个所述叶片在不同电流下的实测应变值以及实测叶尖振动幅值进行处理以确定各所述叶片的所述实测应变值和所述实测叶尖振动幅值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述绕有线圈的铁芯的数量与所述电机的转速成反比。

在本公开的一种示例性实施例中，所述预设转子的材料为导磁材料，并且所述叶片为直板叶片。

根据本公开的一个方面，提供一种旋转叶片振动测试精度计算系统，包括：

静态标定装置，用于针对预设转子的各叶片进行静态标定以获得各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系，并发送各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系；

动态标定装置，用于获取所述预设转子转动状态下各所述叶片的实测应变值以及实测叶尖振动幅值，并发送所述实测应变值和所述实测叶尖振动幅值；以及

数据处理装置：用于接收各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系以及所述实测应变值和所述实测叶尖振动幅值，根据所述叶尖振动幅值与应变值之间的关系以及各所述叶片的实测应变值计算各所述叶片的理论叶尖振动幅值，并且根据各所述叶片的所述实测叶尖振动幅值和所述理论叶尖振动幅值计算所述旋转叶片振动测试的精度。

在本公开的一种示例性实施例中，所述静态标定装置包括：

信号发生器，用于发送频率为与各所述叶片对应的一弯共振频率的信号；

功率放大器，用于对所述信号的功率进行放大；其中，功率放大器的输出端连接有一激励输出单元；

激光位移传感器，用于获取各所述叶片的叶尖振动幅值；

应变仪，用于获取各所述叶片的应变值；

处理单元，用于接收来自所述激光位移传感器的叶尖振动幅值以及来自所述应变仪的应变值，并确定各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系。

在本公开的一种示例性实施例中，所述动态标定装置包括电机和绕有线圈的铁芯；其中：

调节所述线圈中的电流并控制所述电机的转速以使所述预设转子的各所述叶片发生一弯共振，并通过调节所述线圈中的电流以获取各所述叶片的实测应变值和实测叶尖振动幅值。

在本公开的一些实施例所提供的技术方案中，通过对转子静态标定和动态标定的标定结果进行处理以确定各叶片的实测叶尖振动幅值和理论叶尖振动幅值，并根据实测叶尖振动幅值和理论叶尖振动幅值计算旋转叶片振动测试的精度，可以解决现有技术中无法确定非接触旋转叶片振动测试精度的问题，并为之后的非接触旋转叶片振动测试系统的校准过程提供基础。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了现有技术的非接触旋转叶片振动测试的基本原理的示意图；

图2示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的旋转叶片振动测试精度计算方法的流程图；

图3示出了根据本公开的示例性实施方式的预设转子的示意图；

图4示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的旋转叶片振动测试精度计算系统的方框图；

图5示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的静态标定装置的结构框图；以及

图6示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的动态标定装置的结构框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的步骤。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

由于振动是叶片损坏的主要因素，因此，对转子叶片振动进行监测已成为必不可少的手段。然而，目前尚未存在对叶片振动测试精度进行计算的有效方法，因而无法较好地对叶片振动测试系统进行校准。

鉴于此，本公开提供了一种旋转叶片振动测试精度计算方法，主要可以应用于非接触旋转叶片振动测试系统中。

图2示意性示出了本公开的示例性实施方式的旋转叶片振动测试精度计算方法的流程图，参考图2，所述旋转叶片振动测试精度计算方法可以包括以下步骤：

s10.针对预设转子的各叶片进行静态标定，以获得各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系；

s20.获取所述预设转子转动状态下各所述叶片的实测应变值以及实测叶尖振动幅值；

s30.根据所述叶尖振动幅值与应变值之间的关系以及各所述叶片的实测应变值计算各所述叶片的理论叶尖振动幅值；以及

s40.根据各所述叶片的所述实测叶尖振动幅值和所述理论叶尖振动幅值计算所述旋转叶片振动测试的精度。

在本公开的示例性实施方式的旋转叶片振动测试精度计算方法中，通过对转子静态标定和动态标定的标定结果进行处理以确定各叶片的实测叶尖振动幅值和理论叶尖振动幅值，并根据实测叶尖振动幅值和理论叶尖振动幅值计算旋转叶片振动测试的精度，可以解决现有技术中无法确定非接触旋转叶片振动测试精度的问题，并为之后的非接触旋转叶片振动测试系统的校准过程提供基础。

下面将对本公开的旋转叶片振动测试精度计算方法的各步骤进行说明。

在步骤s10中，针对预设转子的各叶片进行静态标定，以获得各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系。

图3示出了根据本公开的示例性实施方式的预设转子的示意图。本公开所述预设转子的叶盘可以是整体叶盘，可以采用电子束焊接法制造该整体叶盘，然而，也可以采用线性摩擦焊接法或五坐标计算机数控加工法来制造该整体叶盘，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。

整体叶盘的材料可以为导磁材料，以便于在动态标定时绕有线圈的铁芯对其进行激励。另外，叶盘上的叶片可以被制造为直板叶片，一方面，直板叶片的叶尖实际振动幅值与叶尖振动周向振幅之间是1：1的关系，从而减少了试验时的误差；另一方面，直板叶片相对于其他类型的叶片易于制造。

在本公开的示例性实施方式中，可以对预设转子上的每个叶片进行标号，并且对每个叶片进行静频分析以确定每个叶片的一弯共振频率。另外，针对预设转子上的各叶片，在一弯共振频率下计算出各叶片的最大应力区，其中，该最大应力区可以被理解为在该区域内，叶片承受的应力最大。接下来，可以在该最大应力区粘贴一应变片，其中，应变片发生应变时其电阻会随之发生变化。也就是说，对于每一叶片均配置与其对应的应变片。

本公开所述的静态标定意指在预设转子未转动的情况下进行的标定过程。首先，针对预设转子中的第i个叶片(其中，i为叶片的标号，可以取正整数)，可以对该叶片施加一激励，该激励的频率为一弯共振频率。

接下来，可以调节该激励的幅值，并记录该叶片在不同激励幅值下的叶尖振动幅值和应变值，具体的，可以采用一激光位移传感器记录该叶片的叶尖振动幅值，该激光位移传感器可以在非接触的情况下对振动位移进行感测，是一种无损测量方式；另外，可以采用一应变仪记录该叶片的应变值，其中，该应变仪与上述应变片耦接。

随后，激光位移传感器记录的叶尖振动幅值以及应变仪记录的应变值可以被传送至一处理单元，该处理单元可以对接收到的多组叶尖振动幅值和应变值进行拟合分析，并且可以根据拟合分析的结果确定叶尖振动幅值与应变值之间的关系。具体的，叶尖振动幅值与应变值之间的关系可以式(1)所示：

εi＝a*api+b式(1)

在式(1)中，εi表示第i个叶片的应变值，api表示第i个叶片的叶尖振动幅值，系数a和系数b表示标定系数。

此外，可以通过上述静态标定过程对预设转子上每一叶片进行分析处理，以得到每一叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系。

本公开以正比关系为例示意性描述了叶尖振动幅值与应变值之间的关系，然而，由于实际因素的影响，处理单元拟合出的关系可能并非上述式(1)所述的正比关系，容易理解的是，由于采用了本公开的静态标定的方法，因此这些内容也应当属于本发明的构思。

通过静态标定过程，可以得到相对标准的叶尖振动幅值与应变值之间的关系。为之后测试精度的计算提供了基础。

在步骤s20中，获取所述预设转子转动状态下各所述叶片的实测应变值以及实测叶尖振动幅值。

在本公开的示例性实施方式中，可以在预设转子周围布置绕有线圈的铁芯，并在预设转子上同轴装配一电机。也就是说，在进行静态标定之后，可以将预设转子放置于叶片周向方向上周围布置有绕有线圈的铁芯的场景中，同时为预设转子装配电机。

接下来，可以通过调节所述线圈中的电流并控制电机的转速以使预设转子的叶片发生一弯共振。根据步骤s10中的静频分析可以获得叶片的固有频率，此时，电机的转速可以表示为式(2)：

n＝(f0/m)*60式(2)

在式(2)中，n表示电机的转速(单位为rpm)，m表示预设转子周围铁芯的数量，f0表示各叶片的固有频率中的最大值。

随后，可以调节线圈中的电流，以使叶片在不同振动量级下振动，并记录不同电流下的实测应变值和实测叶尖振动幅值。针对每一叶片，可以进行多次(例如，三次)的记录过程，并取平均值。然后，可以对取平均值后的记录数据进行分析处理，以得到每一叶片的实测应变值εdi和实测叶尖振动幅值apdi。

在步骤s30中，根据所述叶尖振动幅值与应变值之间的关系以及各所述叶片的实测应变值计算各所述叶片的理论叶尖振动幅值。

在本公开的示例性实施方式中，根据静态标定后获得的例如式(1)所示的叶尖振动幅值与应变值的关系，可以获得理论叶尖振动幅值bpi。也就是说，可以将实测应变值εdi代入式(1)，可得式(3)：

bpi＝(εdi-b)/a式(3)

可以理解的是，bpi是在应变值为εdi的情况下，理论上标准的叶尖振动幅值。

在步骤s40中，根据各所述叶片的所述实测叶尖振动幅值和所述理论叶尖振动幅值计算所述旋转叶片振动测试的精度。

在步骤s30之后，可以计算出预设转子上每个叶片的理论叶尖振动幅值。接下来，可以计算叶片的实测叶尖振动幅值与理论叶尖振动幅值的比值，并且将该比值作为各叶片振动测试的精度。也就是说，若将第i个叶片的振动测试精度表示为hi，则可以得到：

hi＝apdi/bpi式(4)

随后，可以计算各叶片振动测试精度的平均值以得到旋转叶片振动测试的精度。若将旋转叶片振动测试的精度表示为h，则可以得到：

式(5)中，n表示预设转子上叶片的数量。

在上述过程中，采用绕有线圈的铁芯激励旋转的叶片使其发生一弯共振，调节线圈中电流的大小可以产生不同量级的激振力，同时得到实测叶尖振动幅值和实测应变值并进行数据分析，将分析结果与静态标定的数据结合并进行数据处理，可以得到非接触旋转叶片振动测试系统的测试精度。

应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

进一步的，本示例实施方式中还提供了一种旋转叶片振动测试精度计算系统。

图4示意性示出了本公开的示例性实施方式的旋转叶片振动测试精度计算系统的方框图。参考图4，根据本公开的示例性实施方式的旋转叶片振动测试精度计算系统可以包括静态标定装置、动态标定装置和数据处理装置，其中：

静态标定装置，可以用于针对预设转子的各叶片进行静态标定以获得各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系，并发送各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系；

动态标定装置，可以用于获取所述预设转子转动状态下各所述叶片的实测应变值以及实测叶尖振动幅值，并发送所述实测应变值和所述实测叶尖振动幅值；以及

数据处理装置：可以用于接收各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系以及所述实测应变值和所述实测叶尖振动幅值，根据所述叶尖振动幅值与应变值之间的关系以及各所述叶片的实测应变值计算各所述叶片的理论叶尖振动幅值，并且根据各所述叶片的所述实测叶尖振动幅值和所述理论叶尖振动幅值计算所述旋转叶片振动测试的精度。

由于本发明实施方式的各装置的功能与上述方法发明实施方式中相同，因此在此不再赘述。

进一步的，本公开还提供了上述旋转叶片振动测试精度计算系统中静态标定装置的一种结构。参考图5，该静态标定装置可以包括：

信号发生器，可以用于发送频率为与各所述叶片对应的一弯共振频率的信号；

功率放大器，可以用于对所述信号的功率进行放大；其中，功率放大器的输出端连接有一激励输出单元；

激光位移传感器(即图中所示的传感器)，可以用于获取各所述叶片的叶尖振动幅值；

应变仪，可以与叶片上的应变片53连接，用于获取各所述叶片的应变值；

处理单元，可以用于接收来自所述激光位移传感器的叶尖振动幅值以及来自所述应变仪的应变值，并确定各所述叶片的叶尖振动幅值与应变值之间的关系。

在本公开的示例性实施方式中，与功率放大器的输出端连接的激励输出单元可以例如为喇叭。

另外，该静态标定装置还可以包括设置在激光位移传感器与处理单元之间的控制单元，以对激光位移传感器进行控制。

此外，预设转子51可以通过压板55固定在操作台上。图5中示意性示出了预设转子51具有9个叶片，然而，容易理解的是，本公开针对的叶片数量不限于9个，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。

进一步的，本公开还提供了上述旋转叶片振动测试精度计算系统中动态标定装置的一种结构。参考图6，该动态标定装置可以包括电机和绕有线圈的铁芯61；其中：

调节所述线圈中的电流并控制所述电机的转速以使所述预设转子的各所述叶片发生一弯共振，并通过调节所述线圈中的电流以获取各所述叶片的实测应变值和实测叶尖振动幅值。

图6仅示出了动态标定装置的剖面图，可以理解的是，绕有线圈的铁芯61可以被均匀的安装在动态标定装置的机匣上。另外，实测叶尖振动幅值可以通过光纤测振幅探头63传送至旋转叶片振动测试系统，而实测应变值可以通过一滑环引电器传送至动应力测试设备。

此外，本公开中所述数据处理装置可以分别从静态标定装置中的处理单元、动态标定装置中的旋转叶片振动测试系统和动应力测试设备中获取叶尖振动幅值与应变值之间的关系、实测叶尖振动幅值和实测应变值，并进而计算出旋转叶片振动测试的精度。另外，该数据处理装置可以是任何带有数据处理功能的装置，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。