CN111551138B - 一种利用涡轮叶片和机匣辐射信号差异测量叶片径向应变方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种利用涡轮叶片和机匣辐射信号差异测量叶片径向应变方法，属于航空发动机测量技术领域。通过安装在机匣上一个采集辐射信息的光学探头和转轴端部的转速同步传感器采集叶片转速信息和辐射信息，根据光学探头经过叶片和机匣壁时接收到的光强会发生明显变化的原理判定叶尖伸长量。驱动伺服电机带动探头不断向外拔出，将每次采集的辐射信号与前一次采集的波形比较，根据叶片辐射高脉冲信号的消失时刻判定叶尖位置，计算叶片伸长，代入应变测量公式，计算叶片纵向应变。将其与转速同步信号结合，进行叶片应变索引，将其与计算得到的应变值进行空间映射，得到一圈叶片的应变情况。

Description

一种利用涡轮叶片和机匣辐射信号差异测量叶片径向应变 方法

技术领域

本发明属于航空发动机测量技术领域，公布了一种针对涡轮叶片径向应变测量的方法。

背景技术

随着航空发动机推重比的不断增加，涡轮进口温度不断攀升，目前涡轮叶片进口温度最高达到2000～2250K。承受着高温度、高转速、复杂气动激振力和较大离心载荷复合作用的航空发动机涡轮叶片,容易发生断裂故障,从而导致发动机和飞机严重事故。随着低循环疲劳基础试验技术水平的提升,发动机涡轮叶片主要失效模式已由传统的静强度失效转换为高温下的蠕变疲劳失效。在高温高转速的条件下，由于离心力极的作用涡轮叶片易发生蠕变伸长，一旦蠕变缺陷达到某一程度，叶片的疲劳寿命缩短，甚至发生断裂，整个发动机内部都会收到破坏。如果涡轮叶片纵向的蠕变伸长应变长度大于初始长度的0.5％，则确定涡轮叶片已经超出其疲劳寿命。

因此，为了确保涡轮叶片工作在正常的工作状态，必须进行涡轮叶片径向应变测量。为此国内外进行了广泛研究。现有技术中，测量应变的装置基本都是基于将应变计固定于待测物体表面或两端的接触式测量装置。如专利200410002434.1中采用的径向应变测量方法是将叶片尖端与底端固定测量伸长距离，这在高速旋转的涡轮叶片上是无法实施的。遥测或滑环电阻应变仪是应用在实际工况中最广泛的方法，但由于热漂移和仪表附着技术问题，该技术的应用范围被限制在900K左右。而且应变片安装费时费力，工作寿命较短，传感器自身荷重与体积会影响叶片的空气动力学特性等原因，使得该技术的应用受到很大的限制。传统的接触式应变测量方法也都存在引线困难的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是采用光学监测的方法监测涡轮叶片叶尖径向应变，实时分析实际工况下的涡轮叶片的热载荷及振动疲劳状况。测量装置包括一个安装在外机匣上带有精密私伺服电机控制伸缩功能的用于收集辐射信号的光学探头、安装在转轴端部的转速同步传感器、光电转换模块、放大滤波模块及数据采集与处理模块。采用光学探头深入机匣实时采集辐射信息，经光纤传输至光电传感器转换成电信号并进行后续数据处理，结合转速同步传感器的输出信号，得到涡轮叶片叶尖径向应变信息。

本发明所要实现的径向应变测量原理为：涡轮叶片在高温燃气的冲击下高速旋转，安装在机匣上的光学探头接收来自旋转叶片的热辐射，由于转子叶片间的温度比叶片温度低，每当光学探头采集到的光强会发生明显变化，探测器得到一组随时间变化的均匀脉冲波形，如图2所示。一旦探针前端离开叶尖，反射镜正对的是温度较低的机匣壁，原来的叶片高电平辐射信号变为了机匣壁的低电平信号，由此判断叶片径向伸长量。

当探针从叶根向外拔出的过程中，到探头前端正对叶尖时，采集到的依然是一组随时间变化的均匀脉冲波形，在探针继续向外拔出的过程中，由于各个叶片纵向伸长量不一样，没有产生应变的叶片或者应变较小的叶片发出的辐射信号将不会被采集到，信号显示为机匣壁的低电平，而应变较大的涡轮叶片辐射信号依然能被探头捕捉到，显示为高脉冲信号，如图3所示。因此，显示为高脉冲信号所代表的涡轮叶片就是存在径向应变的叶片。而叶片的顺序及索引可以根据转速同步信号判定。当探头从叶尖不断向外拔出的过程中，高脉冲信号不断消失，将此时波形与上一次波形比较，就能知道哪一个叶片在上一次采集过程中是叶尖位置，如图4所示，记录下当时安装探针在机匣上的法兰盘到探针后端的距离Li，将这个距离与探针伸到叶位置时法兰盘到探针后端的距离L做差值，再减去叶片原长L0，计算叶片发生蠕变的伸长距离。当探头拔出到当探头完全探测不到叶片表面时，即探头完全暴露在燃气环境中，前端反射镜正对机匣壁，此时采集到的辐射信号只有图1的低脉冲部分，如图5所示。最后，将叶片伸长距离代入应变计算公式，得到叶尖应变情况。

因而本发明技术方案为：一种利用涡轮叶片和机匣辐射信号差异测量叶片径向应变方法，该方法包括：

步骤1：静止状态下测量出涡轮叶片叶根到叶尖的原始长度；

步骤2：待涡轮工作稳定，采用探头采集涡轮叶片叶根位置处的辐射信号，并记录此时探头位置为初始位置；

步骤3：沿涡轮叶片径向方向向外移动探头，将探头移动靠近至按涡轮叶片原始长度计算的叶尖位置，采集涡轮叶片旋转一周的辐射信号，确定出辐射信号中每个峰值对应的涡轮叶片；

步骤4：将探头沿涡轮叶片径向方向向外移动一个步长，采集涡轮叶片旋转一周的辐射信号，确定出此时辐射信号中每个峰值与上一次辐射信号的每个峰值的对应关系，确定出是否有丢失的峰值；若有，执行步骤5，若没有，重复执行步骤4；

步骤5：确定出该丢失峰值对应的涡轮叶片，认为此时探头所处的位置为该丢失峰值的涡轮叶片的叶尖位置，根据探头的初始位置和涡轮叶片原始长度计算出该涡轮叶片的应变，然后重新执行步骤4，直到采集的辐射信号上不存在峰值，结束此次信号采集。

进一步的，步骤2中采样率大于160Khz，步骤3的具体方法：

步骤3.1：对采集到的信号进行傅里叶变化，首先滤除小于350Hz的信号，再滤除大于13Khz的信号，最后采用幅度阈值计算出大于阈值的波峰所在位置区间；

步骤3.2：在步骤3.1得到的区间内计算每一个辐射电压减去该辐射电压值往前的第三个辐射电压后再除以这两个辐射电压的采样时间间隔，得到曲线斜率，若斜率大于设定的阈值0.5，认定此处为一个峰值；

步骤3.3：涡轮每转一圈获得一个转速同步信号，计算转速同步信号的两个脉冲之间的时间间隔，除以叶片个数，为每个叶片信号对应的时间间隔；在得到峰值后，用每一个峰值对应的时间减去上一个转速同步信号脉冲的时间，再除以每个叶片信号对应的时间间隔值，得到对应叶片的编号。

本发明采用一个光学探头深入机匣，测量涡轮叶片叶尖辐射及燃气辐射脉冲波形，由于机匣壁温度与叶片温度存在明显差异，据此来分离叶片信息，将叶片发生应变前的距离与应变后的距离代入应变公式，计算出涡轮叶片纵向应变值。并根据每次采集过程的低脉冲信号差异和转速同步信号相结合得到针对不同叶片的应变情况。

附图说明

图1为应变测量装置示意图。

图2为探头采集到叶根到叶尖位置时的辐射信号图。

图3为探头在原叶尖位置后采集到的叶片发生纵向应变时的辐射信号图。

图4电机在图3采集信号后驱动到下一位置时的辐射信号图。

图5探头在全燃气环境中的辐射信号图。

具体实施方式

参见附图1，本发明的测量装置包括一个安装在外机匣1上用于收集辐射信号的光学探头4、用于驱动探头径向伸缩的精密私伺服电机5、用于固定探头与机匣的法兰盘3、安装在法兰盘和探头后端6之间的自动测距仪器9、安装在转轴端部的转速同步传感器2、光电转换模块10、放大滤波模块11及数据采集与处理模块12及上位机13。高速旋转的叶片8发出的热辐射进入光学探头，一系列光学组件收集辐射信息，再用光纤7将信号导出，避免高温对传感器的影响，经光电传感器将光信号转化为电信号，进入后续数据处理模块输出叶片径向应变信息。

首先，将精密伺服电机与探头固定，并通过法兰盘安装在机匣上。在探头后端与法兰盘中间固定自动测距仪器，可以随着探头伸缩不断测量此时法兰到探头后端的距离。驱动探头向前伸缩至叶根位置，测量法兰盘到探头后端的距离L。

电机控制探头匀速向外拔出至涡轮叶片未发生应变时的原叶尖位置，采集周向的叶片辐射信号。探头向外拔出的过程中，涡轮叶片高速旋转，叶片间隙温度会比叶片本身温度高，因此此时采集到的信号应该为高低电平不断间隔的脉冲信号如图2所示。其中14为转速同步信号，用于叶片定位，两个转速信号之间即为探头采集到的一圈叶片与间隙辐射信号15。为排除测试过程中发动机中干扰信号对辐射信号的影响和峰值的判断，采用快速傅里叶变换(FFT)对采集信号进行频谱分析，得到叶片和燃气等噪声对应的信号频率。由于各类噪声由于自身特性存在频率差异，根据这个原理区分各个频率值。再采用巴特沃斯滤波器，将噪声频率值设置为滤波器的截止频率，对采集到的辐射信号进行噪声滤波。发动机中噪声信号分为几种：固有噪声、内噪声以及燃气和未燃烧完全的煤烟颗粒等造成的噪声。

判断低频噪声的频谱。涡轮发动机工频干扰是在50hz左右，但在5O～350Hz频带围内具有高噪声能量，因此在350Hz以前的信号是低频噪声。采用巴特沃斯高通滤波器，将低频噪声滤除。

计算高频噪声的频谱，涡轮在最佳工况下，发动机采集信号是变化缓慢的低频信号，而燃气和煤烟颗粒等噪声信号则通常表现为高频信号。高压涡轮采集到的温度反映的频率约为13Khz，低压涡轮约为10Khz。因此高于13Khz的都是来自发动机内部的噪声信号。如何区分信号频率和噪声频率，根据信号频率和噪声频率的幅度阈值来进行判别，因为信号幅值较之于噪声幅值是偏大的，根据幅度阈值差别区分信号和燃气高频噪声。接下里采用巴特沃斯低通滤波器将高频噪声滤除。

经过以上的噪声分析和滤波操作，得到完全代表叶片信号的波形图。

为识别叶片的峰值，采用斜率法判定峰值位置；某型发动机涡轮一圈一共有80个叶片，涡轮按照10000r/min的转速旋转，采样频率的数值为160Khz。将滤波后的每一个(第N个)辐射电压值减去第N-3个采集电压值，除以两点(3个采样点)的采集时间间隔，得到曲线斜率，若斜率大于设定的阈值0.5，认定此处为一个峰值，即叶片的高电平辐射信号，若斜率小于这个阈值，则认为是机匣壁的低电平辐射信号。

为了将得到的峰值和叶片进行对应，计算转速同步信号的两个脉冲之间的时间间隔，除以叶片个数，为每个叶片信号对应的时间间隔。在得到峰值时，用横坐标的时间减去上一个转速同步信号脉冲的时间，再除以每个叶片信号对应的时间间隔值，得到距离上次转速同步脉冲的叶片个数。由于转速同步信号对应一个特定的叶片，从这个特定叶片向后数计算得到的叶片个数即为对应的峰值叶片。

从原叶尖位置开始，驱动电机以最小分辨率0.01mm向后拔出，每转动一次，驱动电机停止0.5S，采集辐射信号并记录侧距仪示数Li，采集结束驱动电机继续向后转动，运动到下一个0.01mm处采集，每隔0.01mm采集一次辐射信号，即应变测量分辨率为0，01mm。如图3所示，低电平即为叶间辐射信号，高脉冲信号为发生纵向应变的叶片辐射信号。16-23为发生纵向应变的涡轮叶片的辐射脉冲信号。

驱动电机继续后退至下一个0.01mm，测量辐射信号，如图4所示。应变较小的叶片辐射信号不能被探头接收到，此时探头前端正对温度较低的机匣壁，应变较大的仍然保持原位。将其与上一次采集到的信号比较，那些消失的低脉冲信号24-27即为上一个0.01mm处的叶尖信号，将上一次测量的距离Li与探头处于叶根位置时法兰盘到探头后端的距离L及叶片原长L0代入到应变测量公式中，

得到涡轮叶片叶尖应变值。结合转速同步信号，将应变值与真实叶片进行映射。驱动电机不断后退，将每次采集信号与前一次采集的辐射信号进行比较，结合两个距离Li和L，得到所有的涡轮叶片径向应变信息。

随着探头不断拔出，当检测到的辐射信号中高脉冲信号全部消失时，代表探头进入全燃气环境，采集机匣壁的辐射信号，如图5所示，采集到的辐射信号全为机匣壁的低电平，而它所对应的上一状态应即是为产生最大径向应变的涡轮叶片发出的辐射信号。驱动电机全速退出燃烧室，保护探头前端及光学镜片，采集结束。

Claims (2)

1.一种利用涡轮叶片和机匣辐射信号差异测量叶片径向应变方法，该方法包括：

步骤1：静止状态下测量出涡轮叶片叶根到叶尖的原始长度；

步骤2：待涡轮工作稳定，采用探头采集涡轮叶片叶根位置处的辐射信号，并记录此时探头位置为初始位置；

步骤3：沿涡轮叶片径向方向向外移动探头，将探头移动靠近至按涡轮叶片原始长度计算的叶尖位置，采集涡轮叶片旋转一周的辐射信号，确定出辐射信号中每个峰值对应的涡轮叶片；

步骤4：将探头沿涡轮叶片径向方向向外移动一个步长，采集涡轮叶片旋转一周的辐射信号，确定出此时辐射信号中每个峰值与上一次辐射信号的每个峰值的对应关系，确定出是否有丢失峰值；若有，执行步骤5，若没有，重复执行步骤4；

步骤5：确定出该丢失峰值对应的涡轮叶片，认为上一个步长处探头所处的位置为该丢失峰值的涡轮叶片的叶尖位置，根据探头的初始位置和涡轮叶片原始长度计算出该涡轮叶片的应变，然后重新执行步骤4，直到采集的辐射信号上不存在峰值，结束此次信号采集。

2.如权利要求1所述的一种利用涡轮叶片和机匣辐射信号差异测量叶片径向应变方法,其特征在于步骤2中采样率大于160Khz，步骤3的具体方法：

步骤3.1：对采集到的信号进行傅里叶变化，首先滤除小于350Hz的信号，再滤除大于13Khz的信号，最后采用幅度阈值计算出大于阈值的波峰所在位置区间；

步骤3.2：在步骤3.1得到的区间内计算每一个辐射电压减去该辐射电压值往前的第三个辐射电压后再除以这两个辐射电压的采样时间间隔，得到曲线斜率，若斜率大于设定的阈值0.5，认定此处为一个峰值；

步骤3.3：涡轮每转一圈获得一个转速同步信号，计算转速同步信号的两个脉冲之间的时间间隔，除以叶片个数，为每个叶片信号对应的时间间隔；在得到峰值后，用每一个峰值对应的时间减去上一个转速同步信号脉冲的时间，再除以每个叶片信号对应的时间间隔值，得到对应叶片的编号。

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