CN120800814A - 多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法及系统 - Google Patents
多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法及系统Info
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Abstract
本发明涉及燃气涡轮类发动机压气机试验领域，公开了多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法及系统，通过动态压力测试获取不稳定气动扰动产生的气流激励频率和周向模态阶数，获取引发叶片非整阶次振动的周向不稳定流动模态特征；通过叶片振动动态测试获取叶片振动频率和节径，将两个物理场的测试参数进行综合处理，实现对叶片非整阶次振动的判断。本发明能够有效辨识叶片非整阶次振动的发生，可用于航空发动机压气机叶片的非整阶次振动的测试和相关叶片振动失效故障的机理分析，对提高航空发动机压气机的整体安全性和可靠性具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及燃气涡轮类发动机压气机试验领域，公开了多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法及系统。
背景技术
高性能航空发动机对推重比和耗油率等设计指标提出越来越高的要求，效率更高、更轻量化材料的压气机成为先进航空发动机的主流选择。气动设计上压气机部件的单级气动负荷不断提高，结构上普遍采用轻质的整体叶盘和整体叶环形式的结构设计，同时进一步缩短压气机级间的周向距离，这些设计措施可有效降低压气机部件的重量，减小流动损失，提高了压气机的气动效率。
在压气机结构设计方面，越来越多地采用整体叶盘结构。整体叶盘结构可有效降低传统盘片分离结构榫根与盘之间气流泄漏造成的流动损失。同时，由于盘和叶片为一体化整体结构，叶根区域承受的应力水平更低。
但是，由于整体叶盘的结构阻尼相对较小，在压气机气动负荷部件增加的情况下使得叶片受的非定常气动力不断增强，叶片具有较小的结构阻尼却承受更大的交变载荷，叶片越来越多的遭遇非整阶次振动导致的高周疲劳问题。
航空发动机压气机叶片的非整阶次振动是典型的流固耦合问题，涉及流体、固体、传热等多个物理场。目前对压气机叶片非整阶次振动的产生机制并不完全清楚，尚无相关的试验测试方法。
发明内容
本发明的目的在于提供多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法及系统，能够有效辨识叶片非整阶次振动的发生。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法，包括：
获取压气机试验工况条件下的转子叶片在多个振型下的振动频率、节径、转子叶片叶尖气流扰动的气流激励频率和周向模态阶数；
计算每个振型下所述气流激励频率与所述振动频率的和或差绝对值与压气机转频的比值，并取整；
若对应振型下至少一个取整后的比值等于周向模态阶数，且周向模态阶数与节径的和或差绝对值为转子叶片数量的整数倍，则判定对应振型下转子叶片发生非整阶次振动。
进一步地，采用BTT传感器获取压气机试验工况条件下转子叶片的不同振型下的节径，其中BTT传感器的轴向位置位于靠近转子叶片叶尖前缘位置。
进一步地，所述BTT传感器的采样频率高于100kHz，且所述BTT传感器头部距压气机机匣内壁面0.5～2mm。
进一步地，采用贴应变片的方式获取压气机试验工况条件下叶片在对应振型下的振动频率，应变片的采样频率大于25kHz。
进一步地，压气机转频=n/60，其中n为压气机试验工况条件下的转速。
为实现上述技术效果，本发明还提供了多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析系统，包括：
数据采集模块，用于获取压气机试验工况条件下的转子叶片在多个振型下的振动频率、节径、转子叶片叶尖气流扰动的气流激励频率和周向模态阶数；
数据分析模块，用于计算每个振型下所述气流激励频率与所述振动频率的和或差绝对值与压气机转频的比值，并取整；
非整阶次振动判断模块，用于在对应振型下至少一个取整后的比值等于周向模态阶数，且周向模态阶数与节径的和或差绝对值为转子叶片数量的整数倍时，判定对应振型下转子叶片发生非整阶次振动。
进一步地，所述数据采集模块采用BTT传感器获取压气机试验工况条件下转子叶片的不同振型下的节径，其中BTT传感器的轴向位置位于靠近转子叶片叶尖前缘位置。
进一步地，所述数据采集模块中，所述BTT传感器的采样频率高于100kHz，且所述BTT传感器头部距压气机机匣内壁面0.5～2mm。
进一步地，所述数据采集模块中，采用贴应变片的方式获取压气机试验工况条件下叶片载对应振型下的振动频率，应变片的采样频率大于25kHz。
进一步地，所述数据分析模块中，压气机转频=n/60，其中n为压气机试验工况条件下的转速。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明通过动态压力测试获取不稳定气动扰动产生的气流激励频率和周向模态阶数，获取引发叶片非整阶次振动的周向不稳定流动模态特征；通过叶片振动动态测试获取叶片振动频率和节径，将两个物理场的测试参数进行综合处理，实现对叶片非整阶次振动的判断，能够有效辨识叶片非整阶次振动的发生，可用于航空发动机压气机叶片的非整阶次振动的测试和相关叶片振动失效故障的机理分析，对提高航空发动机压气机的整体安全性和可靠性具有重要的意义。
附图说明
图1为实施例1或2中多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法流程图；
图2为实施例1中多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析系统结构框图；
其中，1、数据采集模块；2、数据分析模块；3、非整阶次振动判断模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
参见图1和图2，多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法，包括：
获取压气机试验工况条件下的转子叶片在多个振型下的振动频率、节径、转子叶片叶尖气流扰动的气流激励频率和周向模态阶数；
计算每个振型下所述气流激励频率与所述振动频率的和或差绝对值与压气机转频的比值，并取整；
若对应振型下至少一个取整后的比值等于周向模态阶数，且周向模态阶数与节径的和或差绝对值为转子叶片数量的整数倍，则判定对应振型下转子叶片发生非整阶次振动。
在本实施例中，通过动态压力测试获取不稳定气动扰动产生的气流激励频率和周向模态阶数，获取引发叶片非整阶次振动的周向不稳定流动模态特征；通过叶片振动动态测试获取叶片振动频率和节径，将两个物理场的测试参数进行综合处理，实现对叶片非整阶次振动的判断，能够有效辨识叶片非整阶次振动的发生，可用于航空发动机压气机叶片的非整阶次振动的测试和相关叶片振动失效故障的机理分析，对提高航空发动机压气机的整体安全性和可靠性具有重要的意义。
基于相同的发明构思，本实施例还提供了多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析系统，包括：
数据采集模块1，用于获取压气机试验工况条件下的转子叶片在多个振型下的振动频率、节径、转子叶片叶尖气流扰动的气流激励频率和周向模态阶数；
数据分析模块2，用于计算每个振型下所述气流激励频率与所述振动频率的和或差绝对值与压气机转频的比值，并取整；
非整阶次振动判断模块3，用于在对应振型下至少一个取整后的比值等于周向模态阶数，且周向模态阶数与节径的和或差绝对值为转子叶片数量的整数倍时，判定对应振型下转子叶片发生非整阶次振动。
实施例2
参见图1，多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法，包括：
步骤一、获取压气机试验工况条件下的转子叶片在多个振型下的振动频率、节径、转子叶片叶尖气流扰动的气流激励频率和周向模态阶数；
本实施例中，采用BTT传感器获取压气机试验工况条件下转子叶片的不同振型下的节径，其中BTT传感器的轴向位置位于靠近转子叶片叶尖前缘位置，所述BTT传感器的采样频率高于100kHz。对BTT传感器进行安装时，需确保光纤传感器头部距机匣内壁面回缩0.5～2mm，避免试验时光纤传感器头部与转子叶尖发生碰磨。
本实施例中，采用贴应变片的方式对可能存在危险共振的模态振动进行监测，应变片的采样频率一般高于25kHz，获取压气机试验工况条件下叶片载对应振型下的振动频率。
本实施例中，根据转子叶片数，确定动态压力测试阵列的周向布局和数量。若动态压力测试阵列数量足够，则动态压力测试阵列周向均布，数量保证在转子叶片数的2倍以上；若动态压力测试阵列数量不足，可采用压缩感知的采样方法布置动态压力测试阵列的周向位置。确定了动态压力测试阵列的布局后，对动态压力测试阵列进行安装，获取转子叶片叶尖气流扰动的气流激励频率fstat和周向模态阶数AWN等信息，动态压力测试阵列的采样频率一般高于50kHz。通过动态压力测试阵列数据的傅里叶变换获取气流激励频率，周向模态阶数通过空间傅里叶变换获取。
步骤二、计算每个振型下所述气流激励频率与所述振动频率的和或差绝对值与压气机转频的比值，并取整；
本实施例中，对应振型下所述气流激励频率与所述振动频率的和或差绝对值与压气机转频的比值取整后的特征值，其中为所述气流激励频率，为所述振动频率，为压气机转频，=n/60，其中n为压气机试验工况条件下的转速，为取整函数符号。
步骤三、若对应振型下至少一个取整后的比值等于周向模态阶数，且周向模态阶数与节径的和或差绝对值为转子叶片数量的整数倍，则判定对应振型下转子叶片发生非整阶次振动。
若周向模态阶数与对应振型下的其中一个值相等，且，则判断转子叶片在对应振型下发生非整阶次振动；其中为整数，为转子叶片数量，为节径。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法，其特征在于，包括：
获取压气机试验工况条件下的转子叶片在多个振型下的振动频率、节径、转子叶片叶尖气流扰动的气流激励频率和周向模态阶数；
计算每个振型下所述气流激励频率与所述振动频率的和或差绝对值与压气机转频的比值，并取整；
若对应振型下至少一个取整后的比值等于周向模态阶数，且周向模态阶数与节径的和或差绝对值为转子叶片数量的整数倍，则判定对应振型下转子叶片发生非整阶次振动。
2.根据权利要求1所述的多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法，其特征在于，采用BTT传感器获取压气机试验工况条件下转子叶片的不同振型下的节径，其中BTT传感器的轴向位置位于靠近转子叶片叶尖前缘位置。
3.根据权利要求1所述的多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法，其特征在于，所述BTT传感器的采样频率高于100kHz，且所述BTT传感器头部距压气机机匣内壁面0.5～2mm。
4.根据权利要求1所述的多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法，其特征在于，采用贴应变片的方式获取压气机试验工况条件下叶片在对应振型下的振动频率，应变片的采样频率大于25kHz。
5.根据权利要求1所述的多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析方法，其特征在于，压气机转频=n/60，其中n为压气机试验工况条件下的转速。
6.多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于获取压气机试验工况条件下的转子叶片在多个振型下的振动频率、节径、转子叶片叶尖气流扰动的气流激励频率和周向模态阶数；
数据分析模块，用于计算每个振型下所述气流激励频率与所述振动频率的和或差绝对值与压气机转频的比值，并取整；
非整阶次振动判断模块，用于在对应振型下至少一个取整后的比值等于周向模态阶数，且周向模态阶数与节径的和或差绝对值为转子叶片数量的整数倍时，判定对应振型下转子叶片发生非整阶次振动。
7.根据权利要求6所述的多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析系统，其特征在于，所述数据采集模块采用BTT传感器获取压气机试验工况条件下转子叶片的不同振型下的节径，其中BTT传感器的轴向位置位于靠近转子叶片叶尖前缘位置。
8.根据权利要求7所述的多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析系统，其特征在于，所述数据采集模块中，所述BTT传感器的采样频率高于100kHz，且所述BTT传感器头部距压气机机匣内壁面0.5～2mm。
9.根据权利要求6所述的多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析系统，其特征在于，所述数据采集模块中，采用贴应变片的方式获取压气机试验工况条件下叶片在对应振型下的振动频率，应变片的采样频率大于25kHz。
10.根据权利要求6所述的多物理场动态信号的叶片非整阶次振动分析系统，其特征在于，所述数据分析模块中，压气机转频=n/60，其中n为压气机试验工况条件下的转速。
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