基于电涡流技术的叶尖间隙及定时测量研究

透平机械叶尖间隙以及叶片的振动幅值是表征叶片健康状况以及进行叶片故障预测的重要参数。本文提出一种基于电涡流传感技术的叶尖间隙及振动幅值测量的方法,该方法利用电磁感应原理,通过测试标定获取输出电压信号与叶尖间隙变化的关系,提出在欠采样情况下叶顶间隙的获取方法。运用高速采集装置进行叶尖定时信号采集,获取叶片达到传感器的时间;随后结合电涡流叶尖间隙及定时分析算法对测试信号进行后处理计算,可得到旋转机械在运行状态下的叶尖间隙及叶片振动参数。在搭建的模拟实验台上进行不同运行转速下的测试实验,结果表明该测量方法可以准确获取叶尖间隙值及叶片振动位移值,相较于传统的电容技术及光纤技术具有更强的抗环境干扰能力,适合执行长期的状态监测任务,有较高的工程实践价值。     

旋转叶片振动测量传感器的设计

叶片振动测量对汽轮机设计和安全监测非常重要，光纤传感器的出现为实时精确测量高速旋转叶片振动提供了可靠的保证，本研究描述了基于光纤传感技术的叶尖定时传感器的工作原理、设计及其性能。     

电涡流位移传感器测量模型及其在叶尖间隙测量中的空间滤波效应

基于电涡流位移传感器测量原理,建立叶尖间隙的有限元模型.根据涡轮发动机等旋转叶片设备叶尖间隙的结构特征与测量需要,建立了具有矢量特性的叶片点阵模型.分析叶片厚度、叶片转速、传感器敏感区大小、信号采样速率引起的空间滤波效应,以及对叶尖间隙测量结果的影响.研究结果表明,一定叶片厚度情况下,叶片转速、传感器敏感区、信号采样速率存在最低要求,这一结论可为叶尖间隙测量系统设计提供重要理论依据.     

叶尖间隙对风机噪声影响的试验研究

本文通过对轴流风机在不同叶尖间隙下进行的试验研究,探讨了叶尖间隙对风机噪声的影响,进而研究在叶片外缘加旋转环控制间隙涡流的效果,结果表明,相同间隙条件加环风机与不加环风机相比噪声降低,性能改善。     

基于叶尖定时单参数法的叶片共振倍频数辨识

针对传统基于叶尖定时的单参数法无法实现叶片共振倍频数测量的缺点,分析了该方法无法实现叶片共振倍频数辨识的原因,在此基础上,研究了一种利用多只传感器的叶尖定时数据实现叶片共振倍频数测量的方法.通过分析振动相位信息实现叶片共振倍频数辨识,并对传感器安装角度进行了优化.所提算法在叶尖定时测量系统定时精度较高时,采用2只传感器即可实现转动叶片共振倍频数测量;在定时精度较低的情况下,采用3只传感器可实现叶片振动倍频数准确辨识.利用叶尖定时系统对实际高速转子叶片进行叶尖定时测量实验,并利用所提算法对叶片共振倍频数进行辨识,实验结果证明了理论分析的正确性与所提方法的有效性.     

航空发动机叶尖间隙光学影像测量系统

叶尖间隙是影响航空发动机性能的最重要参数之一。国内外大多采用人工塞尺和传感器电路测量航空发动机装配过程中的叶尖间隙,存在测量精度不够高、数据不易保存、操作较复杂等问题。将CCD三维重建技术、自动聚焦光学影像测量技术以及Sobel边缘检测算法应用于叶尖间隙实时测量,可减少人为测量误差。实验结果表明该法测量精度达到了0.02 mm,且提高了测量装置的自动化程度。     

转子涡动对涡轮叶片非接触式应力测量精度的影响研究

利用叶尖计时（BTT）技术进行涡轮叶片健康监测时，为了获得叶片的真实应力状态和保证测量的高精度要求，本文考虑了转子涡动对叶片非接触式应力测量（NSMS）精度的影响。首先推导了考虑转子涡动的叶片振动提取算法;并通过建立叶片振动有限元模型，模拟了转子不平衡作用下叶片-转子系统的动力学性能。通过对比考虑涡动和不考虑涡动两种算法提取的叶片振动，得到：不考虑转子涡动时，叶尖振动位移幅值为10μm，速度幅值为1.5 m/s考虑涡动时，叶尖振动位移幅值为6μm，速度幅值为1 m/s。结果表明：不考虑转子涡动时，得到的叶尖振动将会偏大，进而使得计算应力大于实际值，不能表达叶片运转过程中的真实应力状态。本文的研究可为提高涡轮叶片NSMS精度提供依据。     

差动式光纤传感器在叶尖间隙测量中的应用

分析了涡轮发动机叶尖径向间隙变化对发动机性能的影响。根据叶尖间隙传感器的使用要求和应用环境：设计了差动式光纤位移传感器进行间隙测量，它采用单光纤传光，两组光纤束接收散射光的结构形式。该传感器能有效消除被测叶片叶尖表面反射率、光源波动等对测量结果的影响。     

叶尖间隙对民用大涵道比跨音速压气机性能的影响

以某民用大涵道比涡扇发动机高压压气机进口级为研究对象,数值研究了叶尖间隙对进口级高负荷跨音速转子叶片气动性能的影响。数值结果表明：随着叶尖间隙值增加,流量-压比与流量-效率特性线向左下方偏移,最大流量、最高压比、峰值效率逐渐降低;存在间隙对该跨音转子性能影响不敏感的范围值0mm~0.3mm;当间隙值大于0.3mm,最大流量的减小与间隙的增大呈现出近似的线性关系,最高压比和峰值效率急剧下降;间隙从0.3mm增加至1.0mm,转子总压损失增大了41%;叶尖泄漏流与通道激波相互作用,泄漏流穿过激波后在叶片压力面侧形成较大的高熵值损失区域,当叶尖间隙增大到1.0mm,泄漏流平行额线方向流动,使得贴近前缘的激波变得不明显;叶尖泄漏流对叶片通道主流的影响集中在叶高80%以上区域。     

风扇叶片外物撞击监测识别试验

为开展基于非接触叶尖振动测量的风扇叶片外物撞击监测识别技术研究,设计搭建了风扇叶片外物撞击监测识别试验平台,开展了不同弹体质量、发射速度、风扇转速等工况下的外物撞击试验.利用高速摄像机对外物撞击识别结果进行了检验,初步给出了外物撞击判定准则.分析了不同弹体质量、转速条件下系统识别准确率的差异,以及不同撞击因素与叶尖振动之间的定性规律.分析得出:外物撞击监测识别系统能够准确识别出撞击事件以及撞击叶片编号;风扇转速在1 800～4 000 r/min范围内,当弹体质量大于2.90 g时,系统的识别准确率达到了100％,这为后续建立外物撞击智能监测识别方法提供了重要的试验数据和依据.     

基于光纤技术的叶端定时传感器

叶端定时测量是一种新型的在线实时测量叶片振动的有效方法，激光光纤叶端定时传感器是整个测试系统设计的关键，该文研究了叶端定时测量方法，并对应用于高速旋转汽轮机叶片振动在线实时监测的光叶端定时传感器进行了设计研究和试验，研究了一个具有高分辨、大频宽和高信噪比的激光光纤传感器的设计方案，并且得到了实验室验证。     

柔性旋转带冠叶片的非线性动力学特征

本文研究柔性旋转带冠叶片的接触振动问题．应用Frobenius方法计算旋转带冠叶片横向振动的动频和模态函数,并给出了模态函数正交性的证明．提出了利用叶片的弯曲动刚度描述的等效接触刚度来确定相邻旋转叶片接触刚度的方法,在此基础上,采用Galerkin截断将叶片的偏微分运动微分方程离散为常微分方程描述的旋转带冠叶片的分段线性动力系统．然后应用平均法,计算了旋转带冠叶片在尾流激励下的主共振响应,并分析当相邻叶冠间隙、尾流激励力幅值、叶片厚度和长度作为可调参数时系统的动力学响应与非线性行为,揭示了旋转带冠叶片的碰撞振动机理以及叶冠结构参数与叶片振动抑制之间的关系．     

带锯条掉齿前后横向振动位移及主频率变化规律

以MJ345A型木工带锯机为研究对象,在空载下利用振动分析仪和振动信号采集、处理、分析软件对带锯条的横向振动进行测试及信号采集,通过锯条横向振动位移、自功率谱分析,找出不同条件下锯条振动位移和主振型频率的变化规律.通过正交试验分析可知:锯轮主轴转速是对锯条横向振动位移影响最为显著的因素,其次为锯条张紧力,皮带张紧力为不明显因素.对带锯条掉齿前后的分析表明:如果测定带锯条横向振动位移范围在0.56~0.68μm,振动主频率范围在450~465 Hz,则说明锯条已经产生至少2个掉齿,为保证带锯机锯切安全及锯切质量需要及时更换新的带锯条;明确了带锯条掉齿前后横向振动位移、频率的变化规律.研究结果可为实际生产中充分合理利用带锯条,防止加工质量严重下降和危害人身安全事故的发生,适时更换锯条提供前期试验基础和判断的初步依据.     

覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性及其影响因素分析

为探究覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性,分析温度、湿度、风速、运行时间四个因素对覆冰叶片振动特性的影响,以1:12.5建立的实体风力机模型为研究对象,搭建旋转风力机叶片覆冰振动测试试验台,设计四因素三水平正交试验,采用环境激励(风激励)和多点拾振的方法进行模态测试。试验研究了不同覆冰状态下旋转风力机叶片的振动特性及其变化规律;以最大振动频率为评价指标,分析四个因素对覆冰风力机叶片振动特性的影响。结果表明:相同覆冰条件下,覆冰厚度不变,旋转风力机叶片振动频率由叶尖至叶根逐渐减小;覆冰位置不变,覆冰厚度增加,旋转风力机叶片振动频率逐渐降低;旋转风力机叶片运行环境温度和湿度变化对其振动频率的影响较大。为进一步分析覆冰条件下旋转风力机叶片的位移响应和振型变化,建立了风力机三维模型,利用ANSYS软件对其进行谐响应分析,分析结果显示不同覆冰状态下叶片振型变化无明显差异,覆冰厚度增加,叶片位移响应值明显增大。研究结果可为覆冰条件下风力机运维策略选择及叶片覆冰安全监测提供理论参考。     

阻尼叶片振动特性的优化研究

为了把“接触器端面正压力存在一个可使得响应最小的最佳值“的理论变为实际可行的操作,通过将最优化理论与阻尼叶片动力特性计算相结合,运用鲍威尔惩罚函数法,以系统在不同激振频率下叶顶响应位移的最大值为目标函数,通过调整相邻阻尼器之间的间隙和安装位置,以及阻尼器的结构尺寸如直径、厚度、宽度和位置等系统结构参数,使系统具有优良的动力特性,并结合某厂的900等级叶片进行了具体的优化研究。研究结果表明,优化后叶片振动响应从0．3631mm降低到0.0857mm,,使叶片获得了最优的振动特性,提高了振动安全性。     

喷射或抽取气流抑制叶顶密封气流激振的实验研究

针对汽轮机叶片振动导致叶片断裂的问题,提出用喷射或抽取气流的方法来抑制叶顶密封气流激振。在叶片顶部密封装置上设计了带倾角的气流口,用于喷射和抽取气流。实验研究了在叶片顶部喷射或抽取气流对叶片振动的影响。当倾角小于30°时,在叶片顶部喷射气流加剧叶片振动;当倾角大于40°时,喷射气流明显地抑制了叶片振动,叶片振动量随着喷气压力的增加而减小,最低可减至初始振动量的81%。从叶片顶部抽取气流能够减小叶片振动10%以上;对于普通叶片,当抽气口采用正倾角时抽取气流抑制叶片振动的能力比采用负倾角时大;对于带冠叶片,抽取气流抑制叶片振动效果更好,减振能力可达23%,且叶冠宽度较大时减振效果更稳定。     

双叉式叶尖结构对风力机气动噪声的影响

为降低风力机的气动噪声,提出一种用于小型风力机的双叉式叶尖结构改型设计方案,在风洞实验室开展了风力机外特性测试与气动噪声试验.试验结果表明:双叉式叶尖结构在3～9m/s的低风速段和中风速段能提高风力机的输出功率;双叉式叶尖结构可降低风力机风轮旋转基频所对应的最大声压级与叶尖涡脱落频率所对应的声压级.由此可知双叉式叶尖结构能有效降低风力机的气动噪声,其中叶尖夹角为90°的双叉式叶尖结构降噪性能最优.     

MW级复合材料风电叶片的振动特性与应力分布

针对目前风电叶片有限元模型存在铺层不合理的问题,以某1.5 MW风电叶片为研究对象,利用Solidworks软件生成叶片三维模型;再将其导入大型有限元软件Abaqus中,按照叶片铺层理论进行分区域铺层,生成叶片有限元模型,使其更接近叶片的真实铺层状况;在有限元数值计算中,分析了叶片的振动特性以及在50 m/s的极限风速下的应力分布特征.结果表明,叶片模型在模态、强度、刚度三个方面均满足设计要求,叶片的危险截面位于距叶尖约13处,应力主要分布于叶片展向的13~23处,且主要承载结构为主梁和腹板.