CN110470381A - 一种验证叶片同步振动参数辨识算法准确度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种验证叶片同步振动参数辨识算法准确度的方法，步骤如下：叶尖定时传感器测得叶尖定时信号，转速同步传感器测得转速信号，叶尖定时测振***对两路信号进行处理与采集，并上传至上位机；上位机设定同步振动倍频数N，阻尼系数ζ，叶片固有频率f_b和等效静力幅值A₀，并将上述参数传递给振动控制电路模块；激振台按照规律发生振动，并通过刚性连接装置将振动传递给叶尖定时传感器；上位机处理利用叶片同步振动参数辨识算法提取叶片发生同步振动时的振动信息，完成对所采用的叶片同步振动参数辨识算法准确度的验证。

Description

一种验证叶片同步振动参数辨识算法准确度的方法

技术领域

本发明属于旋转叶片非接触振动测量领域，具体涉及一种验证叶片同步振动参数辨识算法准确度的方法。

背景技术

航空发动机是各类军用、民用飞机的“心脏”，动叶片作为发动机做功的核心零部件，其工作状态的参数变化直接影响航空发动机的工作效率和运行安全。航空发动机长期工作在高温、高压和高转速等恶劣工况下，动叶片振动参数的在线测量作为航空发动机健康管理和全寿命状态监测的重要组成部分，是保证航空发动机高效、安全、稳定运行的重要途径。传统叶片状态参数测量方法为接触式测量，如应变片测量法，必须把传感器安装在待测叶片上，费时费力且难以实现所有叶片的监测。近年来国内外大力发展非接触式叶尖定时测振技术，该种测量方法只需将传感器安装在机匣上，通过测量叶片到达传感器的时刻，计算得到叶片振动参数，理论上单支传感器即可对整级所有叶片运行状态进行实时监测，是航空发动机动叶片在机测量的主流发展趋势。

目前，基于叶尖定时原理的非接触式叶片运行状态监测方法，已经被广泛的应用于压气机、涡轮机等台架试验。传感器采集得到的叶尖定时信号包含叶片的振动信息，但由于叶尖定时信号具有欠采样特点，需采用特殊的叶片同步振动参数辨识算法对叶尖定时信号进行分析计算，才能得到叶片的同步共振参数(倍频、幅值、相位、常偏量等)。当前针对叶片同步振动参数辨识方法主要有，自回归法，行列式法，双参数法和基于任意角法。在航空发动机动叶片振动参数监测过程中，动叶片的实际振动参数是一个未知量，目前只能以叶片振动参数理论计算值(如有限元法)与实测的叶片振动参数进行比对，以确定基于叶尖定时原理的叶片振动参数方法辨识精度。由于加工误差、安装误差等原因导致叶片实际运行振动参数与理论计算值并不完全相同，因此采用理论计算值对基于叶尖定时原理的叶片同步振动参数辨识算法的准确度进行验证，缺乏合理性。

针对叶片同步振动参数辨识算法精度验证缺乏有效的技术手段，本发明提供一种验证叶片同步振动参数辨识算法精度的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术手段的不足，提供一种验证叶片同步振动参数辨识算法准确度的方法。本发明利用相对运动关系，将未知的叶片振动转变为可控的传感器振动。通过将激振器与叶尖定时传感器相连接，控制传感器以设定的频率和幅值进行振动，旋转叶片经过振动状态下的叶尖定时传感器时，触发与实际叶片振动具有相同振动特征的叶尖定时信号，利用辨识算法对叶尖定时信号进行辨识，得到振动频率和幅值，将辨识结果与设定的频率和幅值进行比较，从而对叶片同步振动参数辨识算法精度进行验证。本发明的技术方案如下：

一种验证叶片同步振动参数辨识算法准确度的方法，所采用的验证装置包括带有刚性连接装置的激振台、功率放大器、用于控制激振台振动的振动控制电路模块、压电式加速度传感器、用于校准振动参数的振动校准仪和高精度叶尖定时测振***，在发动机机匣位置安装光纤式叶尖定时传感器，在靠近发动机转轴部位固定光纤式转速同步传感器，压电式加速度传感器固定在光纤式转速同步传感器上。其特征在于，一个完整的验证过程的步骤如下：

(1)叶尖定时传感器测得叶尖定时信号，转速同步传感器测得转速信号，叶尖定时测振***对两路信号进行处理与采集，并上传至上位机，上位机分析转速信号，获取转速频率f_v；

(2)上位机设定同步振动倍频数N，阻尼系数叶片固有频率f_b和等效静力幅值A₀，并将上述参数传递给振动控制电路模块；

(3)振动控制电路模块根据步骤2传递的参数，生成振动控制信号y_exci＝A_excisin(2πf_excit)，A_exci为振动幅值和f_exci为振动频率；

(4)功率放大器将振动控制信号y_exci进行功率放大，并发送给激振台，激振台按照规律发生振动，并通过刚性连接装置将振动传递给叶尖定时传感器，叶尖定时传感器以振动幅值A_exci和振动频率f_exci进行振动；

(5)压电式加速度传感器检测叶尖定时传感器的实际振动频率和振动幅值，反馈给振动校准仪，将校正后参数反馈给振动控制电路模块，振动控制电路模块对输出振动控制信号进行微调，以满足设定的振动规律y_exci；

(6)上位机处理利用叶片同步振动参数辨识算法步骤1中获取的叶尖定时信号，提取叶片发生同步振动时的振动信息，包括叶片振动幅值A_alg和振动频率f_alg，将A_alg与步骤2中设定的f_alg与步骤2中设定的f_b进行对比，完成对所采用的叶片同步振动参数辨识算法准确度的验证。

与现有技术相比，本发明技术特点与效果：

(1)本发明提出的验证叶片同步振动辨识算法准确度的方法，相比传统方法，更具有科学性与可靠性，验证结果更具有理论性和说服性。

(2)本发明提供了一种验证叶片同步振动辨识算法准确度的有效手段。

附图说明

图1为本发明所采用验证叶片同步振动参数辨识算法准确度的装置结构示意图，图1中，1为叶尖定时传感器、2为转速同步传感器、3为传感器刚性连接装置、4为激振台、5为功率放大器、6为振动控制电路模块、7为振动校准仪、8为压电式加速度传感器、9为高精度叶尖定时测振***、10为上位机。

图2为本发明所述经过叶尖定时测振***处理后的叶尖定时信号和转速信号示意图，图2中，11为转速信号示意图、12为叶尖定时信号示意图，其中#1-#8表示叶片编号，共有8个叶片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

一种验证叶片同步振动参数辨识算法准确度的方法及装置，见附图1，它包括：叶尖定时传感器1、转速同步传感器2、传感器刚性连接装置3、激振台4、功率放大器5、振动控制电路模块6、振动校准仪7、压电式加速度传感器8、高精度叶尖定时测振***9、上位机10。

转速同步传感器为叶尖定时测振领域中，用于测量发动机转速、识别发动机叶片编号的光纤式传感器。叶尖定时传感器为叶尖定时测振领域中，用于测量发动机叶片到达传感器时刻的传感器，主要类型包括电涡流式叶尖定时传感器，光纤式叶尖定时传感器和电容式叶尖定时传感器。

根据机械振动相关理论知识，叶片振动位移可表示为

其中，A₀为叶片等效的静力幅值，N为同步共振倍频数，w_v为叶片旋转角频率，w_b为叶片固有角频率，θ₀为初相位，c为常偏量，为阻尼系数。

由上述振动位移公式可知，当叶片发生同步共振时，需满足如下条件

Nw_v＝w_b (4)

此时，式2和式3表示为

叶片振动位移公式可简化为

经过上述分析，为实现相对运动下，仿真基于叶尖定时原理的叶片同步振动信号，传感器的振动频率f_exci和振动幅值A_exci必须满足如下关系式

f_exci＝Nf_v (9)

上述装置中，所设计的旋转叶片厚度较大，半径较短，进而可忽略叶片在旋转过程中发生的振动，以叶尖定时传感器的振动代替叶片的振动。

在发动机机匣位置安装光纤式叶尖定时传感器，在靠近发动机转轴部位固定光纤式转速同步传感器。压电式加速度传感器固定在光纤式转速同步传感器上。具体实施步骤如下：

步骤一：

叶尖定时传感器1测得叶尖定时信号，转速同步传感器2测得转速信号。叶尖定时测振***对两路信号进行处理与采集，处理后的叶尖定时信号和转速信号如附图2所示，并上传至上位机10。上位机10分析转速信号，获取叶片实时的转速大小，即转速频率f_v。

步骤二：

上位机设定同步振动倍频数N，阻尼系数叶片固有频率f_b和等效静力幅值A₀，并将上述参数传递给振动控制电路模块6。

步骤三：

振动控制电路模块6获取转速频率f_v，同步振动倍频数N，阻尼系数叶片固有频率f_b和等效静力幅值A₀，根据公式8和公式9生成振动控制信号y_exci＝A_excisin(2πf_excit)。

步骤四：

功率放大器5将振动控制信号y_exci进行功率放大，并发送给激振台4。激振台4按照规律发生振动，并通过刚性连接装置3将振动传递给叶尖定时传感器1。叶尖定时传感器1以振动幅值A_exci和振动频率f_exci进行振动。

步骤五：

由于刚性连接装置3不能将振动信息完全传递给叶尖定时传感器1，传递过程会产生损耗。因此利用压电式加速度传感器8检测叶尖定时传感器1的实际振动频率和振动幅值，反馈给振动校准仪7，将校正后参数反馈给振动控制电路模块6。振动控制电路模块6对输出振动控制信号进行微调，以满足设定的振动规律y_exci。

步骤六：

上位机10通过叶片同步振动参数辨识算法，处理步骤一中获取的叶尖定时信号，提取叶片发生同步振动时的振动信息，包括叶片振动幅值A_alg和振动频率f_alg。将A_alg与步骤二中设定的f_alg与步骤二中设定的f_b进行对比，完成对叶尖定时同步振动参数辨识算法准确度的验证。

一个具体实施例如下。

旋转叶片为典型直板叶片，厚度为3㎜，长度为150㎜，材料为不锈钢。叶尖定时传感器与转速同步传感器均采用光纤式传感器。

上位机设定同步振动倍频数N＝5，阻尼系数叶片固有频率f_b＝500Hz和等效静力幅值A₀＝0.1mm，由理论分析公式9可知，旋转叶片在转速6000r/min时会发生同步共振。

开启旋转叶片转速控制器，使叶片转速从0r/min均速提升到12000r/min。叶尖定时传感器测得叶尖定时信号，转速同步传感器测得转速信号。叶尖定时测振***对两路信号进行处理与采集，并上传至上位机。上位机分析转速信号，获取叶片t时刻的转速大小，即转速频率f_v。

振动控制模块按照设定参数输出振动控制信号y_exci＝A_excisin(2πf_excit)，其中t时刻对应的振动幅值A_exci和振动频率f_exci满足如下关系：

f_exci＝5f_v

按照上述步骤四和步骤五控制叶尖定时传感器发生振动。上位机通过叶片同步振动参数辨识算法，处理上述获取的叶尖定时信号，提取叶片发生同步振动时的振动信息，包括叶片振动幅值A_alg和振动频率f_alg。将A_alg与设定的f_alg与设定的f_b＝500Hz进行对比，完成对叶尖定时同步振动参数辨识算法准确度的验证。

Claims (1)

1.一种验证叶片同步振动参数辨识算法准确度的方法，所采用的验证装置包括带有刚性连接装置的激振台、功率放大器、用于控制激振台振动的振动控制电路模块、压电式加速度传感器、用于校准振动参数的振动校准仪和高精度叶尖定时测振***，在发动机机匣位置安装光纤式叶尖定时传感器，在靠近发动机转轴部位固定光纤式转速同步传感器，压电式加速度传感器固定在光纤式转速同步传感器上。其特征在于，一个完整的验证过程的步骤如下：

(1)叶尖定时传感器测得叶尖定时信号，转速同步传感器测得转速信号，叶尖定时测振***对两路信号进行处理与采集，并上传至上位机，上位机分析转速信号，获取转速频率f_v；

(2)上位机设定同步振动倍频数N，阻尼系数叶片固有频率f_b和等效静力幅值A₀，并将上述参数传递给振动控制电路模块；

(3)振动控制电路模块根据步骤2传递的参数，生成振动控制信号y_exci＝A_excisin(2πf_excit)，A_exci为振动幅值和f_exci为振动频率；

(4)功率放大器将振动控制信号y_exci进行功率放大，并发送给激振台，激振台按照规律发生振动，并通过刚性连接装置将振动传递给叶尖定时传感器，叶尖定时传感器以振动幅值A_exci和振动频率f_exci进行振动；

(5)压电式加速度传感器检测叶尖定时传感器的实际振动频率和振动幅值，反馈给振动校准仪，将校正后参数反馈给振动控制电路模块，振动控制电路模块对输出振动控制信号进行微调，以满足设定的振动规律y_exci；

(6)上位机处理利用叶片同步振动参数辨识算法步骤1中获取的叶尖定时信号，提取叶片发生同步振动时的振动信息，包括叶片振动幅值A_alg和振动频率f_alg，将A_alg与步骤2中设定的f_alg与步骤2中设定的f_b进行对比，完成对所采用的叶片同步振动参数辨识算法准确度的验证。