2020年叶片健康监测研究进展

1.高精度叶尖计时叶片振动测量方法

针对航空发动机等透平机械旋转叶片运行状态复杂，振动维度不单一的问题，提出了基于测点位置追踪的旋转叶片五维度振动测量方法，研究了叶尖计时测得的叶尖周向位移与叶片轴向振动、倾斜、扭转振动、弯曲振动以及偏移之间耦合效应。依据叶尖计时原理，叶尖传感器只测量叶尖沿旋转方向的位移，但实际上，实际叶尖位移几乎不沿旋转方向，转子的热膨胀、轴承磨损、轴向运动和不均匀载荷导致的不同于固有振型响应的非旋转方向的振动，主要包括轴向振动、倾斜、扭转和偏移，均会改变测点相对于叶尖的位置。提出了一种基于叶尖计时的叶尖五维度振动高精度测量方法，分析了测点位置对叶尖计时测量结果的影响，给出了某一确定测点可测的各维度叶尖位移范围的方法，利用叶尖计时数据、叶尖轮廓方程和测点初始位置，实时跟踪叶尖计时测点的实际位置，利用旋转叶片叶尖位移与叶尖旋转的耦合关系，将叶尖计时位移实时转换为各维度的位移。建立了基于叶尖计时的旋转叶片五维度振动模拟器，通过数值模拟、三元扭叶片试验台、工业轴流风机和发动机风扇转子叶片的叶尖计时监测，验证了所提方法的有效性和高精度。研究成果对于降低叶尖计时测量结果的不确定性，提高叶片动应力幅值评估的可靠性具有重要意义

图1 叶片多维度振动测量流程图

2.在转速快速变化条件下提高BTT精度的新方法

评估由于喘振，摩擦和异物撞击等异常情况导致的转速快速波动情况下涡轮机叶片的动应力是非常重要的。基于叶尖定时法（BTT）的非接触式动态应力测量方法是替代旋转叶片应变仪的最有前途的技术。然而，随着转速的快速波动，精确监控叶片振动存在很大的挑战，它极大地限制了BTT的应用。在此，提出了一种新的结合了Savitzky-Golay（SG）滤波器原理的BTT方法，可以在转速快速变化波动情况下实现高精度叶片振动测量。建立了叶片理论到达时间与叶片安装角度之间的关系，研究了速度波动对叶片理论到达时间的影响。这些步骤提高了速度和理论到达时间的测量精度。此外，SG滤波器的使用大大降低了计算复杂度。通过仿真，小型试验台和大型工业涡轮风扇验证了该方法的有效性。结果表明，当加速速度高达1200rpm/s时，速度测量误差不超过0.6rpm。使用SG-BTT测量快速变化引起的叶片振动位移的误差可小于10μm。与现有方法相比，大大降低了叶片振动测量误差的平均值和标准偏差。该方法对于涡轮机叶片健康监测器的应用和预测性维护具有重要的价值。

图2所示为20Hz/s变速情况下，现有的不考虑一圈内的转速变化的基于直线拟合的无键相叶尖定时（SLF-BTT）法处理结果与所提方法(SG-BTT)的对比，可以明显看出，在150Hz左右SLF-BTT就出现了明显的误差，这一误差正是没有考虑转速波动对叶尖定时法的影响导致的。而SG-BTT则几乎没有受到影响，显示出良好的精度和稳定性。

图2变转速下BBT叶片振动监测结果

3.一种提高叶尖定时法测量叶片振动阻尼的精度的方法

基于现有的非接触式叶尖定时法的叶片振动测量及分析方法，提出了一种航空发动机叶片非接触式阻尼辨识方法。新方法将阻尼辨识的需求的最小叶顶传感器数量由3个减小到2个，能应用于航空发动机等受机械结构限制而无法安装多个传感器等极端应用场景。实验结果表明，相较于原有的基于叶尖定时的阻尼辨识方法，新方法在减小传感器数量后，依旧能准确可靠地辨识叶片阻尼等叶片参数，对航空发动机等透平机械的测试及状态监测具有实际意义。

图3 阻尼辨识技术路线图