叶尖定时旋转叶片实时振动测量技术

设计了一套基于叶尖定时传感的旋转叶片振动测量系统。系统主要由光电传感系统、数据采集与预处理系统、叶片振动数据处理系统三部分组成。叶尖定时传感器采用单根光纤发射、多光纤接收的 Y 型结构,并用高性能专用集成芯片完成弱光信号的放大检测,使传感器信噪比大于500,信号带宽大于 50MHz。利用 CPLD 和 DSP 技术,实现了叶尖定时信号的高速实时采集与处理;建立了同步共振条件下叶片振动的数据处理模型,实现了叶片振动的实时监测。整套测量系统在现场某大型压气机上进行了原理性验证,在转速高达 9210rpm的情况下测得的同步共振最大幅值为 0.4231mm,接近于同等条件下国外的测量结果,从而验证了整套测量系统的可靠性。     

涡轮机叶片同步振动参数辨识方法研究(建模仿真)EI北大核心CSCD

基于叶尖定时非接触式叶片振动测量技术,提出一种需要较少传感器又能提高测量精度的叶片同步振动参数分析方法。通过低转速到高转速运行过程,测量出叶片振动位移随转频变化之间的关系,根据非线性最小二乘拟合算法获得叶片谐共振点处的中心频率、振动最大幅值、相位、振动恒偏量,但无法获得叶片振动倍频值。对谐共振动点附近处的频率值进行恒速运转,不同位置处的传感器获得不同的振动位移,通过GARIV算法获得各叶片在对应谐共振频率点处的倍频值,结合扫频拟合获得的叶片振动参数可做出叶片坎贝尔图。基于以上的识别方法,提出了叶尖计时传感器的布置方法,并对实际测量中可能存在的干扰因素进行了详细的仿真分析,验证了方法的可行性。该辨识方法的实验验证将在《涡轮机叶片同步振动参数辨识方法研究(实验研究)》一文中给出。     

涡轮机叶片同步振动参数辨识方法研究(建模仿真)

基于叶尖定时非接触式叶片振动测量技术,提出一种需要较少传感器又能提高测量精度的叶片同步振动参数分析方法。通过低转速到高转速运行过程,测量出叶片振动位移随转频变化之间的关系,根据非线性最小二乘拟合算法获得叶片谐共振点处的中心频率、振动最大幅值、相位、振动恒偏量,但无法获得叶片振动倍频值。对谐共振动点附近处的频率值进行恒速运转,不同位置处的传感器获得不同的振动位移,通过GARIV算法获得各叶片在对应谐共振频率点处的倍频值,结合扫频拟合获得的叶片振动参数可做出叶片坎贝尔图。基于以上的识别方法,提出了叶尖计时传感器的布置方法,并对实际测量中可能存在的干扰因素进行了详细的仿真分析,验证了方法的可行性。该辨识方法的实验验证将在《涡轮机叶片同步振动参数辨识方法研究(实验研究)》一文中给出。     

间断相位法测量叶片同步振动幅值的研究

叶片发生同步振动时,采集到的振动信息大为减少,给振动的分析带来很大困难.针对该问题,基于非接触式叶尖定时测振原理,采用间断相位法对振动幅值进行分析,并对间断相位法的测量原理进行了推导分析以及计算机仿真,具有重要的理论价值,为同步振动幅值的测量打下理论基础.     

旋转叶片振动信号的小波变换去噪处理

在旋转叶片叶尖定时测振系统中,叶片多处于大噪声工作环境,为了保障振动位移的高精度测量,需有效解决叶片振动信号的去噪问题.提出采用具有时频局部分析特性的小波变换方法对振动信号进行去噪,建立了叶尖定时测振系统的仿真模型.针对仿真信号的特征,对小波变换的小波基、阈值估计及小波分解尺度进行了参数优化,实现了宽频白噪声的有效滤除.并与传统的滤波和Savitzky-Golay(SG)平滑算法进行对比,结果表明小波变换去噪方法在去噪效果和减小振动位移测量误差上均具有明显优势,有较好的实际工程应用价值.     

提高光纤式叶尖定时系统精度的信号处理方法

传统的叶尖定时信号处理方法在叶尖间隙改变的情况下定时值会发生变化,产生测量误差.本文提出一种提高光纤式叶尖定时系统定时精度的信号处理方法,采用同时分析脉冲信号上升沿与脉冲宽度的方法提高叶尖定时精度;研究分析了该方法的模型,并对该方法进行了实验验证.结果表明,在旋转叶片顶端前后沿切线基本平行的情况下,该方法可以有效减少叶尖间隙对叶片到达时刻测量的影响,提高了叶尖定时系统的精度.     

基于叶尖定时的旋转叶片同步振动辨识新方法

为掌握旋转叶片在不同工作转速下的振动特性,利用叶尖定时测振系统对旋转叶片进行振动测试。分析了基于变速扫频测量的速矢端迹法理论,设计了一种多传感器辨识叶片同步振动的新方法。运用该方法对某型号航空设备的旋转叶片进行振动测量实验,准确地辨识出不同转速下旋转叶片的振动倍频、动频、振幅及阻尼系数等参数。频率和振幅辨识重复性精度分别高达0.0072Hz和5.7um。正确绘制出叶片振动坎贝尔图,实验辨识结果与叶片理论设计结果基本一致。     

旋转叶片异步振动全相位FFT辨识方法

基于叶尖定时的旋转叶片振动测量技术属于严重的欠采样方法.为实现旋转叶片异步振动辨识,分析了基于叶尖定时的异步振动信号模型,设计了一种利用全相位FFT分析技术的多传感器遍历的异步振动辨识方法,从理论上推导了全相位FFT以及多传感器遍历算法,并进行了计算机仿真验证.运用该方法在某型号航空设备的旋转叶片完成振动测量实验,实验结果表明,叶片异步振动辨识结果与叶片理论设计基本一致.成功解决了叶片异步振动欠采样问题,进一步完善了叶尖定时测振系统.     

利用正弦条码尺实现位移测量

根据一维正弦条码对位移进行编解码的原理,提出了一种绝对位移和相对位移测量的新方法。该方法通过对一维正弦条码图像进行傅里叶频谱分析, 根据首条码的相位值进行粗定位,并对该条码进行中心几何定位实现连续位移的精确测定。误差分析表明:位移测量误差完全取决于首条码中心几何定位。为此,采用亚像素定位技术建立了正弦条码尺测位移的原理装置,并对 2米远处步距分别为 1.5cm 和 1mm 时正弦条码尺的两种垂直位移进行了测量,测量值的最大误差为 0.036mm,标准差优于 0.024mm。     

涡轮机叶片同步振动参数辨识方法研究(实验研究)

为满足工程应用环境中用尽可能少的传感器和更紧凑的安装空间中实现叶片振动的精确测量,在叶尖定时测量方法的基础上,提出并实验研究了基于变速扫频拟合和辅助参数全局自回归法(GARIV法)相结合来辨识叶片同步振动时的振动参数。建立了高速直叶片实验台(最高转速45 000 r/min,叶尖线速度322.8 m/s)。在实验研究过程中,完成了叶片同步振动的参数辨识(中心频率、振动最大幅值、相位、振动恒偏量和倍频值),准确绘制出安装6个磁铁激励下的叶片部分振动坎贝尔图。同时对不同激励个数时叶片部分谐振动做了实验研究和分析。通过对比叶片的预应力模态计算结果和实验辨识结果,两者偏差小于6%。该方法可为叶片故障预警、动应力非接触测量提供技术途径。     

变面积电涡流传感器带冠叶片振动测量

为实现对各种带冠叶片的振动的非接触式测量,提出一种基于变面积型电涡流传感器的带冠叶片振动测量技术。当转子叶片进行高速旋转时,叶片扫过电涡流传感器,会使感应面积发生变化,后接高速数据采集分析处理系统,将面积变化信号进行处理,从而获得带冠叶片振动参数。在某型汽轮机末级带冠叶片上进行振动试验,试验结果表明变面积型电涡流传感器测振技术可以在转子高速旋转的情况下,准确测量带冠叶片振动情况,得到振动的幅值和频率,可以应用在实际带冠叶片的振动测量中,为转子叶片健康状况评估提供依据。     

旋转叶片异步振动的频率识别技术

基于非接触式叶尖定时测振原理，针对叶片异步振动的欠采样问题，采用“5＋2”双采样速率方案进行采样，通过频率辨识技术来获得叶片的真实振动。将实验测得的振动频率与应变片法测量结果进行比对表明，所测频率与叶片振动的坎贝尔曲线一致，是叶片振动的真实频率。同时，比对结果验证了测量方案的正确性，也说明了该辨识技术具有很高的实际应用价值。     

Non-linear dynamic analysis of a wind turbine blade

ABSTRACT

Wind turbine blades’ dynamic behavior must be well investigated during the design process in order to avoid resonance. Modal analysis and nonlinear dynamic analysis of a rotating wind turbine blade are presented in this paper to study the effects of rotation speed on the natural frequencies and displacements. Accordingly, an enhanced finite element formulation based on uncoupled translational and rotational displacements’ kinetic energy was developed. A twisted wind turbine blade was discretized using beam elements with different cross sections; each has six degrees of freedom per node. At rest, the model results were validated using ABAQUS software. Furthermore, the effects of geometrically non-linear phenomena produced by blade displacement on the vibration characteristics of the rotating blade have been discussed. The blade non-linear problem was solved by applying the Newmark method combined with the Newton-Raphson schema. Results show that the blade natural frequencies and displacements increase under angular rotation speed augmentation. This work highlights the significant sensitivity of the blade vibration characteristics to the geometric non-linearity. Accordingly, a modal and a linear analysis are insufficient to precisely estimate the dynamic behavior of a rotating turbine blade.     

激光多普勒扭矩非接触测量的研究

基于激光多普勒效应测量转轴单截面转速的原理,通过测量双截面的转速进而求两截面的转速差。对转速差进行积分得到在扭矩作用下转轴两截面的相对扭转角,从而得到转轴扭矩,实现传动轴扭矩的非接触测量。同时,设计了实验系统并在扭矩实验平台进行了实验,实验结果表明,激光多普勒法与传统扭矩测量方法的相对误差小于0.2%,说明激光多普勒法具有较高的测量精度。     

光纤电焊电流测量技术研究

针对直流逆变电阻焊机焊接电流精确测量的需求,提出基于光纤电流传感技术的焊接电流测量方法。建立了光纤电流传感器闭环检测系统动态模型,通过优化系统的前向增益,提升了传感器响应速度和带宽。仿真和实验结果表明:传感器的上升时间约为4.1 μs,在DC~30kHz范围内幅频特性衰减小于0.3%。基于该动态模型计算传感器对焊接电流纹波分量的响应,仿真结果表明:系统的动态跟踪能力可满足对纹波电流的测量需求。利用等安匝法对光纤电流传感器进行校准,在直流5~50kA范围内,传感器的测量误差优于±0.05%。现场实验结果证明了光纤电流传感器用于直流逆变焊接电流测量及电焊电流测试仪现场校准的可行性。     

不同分辨率下增量式光栅编码器测量误差研究

为了研究增量式光栅编码器在不同分辨率下的测量误差,构建了一套基于旋转角加速度测量的编码器误差检测系统。首先介绍了永磁式角加速度传感器的工作原理,以及增量式光栅编码器的角加速度测量原理;然后采用角加速度传感器和增量式光栅编码器,对同一正弦振动源实际轴上的旋转角加速度进行检测,根据实验结果剖析了光栅编码器在不同分辨率下的误差产生原因;最后讨论了在进行角参数测量时,选择增量式光栅编码器分辨率的参考依据。     

基于激光点云数据的叶片型面三维重构

在四坐标叶片型面检测基础上,提出基于激光点云数据的叶片型面三维重构方法。激光位移传感器对叶片型面进行多视角扫描采样,快速采集叶片型面海量点云数据。运用由点到线到面的数学建模原理,先基于端点一阶导矢连续法拟合出光顺NURBS曲线,再依据分片能量法构建辅助曲面拟合出光顺NURBS曲面,最后对分片NURBS曲面进行统一描述,构造出精确光滑的叶片型面,实现叶片型面的三维重构。实验结果表明：采用该方法实现对各类叶片复杂型面的三维重构,重构误差均<0.015 mm,能够满足精密零件的测量需求。     

基于叶尖定时技术的叶轮叶片动态监测研究现状

叶轮作为旋转机械的核心部件之一,在复杂恶劣的工况中容易使叶片产生振动,进而引发疲劳断裂等失效形式,因此对叶片振动进行状态监测具有重要意义。非接触式的叶尖定时技术具有同时监测整级叶片的优势,为叶片振动及损伤诊断提供了有效方式。本文从叶尖定时传感、叶片振动及损伤监测等三个方面对国内外研究现状进行综述,总结了当前研究中存在的不足,并就叶尖定时技术及叶片健康监测的发展方向进行了展望。     

闭环光纤电流传感器高阶动态模型及仿真

为研究光纤电流传感器脉冲电流测量能力,建立了传感器离散域高阶动态模型,并基于Simulink对传感器阶跃响应及频率响应特性进行仿真分析。结果表明:增大前向增益可提高传感器的响应速度和带宽,但过大的前向增益将会使系统超调振荡;滑动平均滤波器对超调振荡有明显的抑制作用,但同时也会降低系统的响应速度和测量带宽。搭建了频率响应测试平台,在不同的前向增益及滤波器阶数条件下,测试了传感器频率响应特性;基于传感器的相位调制原理引入非互易阶跃相位差,实现了传感器阶跃响应的等效测试。频响特性及阶跃响应特性测试结果与仿真结果具有较好的一致性,证明了模型的准确性。