基于叶尖加速度的叶端定时高阶振动辨识方法以及系统

技术领域

本发明涉及旋转机械转子叶片非接触式测量技术领域，尤其涉及一种基于叶尖加速度的叶端定时高阶振动辨识方法与系统。

背景技术

叶片高阶振动对旋转机械设备的性能和可靠性具有重要影响。叶片高阶振动会导致叶片的应力和疲劳损伤增加，从而降低设备的寿命，同时还会产生噪音和振动，影响设备的稳定性和工作效率。传统的叶端定时技术一般根据理论和实际到达时间的差值来计算叶尖的振动位移，对振动位移数据分析得到叶片振动参数，如幅值、频率、相位等参数。然而，传统振动位移叶端定时分析技术将给予低频分量最大的权重，因此只能准确获得叶片低阶一弯振动参数。对于高阶振动参数的辨识，由于振动能量占比低容易受到噪声的干扰，因此目前面临着巨大挑战。本发明提出了一种基于叶尖加速度的叶端定时分析技术，将测量物理量由叶尖振动位移转换为叶尖振动加速度的测量，利用加速度测量将向高频分量加权，进一步提高叶片高阶振动参数辨识的精度。另外，高阶振动可能与叶片掉角等故障相关，本发明提出的叶尖加速度叶端定时分析技术对于发动机的运行安全至关重要。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种全频域叶端定时振动参数辨识方法和系统，解决现有叶端定时软件系统校核中潜在的高阶测量不准确的问题，利用加速度测量向高频分量加权，能够实现由叶尖振动位移转换为叶尖振动加速度的测量，实现叶片高阶振动参数辨识。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种基于叶尖加速度的叶端定时高阶振动辨识方法包括：

第一步骤S100，基于振动频率在2000Hz-5000Hz的高频的振动参数确定叶端定时传感器在转子叶片机匣周向安装的传感器数目和角度，转子叶片高阶振动参数包括振动频率f

第二步骤S200，将叶端定时传感器周向安装在转子叶片机匣上，获取转子叶片到达叶端定时传感器的时间序列；

第三步骤S300，根据相邻三个叶端定时传感器安装角度以及测得的叶片到达时间获得叶尖振动加速度，以及通过经典SDOF算法确定叶片振动共振区；

第四步骤S400，基于叶尖振动加速度建立欠采样叶尖振动加速度的稀疏表示模型，利用稀疏算法求解后确定叶片振动频率，同时基于稀疏解非零元素的定位构造设计矩阵，利用周向傅里叶算法确定叶片高阶振动的幅值和相位。

所述的方法中，第一步骤S100中，相邻三个叶端定时传感器安装角度两两间隔不大于10°。

所述的方法中，第二步骤S200中，采集转子叶片通过叶端定时传感器的到达时间序列矩阵

所述的方法中，第三步骤S300，根据所述到达时间与叶片的旋转角度拟合估算转子的角加速度β，以叶片到达时间作为自变量，叶片转动角度作为因变量，同时考虑转速波动的影响，将每圈中多个传感器测量的叶片到达时间与对应的转动角度采用二次多项式函数最小二乘拟合得：

工作转速是恒速状态，转速不发生变化，即角加速度β＝0，转速是变转速状态，所述转动角度与到达时时间拟合的二次函数二次求导获得转子系统的角加速度β＝a。

所述的方法中，第三步骤S300中，利用3个叶端定时传感器i-1,i,i+1测量的第j号叶片在第n圈转动的到达时间t

所述的方法中，第四步骤S400中，

所述叶尖振动加速度表示为

其中，转子叶片的振动频率f

所述的方法中，第四步骤S400中，基于所述测量矩阵Φ，构造转子叶片叶尖振动加速度信号的稀疏表示模型为

所述的方法中，基于转子叶片振动频率得到叶片振动位移幅值

一种实施基于叶尖加速度的叶端定时高阶振动辨识方法的系统包括，

叶尖到达时间测量模块，其配置成采集转子叶片通过叶端定时传感器的到达时间序列；

转子角加速度计算模块，其连接叶尖到达时间测量模块，转子角加速度计算模块根据叶端定时测量的到达时间和旋转角度二次函数拟合确定转子叶片的加速度；

叶尖振动加速度计算模块，其连接叶尖到达时间测量模块和转子角加速度计算模块，叶尖振动加速度计算模块基于所述到达时间和三个相邻传感器的安装角度间隔计算叶尖振动加速度；

高阶振动参数辨识模块，其连接叶尖到达时间测量模块和叶尖振动加速度计算模块，高阶振动参数辨识模块基于叶尖振动加速度建立欠采样叶尖振动加速度的稀疏表示模型，稀疏求解确定叶片振动频率，同时基于稀疏解非零元素的定位构造设计矩阵，通过最小二乘算法识别叶片多模态的振动幅值和相位。

所述的系统中，还包括连接高阶振动参数辨识模块的叶片状态监测模块，其基于所述振动幅值和相位实时监测叶片以及预警。

有益效果

与传统方法侧重于从叶尖振动位移测量中识别振动参数不同，本专利的叶端定时分析使用了叶尖振动加速度。同时，本专利没有利用OPR参考传感器或者虚拟参考传感器计算叶片的理想到达时间，减少测量过程中的不确定性。根据加速度测量将向高频分量加权的特性增强高频的幅值，从而便于识别转子叶片的高阶振动参数，对转子叶片非接触式测量系统的应用具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为本发明一个实施例提供的基于叶尖加速度的叶端定时高阶振动辨识方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的实施所述基于叶尖加速度的叶端定时高阶振动辨识方法的系统的结构示意图；

图3为本发明一个实施例提供的基于相邻三个叶端定时传感器计安装角度计算叶尖振动加速度示意图；

图4为本发明一个实施例提供的叶端定时传感器周向角度安装位置示意图；

图5(a)至图5(b)为本发明一个实施例提供的实测叶片振动响应示意图，图5(a)为叶尖振动加速度；图5(b)表示作为振动频率辨识参考的实测叶片动应变；

图6(a)至图6(b)为本发明一个实施例提供的叶片振动频率辨识结果示意图，图6(a)为基于叶尖振动加速度响应叶端定时参数辨识结果；图6(b)为作为参考的基于叶片实测动应变的参数表辨识结果。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图1至图6(b)中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进-步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。一种基于叶尖加速度的叶端定时高阶振动辨识方法包括，

第一步骤S100中，基于叶片高频振动参数辨识需求，通过传感器位置优化确定转子叶片机匣周向安装的传感器数目和角度；

第二步骤S200中，开展试验测量获取转子叶片通过所述传感器的实际到达时间序列；

第三步骤S300中，将三个传感器作为一组，利用所述到达时间和传感器的安装角度，将叶端定时分析由叶尖振动位移转换为叶尖振动加速度，通过经典SDOF算法确定叶片振动共振区；

第四步骤S400中，建立欠采样叶尖振动加速度信号的压缩感知模型，利用稀疏算法求解后确定振动稀疏系数向量非零元素位置，无需先验信息即可确定对应转子叶片高阶振动频率和叶片高阶振动加速度振动方程的设计矩阵，利用周向傅里叶算法确定叶片高阶振动的幅值和相位。

所述的基于叶尖振动加速度的叶端定时高阶振动测量方法，第一步骤S100中，所述转子叶片高阶振动参数包括频率(f

所述的方法，第一步骤S100中，所述3个叶端定时传感器角度可获得一组叶尖振动加速度，在满足实际情况的条件下传感器的间隔越小精度越高，建议所述相邻三个传感器角度两两间隔不大于10°。

所述的方法，第一步骤S200中，开展试验并采集叶片通过传感器的到达时间序列矩阵

所述的方法，第一步骤S200中，根据所述到达时间与叶片的旋转角度拟合估算转子的工作加速度β，具体以叶片到达时间作为自变量，叶片转动角度作为因变量，同时考虑转速波动的影响，将每圈中多个传感器测量的叶片到达时间与对应的转动角度采用二次多项式函数最小二乘拟合得：

S201，如果工作转速是恒速状态，转速不发生变化，即转子系统的角加速度β＝0；

S202，如果工作转速是变转速状态，所述转动角度与到达时时间拟合的二次函数二次求导即可获得转子系统的角加速度β＝a；

所述的方法，第一步骤S300中，利用3个叶端定时传感器i-1,i,i+1测量的第j号叶片在第n圈转动的到达时间t

所述的方法，第一步骤S400中，叶片的振动一般可以假设为不同频率的谐波信号，基于所述叶尖高频振动加速度信号可以表示为

其中，转子叶片的高阶频率f

所述的方法，第一步骤S400中，基于叶尖加速度的测量矩阵Φ，所述转子叶片叶尖振动加速度信号的稀疏表示模型可进一步表示为

所述的方法，第一步骤S400中，根据所述测量叶尖振动位移、加速度之间的转换关系，最终获得叶片高阶振动位移参数，即叶片高阶振动位移幅值

为了进一步理解本发明，下面通过具体实施例对本发明做进一步描述，需要强调的是，下列描述仅仅是示例性的，而不应作为对本发明的限定。

1.设定六个传感器编号按顺时针方向依次增大，则各传感器优化布局角度为θ

2.开展试验测量叶片到达时间，选取1号叶片通过1、2、3号三个传感器的到达时间意见安装角度间隔为5°和10°，计算叶尖振动加速度如图5(a)所示，叶尖振动加速响应在转速达到9600RPM时，存在明显的峰值，叶片此时达到共振；同时，为作为参数辨识准确定的对照，同时测量叶根右侧叶片在升速过程中的动应变如图5(b)所示，同样的在转速达到9600RPM，应变响应存在明显的峰值，由此叶片在所述转速区间达到共振；

3.设定理想非欠采样频率f

基于动应变测量虽然能够很明显的获得前两阶模态频率，但是对于第三阶模态频率由于高阶能量占比相比低阶比较小，容易受到噪声的干扰，导致第三阶模态高阶辨识不准确，但是通过叶端定时的分析物理量转换成叶尖加速度，基于加速度对于高阶加权特性，能够准确辨识出第三阶模态等高阶频率。

根据本发明另一方面，本公开还提供一种叶尖振动加速度的叶端定时高阶振动参数辨识系统，包括

叶尖到达时间测量模块：基于叶端定时传感器周向布局开展试验采集叶片达到时间序列；

转子角加速度计算模块：根据叶端定时测量所述到达时间和旋转角度二次函数拟合确定转子系统的加速度；

叶尖振动加速度计算模块：利用所述到达时间和三个相邻传感器的安装角度间隔计算叶尖振动加速度，将叶端定时测量物理量转换为叶尖振动加速度；

高阶振动参数辨识模块：用于建立所述欠采样叶尖振动加速度信号的稀疏表示模型，稀疏求解确定叶片高阶振动频率，同时基于稀疏解非零元素的定位构造设计矩阵，通过最小二乘算法识别叶片多模态的振动幅值和相位。

叶片状态监测模块：实时监测叶片的裂纹、磨损和喘振等异常情况，提前预警设备故障，降低设备维护成本，提高发动机的可靠性和安全性。

本公开叶端定时高阶振动测量无需先验信息，无需安装转速参考传感器，通过测量叶尖振动加速度替代传统叶尖振动位移，实现叶片高阶振动的精准辨识，进一步扩展了叶端定时技术的工程应用。

最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。