叶尖振动加速度的叶端定时异步振动参数辨识方法及系统技术方案

公开了基于叶尖振动加速度的叶端定时异步振动参数辨识方法及系统，将三个叶端定时传感器一组的至少一组等角度周向安装在发动机机匣上；在变转速工况下获取各旋转的转子叶片到达叶端定时传感器的时间序列；在变转速或恒定转速的不同工况中，将每一转中测量的各转子叶片的到达时间作为因变量，各转子叶片的到达角度作为自变量进行线性拟合以再现每一转的转速信息；建立基于叶尖振动加速度的异步振动参数辨识模型；基于异步振动参数辨识模型，使用全叶片谱方法辨识异步振动频率和幅值；基于异步振动参数辨识模型，首先利用MUSIC方法辨识出转子叶片异步振动频率，再通过辨识结果获得叶片振动幅值。得叶片振动幅值。得叶片振动幅值。

【技术实现步骤摘要】
叶尖振动加速度的叶端定时异步振动参数辨识方法及系统


[0001]本专利技术涉及旋转机械旋转叶片非接触式测量
，尤其涉及一种基于叶尖振动加速度的叶端定时异步振动参数辨识方法与系统。

技术介绍

[0002]传统的叶端定时技术使用安装在固定机匣上的叶端定时传感器对旋转叶片的到达时间进行测量，安装于旋转轴附近的参考传感器提供转速信息和时间基准，通过计算两个时间值之间的差异，可以得出叶片的振动位移，从而得到叶片振动的特征参数，如振幅、频率、应力等，从而可以获得发动机的运行状态。异步振动的叶片振动频率是转频的非整数倍，是非定常流将其部分能量传递到叶片的结果。常见的异步振动故障有：颤振、喘振和旋转失速等，这些故障主要和旋转机械运行中的气流扰动有关，对发动机旋转叶片安全运行产生重大隐患。异步振动参数辨识面临转速变化较大的问题，然而，参考传感器的安装位置与旋转叶片存在着一定的距离，加之发动机内部复杂的情况，参考传感器的测量易受干扰，导致测量结果出现误差。由于发动机内部环境恶劣，易导致传感器失效甚至发生脱落。因此，本专利技术通过基于叶尖振动位移与加速度之间的关系，通过利用所述测量到达时间和安装角度计算叶尖振动加速度，在无需计算任何参考转速和先验信息的条件下实现叶片振动参数的精确辨识，进一步扩展叶端定时测量技术在异步振动参数辨识问题中的工程应用。
[0003]在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，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。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种基于叶尖振动加速度的叶端定时异步振动参数辨识方法和系统，在航空发动机旋转叶片发生旋转失速、喘振、声共振等异步振动时，在无转速参考传感器和变转速的情况下，不需要计算参考转速，仅利用叶端定时测量的到达时间和安装角度关系，计算叶尖振动加速度来替换传统的叶尖振动位移，省略测量过程中转速计算的不确定性，从而提高异步振动参数辨识的准确性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]本专利技术的一种基于叶尖振动加速度的叶端定时异步振动参数辨识方法包括：
[0007]第一步骤S1，将三个叶端定时传感器一组的至少一组等角度周向安装在发动机机匣上；
[0008]第二步骤S2，在变转速工况下获取各旋转的转子叶片到达叶端定时传感器的时间序列；
[0009]第三步骤S3，在变转速或恒定转速的不同工况中，将每一转中测量的各转子叶片的到达时间作为因变量，各转子叶片的到达角度作为自变量进行线性拟合以再现每一转的转速信息、；
[0010]第四步骤S4，基于一组的相邻三个叶端定时传感器的时间序列和安装角度计算叶
尖振动加速度；
[0011]第五步骤S5，建立基于叶尖振动加速度的异步振动参数辨识模型；
[0012]第六步骤S6，基于异步振动参数辨识模型，使用全叶片谱方法辨识异步振动频率和幅值。
[0013]第七步骤S7，基于异步振动参数辨识模型，首先利用MUSIC方法辨识出转子叶片异步振动频率，再通过辨识结果获得叶片振动幅值。
[0014]所述的方法中，一组的3个叶端定时传感器等角度分布周向安装且两两间隔小于10
°
。
[0015]所述的方法中，第二步骤S2中，在变转速工况下开展试验并获取各旋转的转子叶片到达叶端定时传感器的时间序列矩阵大小为N
b
*N
×
N
p
其中，t
i，j，n
表示第i号叶端定时传感器测量第j号叶片在第n圈转动测量的到达时间，转子一共包含N
b
个叶片，周向安装N
p
个叶端定时传感器，连续采集N圈的数据。
[0016]所述的方法中，第三步骤S3中，叶片到达时间与转动角度位置关系为：其中，P
i，j，n
表示第i号叶端定时传感器测量到第j号叶片在第n圈内转动的角度，转子叶片总共有N
b
个叶片，基于多模态测量安装N
p
个叶端定时传感器，PA
i
为第i个叶端定时传感器的安装角度，BA
j
为实际第j个安装间隔。
[0017]所述的方法中，第三步骤S3中，圈内转速呈线性变变化，叶片转速为将每圈中多个叶端定时传感器测量的叶片到达时间与对应的转动角度采用二次函数最小二乘拟合得：其中，为拟合二次函数的系数；求解后获得各圈的转动周期T
i，j，n
，计算获得叶片转速，
[0018]所述的方法中，第四步骤S4中，利用一组内连续相邻的三个周向叶端定时传感器第i号、第i+1号和第i+2号，i＝1，2，
…
，N
p
‑
2，采集第g号叶片在第n圈内的实际到达时间t
i，g，n
，t
j，g，n
，t
k，g，n
，计算出所述相邻两个叶端定时传感器间的叶尖振动速度根据叶尖振动速度计算叶片的叶尖在第n圈内的第i个振动加速度值其中表示为：
其中，R为叶片叶尖的旋转半径，f
Ω
为叶片转速频率，θ
i
为第i个传感器的安装角度，t
i，g，n
表示第i个传感器在第n圈采集的第g号叶片的到达时间。
[0019]所述的方法中，第五步骤S5中，建立异步振动参数辨识模型，即叶片振动方程为：式中：M为质量矩阵，c为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，ω1异步振动激励力基频ω1＝2πEo1f
r
，激励阶次EO
n
＝nEO1，振动方程的解为
[0020]所述的方法中，第六步骤S6中，通过全叶片谱方法来辨识异步振动频率和幅值，叶片响应的幅值S
k
和相位φ
k
表示为：式中：N
b
为叶盘上的叶片总数；ND为与叶盘振动相关的节径，正向行波ND为正，反向行波ND为负；A
ND
和ψ
ND
为叶盘节径为ND时的响应幅值和相位；ND
max
对于偶数叶片，满足等式ND
max
＝N
b
/2，对于奇数叶片，满足等式ND
max
＝(N
b
‑
1)/2；ND
min
对于偶数叶片，满足等式ND
min
＝1
‑
N
b
/2，对于奇数叶片，满足等式ND
max
＝
‑
(N
b
‑
1)/2，对于旋转参考系中的单个激励频率，可对上式进行修正，获得叶片响应为：式中fr为叶盘的转频。假设所有叶片以相同频率振动，对连续叶片的振动位移进行空间傅里叶变换可以得到在测量参考系下的行波响应，行波频率f
tw
满足f
tw
＝f...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于叶尖振动加速度的叶端定时异步振动参数辨识方法，其特征在于，其包括以下步骤：第一步骤S1，将三个叶端定时传感器一组的至少一组等角度周向安装在发动机机匣上；第二步骤S2，在变转速工况下获取各旋转的转子叶片到达叶端定时传感器的时间序列；第三步骤S3，在变转速或恒定转速的不同工况中，将每一转中测量的各转子叶片的到达时间作为因变量，各转子叶片的到达角度作为自变量进行线性拟合以再现每一转的转速信息；第四步骤S4，基于一组的相邻三个叶端定时传感器的时间序列和安装角度计算叶尖振动加速度；第五步骤S5，建立基于叶尖振动加速度的异步振动参数辨识模型；第六步骤S6，基于异步振动参数辨识模型，使用全叶片谱方法辨识异步振动频率和幅值；第七步骤S7，基于异步振动参数辨识模型，首先利用MUSIC方法辨识出转子叶片异步振动频率，再通过辨识结果获得叶片振动幅值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，一组的3个叶端定时传感器等角度分布周向安装且两两间隔小于10
°
。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步骤S2中，在变转速工况下开展试验并获取各旋转的转子叶片到达叶端定时传感器的时间序列矩阵并获取各旋转的转子叶片到达叶端定时传感器的时间序列矩阵大小为N
b
/N
×
N
p
其中，t
i，j，n
表示第i号叶端定时传感器测量第j号叶片在第n圈转动测量的到达时间，转子一共包含N
b
个叶片，周向安装N
p
个叶端定时传感器，连续采集N圈的数据。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步骤S3中，叶片到达时间与转动角度位置关系为：其中，P
i，j，n
表示第i号叶端定时传感器测量到第j号叶片在第n圈内转动的角度，转子叶片总共有N
b
个叶片，基于多模态测量安装N
p
个叶端定时传感器，PA
i
为第i个叶端定时传感器的安装角度，BA
j
为实际第j个安装间隔。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步骤S3中，圈内转速呈线性变变化，叶片转速为将每圈中多个叶端定时传感器测量的叶片到达时间与对应的转动角度
采用二次函数最小二乘拟合得：其中，为拟合二次函数的系数；求解后获得各圈的转动周期T
i，j，n
，计算获得叶片转速6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步骤S4中，利用一组内连续相邻的三个周向叶端定时传感器第i号、第i+1号和第i+2号，i＝1，2，
…
，N
p
‑
2，采集第g号叶片在第n圈内的实际到达时间t
i，g，n
，t
j，g，n
，t
k，g，n
，计算出所述相邻两个叶端定时传感器间的叶尖振动速度根据叶尖振动速度计算叶片的叶尖在第n圈内的第i个振动加速度值其中表示为：其中，R为叶片叶尖的旋转半径，f
Ω
为叶片转速频率，θ
i
为第i个传感器的安装角度，t
i，g，n
表示第i个传感器在第n圈采集的第g号叶片的到达时间。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第五步骤S5中，异步振动参数辨识模型，即叶片振动方程为：式中：M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，ω1异步振动激励力基频ω1＝2πEO1f
r
，激励阶次EO
n
＝nEO1，振动方程的解为8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第六步骤S6中，通过全叶片谱方法来辨识异步振动频率和幅值，叶片响应的幅值S
k
和相位φ
k
表示为：式中：N
b
为叶盘上的叶片总数；ND为与叶盘振动相关的节径，正向行波ND为正，反向行波ND为负；A
ND
和ψ
ND
为叶盘节径为ND时的响应幅值和相位；ND...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔百杰，马云阳，刘美茹，钟华贵，王亚南，陈雪峰，
申请(专利权)人：中国航发四川燃气涡轮研究院，
类型：发明
国别省市：