振 动 与 冲 击
第26卷第12期J OURNAL OF V IBRAT I ON AND SHOCK Vo.l 26N o .122007 旋转叶片异步振动的频率识别技术 基金项目：国家自然基金资助(项目号:50375110)及教育部新世纪优秀人
才支持计划资助(NECT )
收稿日期:2007-03-29 修改稿收到日期:2007-04-26
第一作者张玉贵男，博士生,1981年生张玉贵1, 段发阶1, 方志强1, 叶声华1, 石小江
2
(1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072;
2.中国燃气涡轮研究室，四川江油 621703) 摘 要：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+20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。
关键词：异步振动；叶尖定时；旋转叶片；频率辨识；双采样
中图分类号:V 216.2 文献标识码:A
涡轮机是航空、舰船及电力、能源工业系统广泛应
用的重要装置，遍布于航空领域、石化行业、电力部门
等众多行业，它包括地面燃气轮机、航空燃气轮机、鼓
风机等。高速旋转叶片的振动测量是涡轮机械的一个
重要研究领域。传统的应变片法为接触式测量，试验
准备工作量很大，传感器、导线、引电器的可靠性低，且
安装工作繁重；通常，应变片引出线或发报机装置的可
靠性不高，寿命不长；且可以同时监测的叶片很少，难
以实现整级叶片的振动测量。基于叶尖定时原理的非
接触旋转叶片测振技术已发展为当前该领域研究的热
点，较应变片法的明显优势在于它因非接触测量方式
不会改变叶片原有的振动特性，能同时监测整级叶片
的振动情况，且准备工作少、安装简单。
1 叶尖定时测振系统简介
叶尖定时测振系统的原理如图1所示，叶尖定时
测振技术[1-3]的基本原理是将叶尖定时(T I P0-TI P6)
传感器沿径向安装在旋转机械相对静止的壳体上，利
用传感器感受在它前面通过的旋转叶片所产生的脉冲
信号来记录叶片到来的时刻。由于叶片的振动，叶片
的端部相对于转动方向将会向前或向后偏移，使得叶
片每次到达传感器的实际时间与无振动时的期望值不
相等，即脉冲到达时间t 会随着叶片的振动发生改变,
通过不同的分析算法对该信号序列{t}进行处理，可得
到叶片同步共振、异步颤振等的参数信息，进而对涡轮
机的运行状况做出准确的评价。其中，图中ZT 为转速
同步传感器,AN 为角基准传感器。
振动数据的获取是以转速同步传感器输出的信号
为基准的，利用固定频率脉冲填充法[4]来记录叶尖信
号到来的时间t ij ，如图2中所示,i 表示叶尖定时传感器序号,i I [0,S ],S 为传感器数量;j 表示叶片序号,j I [0,B ],B 为叶片数量。每个信号代表一个叶片的到来。为计算方便起见，这里把测得时间均转换为[0,2P )范围的角度当量。那么，传感器i 输出的叶片j 信号相对转速同步信号转过的角度H ij =t ij /T ，而叶片无
振动的H ij 0可以在低转速下通过现场实验标定出来。则叶片j 振动的角位移$H j =H ij -H ij 0(1)由此，结合其它传感器输出的叶片j 的信息，可以得到一组该叶片的振动角度序列{$H j }，若转子的旋转半径为R，则叶片振动的位移序列{y j }={$H j #R }。通过各种算法对数据的处理，可以得到整级叶片振动的幅值、频率等信息。图1 非接触式涡轮机叶片测振系统示意图2 异步振动频率辨识的原理 由于叶片的振动频率远大于转子的转速频率，再加上机匣上安装传感器数量的限制，上述测量原理中对叶片振动信息的采样方式很难满足采样定理，往往是欠采样方式。为了测得叶片振动的频率，一般将传感器均布在机匣上，而单一形式的传感器均布方式
[5,6]
给频率辨识的结果可能性很多。为了更好地区分频率
的折叠，准确得到叶片的振动，在具体方案(图1所示)
的实现上将五只叶尖定时传感器TIP0、TI P1、TI P3、
TI P4、TI P6在机匣上构成五均布方式，另外两只TI P2、
TI P5与T I P0在机匣上构成三均布方式，两种均布方式
共用T I P0传感器，即/5+20双采样速率的振动测量方
案。这样，整级叶片的振动被两种不同的采样速率进
行采样，对两种采样数据进行FFT 变换，通过频率辨识
技术结合叶片振动的坎贝尔曲线即可得到叶片的振动
频率。图2 叶尖定时测振信号时序图示意
设转子的转速频率为f s ，叶片的实际振动频率为
f B 。那么，对于五均布传感器测得的叶片振动数据来
说，这种采样方式的采样频率
f s 5=5f s (2)
经过FFT 变换后，由于系统的欠采样，得到的是叶
片实际振动频率与采样频率整数倍的差频部分$f s 5。
为计算方便，引入五均布采样方式的差频系数为$m 5
$m 5=$f s 5/f s 5(3)
这里,$m 5I [0,0.5]。故叶片振动的实际频率
f B =(m 5?$m 5)f s 5(4)
其中,m 5为待定的整数，它表示叶片振动频率与采
样频率比值最为接近的整数。m 5可能取值0,1,2,,,
若取值0时，则表示叶片振动频率低，能够满足采样
定理。
由于五均布和三均布采样方式是在同一条件下采
用不同的方式同时对同一叶片振动进行采样的，叶片
的振动f B 情况是相同的，那么两种采样方式的分析结
果应该是一致的。故对三均布的采样方式来说,f B 同样
也可由下式表示
f B =(m 3?$m 3)f s 3(5)
其中,m 3为待定的整数，它的可能取值为0,1,2,
,。$m 3为三均布采样方式的差频系数。这里
f s 3=3f s (6)
$m 3=$f s 3/f s 3(7)
由式(4)、式(5)，得
(m 5?$m 5)f s 5=(m 3?$m 3)f s 3(8)
结合式(2)、式(6)，有
m 5?$m 5m 3?$m 3
(9)
上式就是叶片异步振动频率的辨识技术的原理公式。这样，由测得的$m 3、$m 5就可以得到若干满足式(9)的相匹配的整数对(m 3,m 5)。一般地，叶片振动的频率为转速频率的几十倍频范围内，那么得到的(m 3,m 5)整数对的个数也是非常有限的，再结合叶片振动的坎贝尔曲线，很容易获得叶片振动的确切频率。3 实验结果分析 为了说明旋转叶片非接触测量系统中/5+20异步振动频率辨识分析的效果，在某型号航空设备上进行了模拟实验验证，如图3所示，转子的旋转半径为
150mm，被蛇皮管保护起来的部分为叶尖定时传感器。
转速同步传感器和角基准传感器分别安装在轴的两侧
(其中角基准传感器图中未能显示)。实验中，同时用
成熟的应变片技术对叶片振动进行了实时监视，以便
于对测量结果进行比对。为了使叶片产生明显的振
动，实验中对叶片进行了气体激振。
图3 同步共振幅值测量实验装置实验通过课题组自主开发的高速PC I 采集卡将7路叶尖定时信号及转速同步、角基准信号到来的时间转化为固定频率的脉冲计数值，采集到计算机内；课题组同时自主开发了
集采集功能和各种处理算法为一体的B VM S(B lade V i b rati o n M easure m ent Syste m 叶片振动测量系统)软件，取7600r /m in 转速附近的一批数据为例进行在BVM S 软件中进行叶片振动的频率辨识分析，图4所示为频率辨识的BVM S 软件分析界面。图中左侧分别为三均布和五均布采样方式的频谱分析，横坐标为振动频率，纵坐标为振动的幅值；右侧是被分析数据的信息及频率辨识的结果。从图中可以看出，三均布和五均布采样方式的分析结果均有一频率峰值77.6H z(注：两个峰值频率也有可能不同)，将该值分别填到对应的频率辨识栏中，可得频率辨识结果有4个可能值，结合叶片振动的坎贝尔曲线，其中只有1820.38H z 是可能的叶片振动频率，其它三个频率由于与叶片振动的坎贝尔曲线相差甚远而排除。图中的/频率辨识0按钮就是基于上述叶片异步振动的频率辨识原理而将对应的识别算法集成其中的。
107第12期 张玉贵等：旋转叶片异步振动的频率识别技术
图4 频率辨识分析软件界面
实验分别在4700r/m i n 、7600r /m i n 、8300r /m i n 、9540r/m in 、15080r/m i n 等转速下对叶片的振动做了频率辨识分析，得到对应的振动频率依次为1814.35H z 、1820.38H z 、1821.91H z 、1824.99H z 、1846.06H z 。影
响叶片动频的因素较多，如科氏力[7]等，不易用准确的
函数表示，但它基本满足经验公式f 2e =f 20+Bf 2r ,f e 为叶
片的动频,f r 为转速频率,f 0为叶片静频,B 为修正系数。将绘制的曲线与叶片坎贝尔图进行比对，如图5所示。图中，横坐标表示转子转速，纵坐标表示叶片的异步振动频率，即叶片的动频。其中-*.为实验测得的频率结果，曲线为叶片振动的坎贝尔曲线之一。可以看出，测得的频率与叶片坎贝尔曲线符合得很好，说明基于/5+20方案的频率辨识理论的正确性和实
用性。图5 测得频率与叶片坎贝尔曲线的比对4 结 论 高速旋转叶片振动频率参数对改进涡轮机的设计有着重要的指导意义。由于叶尖定时非接触测量原理具体实现方案的限制，对叶片振动的采样不满足采样定理，使得频率的测量变得繁杂起来。文中基于/5+20测量方案，采用双采样速率对叶片的振动进行
采样，通过频率辨识技术可准确捕获叶片振动的频率。利用该技术在某型航空设备上进行了实验，将测得的频率与成熟的应变片法测量结果对比，测量结果几乎是完全一致的，可以确定所测结果是叶片的真实振动，进一步说明该技术的正确性且具有很强的实用价值。参考文献[1]H eath S ,I m regunM.A Survey of B lade T ip-ti m i ng M easure -m ent T echniques for Turbo-m ach i nery V i brati on[C ].Journa l of Eng i neering for G as T urb i nes and P o w er ,1998,120(10):784)791.[2]段发阶，方志强，孙宇扬，叶声华.叶尖定时旋转叶片实时
振动测量技术[J].光电工程,2005,32(3).
[3]D i m i triad is G,C arri ngton I B ,W r i ght J R ,Coope r J E .
BLADE-T I P T I M I NG M EA S U RE M ENT O F S YN C HRONOU S
V IBRAT I ON S O F ROTAT I NG BLADED ASSE M BL IES [J].
M echanical Syste m s and Signa l P rocessi ng ,2002,16(4):
599)622.
[4]孙宇扬，段发阶，方志强等.一种新型叶尖定时信号高精度
处理技术[J].传感技术学报,2003(4).
[5]Z ie li nsk iM,Z iller G.Op tica l b l ade v i brati on measure m ent a t
M TU A dvanced N on -Intrusive Instru m entati on for P ropu lsi on
Eng ines AGARD -CP -598,1998,31.
[6]Z i e li nsk iM,Z iller G.N on -con tact v i bra ti on m easurements
on compresso r ro tor blades ,M eas .Sc.i T echno.l 2000,11,
847)856.
[7]李永强，郭星辉，李 健.科氏力对旋转叶片动频的影响
[J].振动与冲击,2006,25(1):79)81.108振动与冲击 2007年第26卷
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议