非接触式数字光纤叶片测振系统研究及应用

胡 伟，王德友，杜少辉，蔚夺魁

（沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

非接触式数字光纤叶片测振系统研究及应用

胡 伟，王德友，杜少辉，蔚夺魁

（沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

应用非接触式数字光纤叶片测振系统对叶片整数阶次振动（共振）与非整数阶次振动进行了分析。通过模拟试验器和台架压气机试验证明，应用该系统以及相关算法可以有效测量、监测和分析叶片共振和颤振等非整阶次振动，能较准确地评估叶片振动特征；其结果与应变片测量结果一致。

旋转叶片；共振；测量系统；数字光纤；整数阶次；非整数阶次；非接触式；应变片

1 引言

旋转叶片振动测量是在研和现役航空发动机叶片耐久性评估和安全性监测的重要测试项目之一。在这方面，应变量电测法是目前应用最广泛、在试验技术上已非常完善的接触式测量方法，能较好地确定叶片的振动特性和响应结果。但是，应变计在贴片引线和引电器安装过程中需对机械结构进行改装，而且，监测叶片数量受限会影响整级叶片最大振动应力测量的准确性，应变计、引电器的改装成本、安装周期和使用寿命都会限制其应用。为此，自20世纪70年代开始，美国、德国、日本、荷兰等国家先后开展了非接触式叶片振动测量技术研究。美国国家技术研究中心、AEDC组织将非接触式叶片振动应力测量系统简称为 NSMS（Noninterference Stress Measurement System）系统，德国MTU公司则简称为OBM（Optical Blade Vibration Measurement）。该种测量系统和技术已广泛应用于航空发动机、电站燃气轮机叶片振动监测中。

本文介绍了非接触叶片振动测试系统的原理，全面总结了非接触式数字光纤叶片测振系统在发动机台架试车与压气机试验中的应用经验，对测量的各种叶片振型与应变片测试的结果进行了比较。

2 非接触式叶片振动测试系统原理

非接触式叶片振动测试系统由光纤传感器、光电变换器、信号预处理器、计数器卡、叶片振动数据采集分析软件组成，如图1所示。

非接触式叶片振动测试原理如图2所示。叶尖振幅传感器安装在被测级叶片机匣上方，定位参考传感器安装在转子上；计算叶尖振幅传感器测出的脉冲与转速脉冲的时间间隔，当叶片振动时，叶尖沿旋转方向发生偏移，到达传感器的时间发生改变，由此得到叶片振幅、相位、频率等振动变化参数。

假设叶片为简谐振动，叶尖振动位移可表示为

式中：ω为叶片振动频率；θ为从参考点到传感器的角度；t为叶片从参考点到传感器的时间；x为叶尖位移；a为叶片振幅；τ′为叶尖振动产生的时间漂移。

将式（2）、（3）代入式（1）中得到

考 虑 到 ωτ′＜＜1，sin（ωτ′）≈ωτ′，cos（ωτ′）≈1，可得出

如果为随机激励振动，φ值波动也是随机的。当经过一定转速后，τ出现极值为

由此，通过测叶尖脉冲变化时间τ′就可得到叶片振幅。

3 数据分析方法

3.1 非整阶次叶片振动分析方法

非整阶次叶片振动是指叶片的振动频率与转速成非整数倍关系。通常由气动失稳引起叶片振动。

3.1.1 单个叶片振动数据分析

单个叶片振动数据采样率为转速频率，远低于叶片振动频率，而频谱分析带宽内包含采样率以上的频率，此时会发生频率混叠现象。当发生混叠时，叶片的振动频率可依据如下数学公式，结合叶片固有频率计算得到

式中：fa为混叠频率；fs为采样频率；fr为响应频率；k为整数。

利用上述方法计算，所得出的在某型压气机性能试验时对应0.85转速的喘振前2级叶片振幅、振动频率和时域波形如图3、4所示。

3.1.2 整级叶片振动数据分析

当整级叶片以节径模态振动时，采用整级叶片频谱分析。此时，受旋转的影响产生行波，其中，前行波节径线旋转方向与转速旋转方向相同，后行波节径线与其相反

式中：Nb为叶片数；An为节径n响应幅值；φn为节径n响应相位；n为正数为前行波，负数为后行波。

对于奇数叶片，nna＝Nb／2；nmin＝1－Nb／2。

对于偶数叶片，nmax＝（Nb-1）／2；nmin＝-（Nb-1）／2。

对以ω旋转而参照系单一的激振频率，式（6）改为

相对于静止参考系，叶片响应频率为

整级叶片振动信号采样速率等于转速乘以叶片数，不发生频谱混叠。当进行整级叶片振动分析时，出现的频率个数将由振动模态的节径数决定。也可用2个测量传感器得到节径型模态，计算方法为

式中：Δφ为谱峰相位差；Δθ为2传感器间隔角度。

在某型压气机性能试验中，2级整级叶片振动的时域波形及频谱如图5所示。

3.2 整阶次叶片振动分析方法

在整阶次叶片振动情况下，叶片振动频率与转速成整数倍，其分析方法分为直接分析法和间接分析法。

间接分析方法是在机匣上相近的位置安装1或2个传感器，在转速连续变化时采集每个叶片振动数据，此时仅能分析单个频率振动。当叶片在变化转速范围发生共振时，用该方法能够给出发动机响应阶次及相应共振频率值。

间接分析方法对叶尖位移采样；在转速瞬态变化测试条件下，利用单自由度方法（SDOF）计算整阶次叶片振动频率。单自由度传递函数幅频及相频特性如图6所示，图6指出了叶片振动的最大值与最小值将发生在响应点比较窄的转速范围内。在某型发动机测试应用中，采用间接分析方法分析的叶片共振响应如图7所示。

4 试验验证

在模型试验器上，对旋转叶片进行激振，利用研制的测试系统测量叶片振动，并与应变计测试结果对比。

4.1 试验方法

设计了1套带有6个叶片的模拟叶盘（如图8所示），用敲击法测量的叶片固有频率见表2。每个叶片的根部粘贴应变片。采用在3个气孔通压缩空气来模拟发动机气流尾迹激振，使叶片产生1弯共振。用应变片与光纤同时测量和比较2种测试结果。

表2 用敲击法测量的叶片固有频率

4.2 试验结果

在1600～1750r/min转速范围内，采用1个传感器数据、用间接分析方法得到的叶片共振结果如图9所示。

试验结果表明，用光纤叶片振动测量系统测量得到的叶片共振结果符合叶片共振间接分析法理论,与应变片测量结果有非常好的一致性。

试验结果表明，用光纤叶片振动测量系统测量得到的叶片共振结果符合叶片共振间接分析法理论,与应变片测量结果有非常好的一致性。

5 在发动机整机试车及压气机试验中的应用

5.1 非整阶次叶片振动测量

在某型压气机试验中，在0.95等转速线、压气机喘振前，叶片发生明显振动。在0.9转速下、压气机喘振前，整级叶片振幅如图10所示。通过频率分析确定，在0.9转速下、压气机喘振前，叶片发生了1弯振动，其频率为322Hz；该叶片的1弯静频为289Hz。在0.9转速下的逼喘过程中，叶片振动频率、振幅、时间三维频谱如图11所示，叶片振动时域及频谱分析结果如图12、13所示。

5.2 整阶次叶片振动测量

某型风扇第1级转子叶片在转速为 4100～6300r/min范围内出现的4次共振测量结果如图14所示。应变片测量与光纤测量的结果基本一致。

6 结论

（1）非接触式数字光纤叶片振动测量系统可实时监测整级各叶片振幅，提供叶片振幅报警信息；根据叶片振幅变化和离线分析，可准确地确定整阶次与非整阶次叶片振动特性。

（2）叶片整阶次与非整阶次振动分析的试验验证表明，这些方法能较准确地评估叶片振动特征。

（3）在压气机试验中，使用3支光纤传感器所测得的数据分析了叶片非整阶次振动频率，其结果与应变片测量结果相一致。

（4）该系统及非整阶次叶片振动分析方法为开展压气机叶片颤振研究奠定了基础。

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[4]李勇，胡伟，等.非接触式数字光纤叶片测振应用分析与试验研究[J].航空动力学报，2008，23（1）.

Investigation and Application of Non-Contact Digital Optical Fiber Rotor Blade Vibration Measurement System

HU Wei,WANG De-you,DU Shao-hui,Yu Duo-kui
（Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang110015,China）

The analysis of integer order and non-integer order vibrations for rotor blade were performed by non-contact digital optic fiber rotor blade vibration measurement system.The simulated and compressor rig test results indicate that the non-integer order vibration such as blade resonance and flutter are effectively measured,monitored and analyzed using this system and the related algorithmand the blade vibration characteristics are accurately estimated.The result is consistent with the measurement of the strain gauge.

rotorblade;resonance;measurement system;digital optic fiber;integer order,non-integer order,non-contact;strain gauge

胡伟（1964），女，自然科学研究员，从事航空发动机旋转件测试技术研究。