间断相位法测量叶片同步振动幅值的研究

　　基于叶尖定时原理的非接触旋转叶片测振技术已发展为高速旋转机械振动测量领域研究的热点。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。相比而言,非接触旋转叶片测振技术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。

　　目前,在轮机旋转叶片振动测量中,测量原理本身决定测振系统为一个欠采样系统,获得的振动信息少。叶片同步振动的幅值测量因系统获得的信息更加匮乏而成为一个测量难点。本文针对这个难点,给出了间断相位法的分析理论,并进行了相应的计算机仿真,为叶片同步振动的幅值测量提供一条可行的思路。

　　1　系统组成与工作原理

　　如图1所示,整套非接触式旋转叶片测振系统由四部分组成,即:传感器模块、定时信号光电转换模块、信号采集与预处理模块、计算机数据处理模块。

　　首先叶尖定时传感器(S0~S6)安装在机匣的外罩上来感应叶尖信号的到来,转速同步传感器(SZ)安装在转轴处来标明各圈信号的起始时刻。系统工作时,当被测叶片经过叶尖定时传感器时,在传感器的接收端形成一个光脉冲,由光电转换模块将该光脉冲转化为电脉冲信号,并经整形处理转化为TTL电平信号,那么叶尖定时传感器输出的数字信号即记录了相应叶片到来的时刻。经过后续信号采集和预处理系统将脉冲序列转化为以转速同步信号为基准的时间计数值序列{t}。如果叶片无振动(暂不考虑转速的脉动)的旋转,{t}序列是固定不变的。实际上,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不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,故{t}序列实际上包含了叶片振动的信息。将这些包含叶片振动信息的数据采集到计算机后,通过软件的不同分析算法对该信号序列{t}进行处理,可得到叶片同步振动、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。图1中SZ为转速同步传感器, SA为角基准传感器,用于抑制转速不稳引起的测量误差。

　　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]记录自转速同步信号到叶尖信号到来的时间tij,如图2所示, i表示叶尖定时传感器序号, i∈[0,S],S为传感器数量; j表示叶片序号, j∈[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[0,2π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θij=tij/T,而叶片无振动的θij0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