基于叶尖定时法的旋转叶片振动监测技术研究与应用进展

陈庆光，王　超

（山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590）



基于叶尖定时法的旋转叶片振动监测技术研究与应用进展

陈庆光，王超

（山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590）

摘要：自叶尖定时法提出以来，其众多突出的优点使其成为当前旋转叶片在线监测领域中的研究热点。在现有文献的基础上，首先对叶尖定时测量方法的基本原理进行简述，总结近几年国内外在该领域取得的成果和研究现状；然后，介绍几种基于叶尖定时法的传感器和叶片振动参数辨识的新方法，并对其进行分析和比较。最后，提出该领域未来研究的方向和难点。

关键字：振动与波；叶尖定时法；旋转叶片；叶片振动；参数辨识；传感器

大型旋转机械是在航空、舰船以及电力、煤炭等工程和工业领域广范应用的关键设备。旋转叶片作为旋转机械设备中的核心部件，在实际工作中承受极其复杂的激振力，叶片很容易发生振动，从而导致疲劳，甚至出现裂纹、折断等故障，造成严重安全事故。因此，要保证旋转机械高效、安全、无故障运行，叶片振动监测技术是不可或缺的手段。

对叶片振动监测技术的研究始于上世纪30年代，在发展过程中逐渐由接触式测量方法过渡到非接触式测量方法。当前，对非接触测量方法的研究较多，主要有频率调制法[1]、叶尖定时法、间断相位法[2]、声响应法[3]等，其中又以叶尖定时法为该领域的研究热点。与其他测量方法相比，叶尖定时法不仅结构简单，操作方便，而且可以同时监测所有叶片的振动情况。

1　叶尖定时测量法的基本原理

叶尖定时测量法是在间断相位法的基础上发展起来的，是一种数字化的间断相位法，其本质是通过记录叶片经过静止安装在机壳上的脉冲传感器的时间间隔并将之转化为振动位移来实现叶片振动测量的[4]。

如图1所示，叶尖定时测振技术的基本原理是将多个叶尖定时传感器（S0—S2）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记录叶片到来的时刻[5，6]。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，从而使得叶片每次到达传感器的实际时间与假设叶片无振动时到达传感器的时间不相等，即脉冲实际到达时间t会随着叶片的振动发生改变，从而产生一个时间差tjk，通过不同的分析算法对该时间差序列{tjk}进行处理，即可得到叶片的振动信息。图1中，SZ为转速同步传感器，SA为叶根同步传感器，i表示叶尖定时传感器序号，j表示叶片序号，每个脉冲信号的上升沿代表一个叶片的到来。

图1　测量原理示意图

2　叶尖定时法的国内外研究现状

叶尖定时法是从上世纪60年代开始逐渐发展起来的，最先由法国的Holz提出[7]，并于上世纪70年代由Zablotsky-Korostelev发展为单参数法（又称速矢端迹法）[8]。迄今，国外很多大学和公司对叶尖定时测振技术开展了大量的研究工作，并逐渐产品化，主要用于测量叶片颤振、叶片应力、叶片疲劳以及叶片振动异常等。例如，美国空军阿诺德工程研发中心（AEDC）研发的非介入式应力测量系统（NSMS,Non-Intrusive Stress Measurement System）、德国MIU公司开发的非接触叶片振动测量系统等。但从目前检索到的文献来看，已有的研究和产品还停留在叶片振动参数的获取阶段，如果再配备相应的故障诊断和预警机制，将会使得该项技术的应用前景更加广阔。

国内对叶尖定时技术研究较多的有天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，该实验室于2002年开始对其进行研究，2003年开发出了第一代监测系统（高速实时旋转叶片振动检测系统）[9]，随后在2007年开发出了软硬件较为完整的第二代叶片振动在线监测系统[10]，并在中国燃气涡轮研究院、华北电力大学的现场试验中取得成功。2008年该实验室的张玉贵进一步完善了用于叶尖定时技术的电容式传感器[11]，开发出一套用于烟气轮机的叶片振动在线监测系统。2011年欧阳涛又提出了一种基于任意角分布的多传感器同步振动参数辨识方法[12]，弥补了之前传感器安装角度不精确的缺陷。另外，作者所在的山东科技大学通风机技术研究所，于2011年针对矿用轴流式通风机的实际工作情况，提出了适用于轴流式通风机的脉冲宽带测量法[13，14]，并在某一型号的矿用通风机上获得实验验证。上述工作使得我国在叶尖定时测振技术领域得到了一定的发展，但也不难看出，与国外相比，我国在该领域的探索依然处于理论、仿真和实验研究阶段。因此，研究开发出一整套可实际应用于具体产品的叶片振动监测系统还需要我国科研人员的进一步努力。

当前，关于叶尖定时测振系统的研究主要集中在叶尖定时传感技术和振动参数辨识技术两个方面，下面分别介绍这两种技术的研究进展。

3　叶尖定时传感器技术研究进展

叶尖定时传感器的主要功能是为后续电路提供叶尖定时信号，因此也是整个高速旋转叶片振动测量系统的关键，其精度直接影响到整个测量系统的精度。为满足不同环境对传感器的要求，在非接触式叶尖定时测量系统领域主要研究了光纤式、电容式、电涡流式、磁阻式[15]等几种类型的叶尖定时传感器。

3.1光纤式叶尖定时传感器

光纤式传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器，其实质是利用光在光纤中传播特性的变化来度量它所受环境的变化。光纤式传感器的结构小巧、响应快、精度高。目前，国内较先进的是Y型光纤束式叶尖定时传感器[16]，该传感器是在半封闭型和Y型光纤式叶尖定时传感器的基础上改进而来的。它的发射光路与接收光路是完全分离的，这样减弱了背景光的影响，提高了信噪比。现场试验也表明，该传感器能够测量的最高转速也达到了10 000 r/min，这满足了大部分的旋转机械。但是，光纤式传感器对于环境的要求极其苛刻，这也大大限制了其使用范围。国内外学者为此也做了很多努力，武汉理工大学王俊杰等提出了光纤光栅磁耦合传感器[17]，它将光纤式传感器中极易受到污染的探头替换成了一枚处于磁场中的探针，利用探针的振动改变光纤光栅中心波长的变化，反映叶片到来的时刻。这样在一定程度上降低了对环境的要求，但受探针固有频率的影响，其所能测量的转速范围也是有限的。

3.2电容式叶尖定时传感器

电容式传感器[18]在测振方面的应用较早，其实质是根据传感器芯极与叶片端面间形成的电容变化获取叶片的到来时刻。与光纤式叶尖定时传感器相比，该传感器最大的优点就是对环境的要求较低。目前，用于旋转机械叶片振动测量的主要是双屏蔽式电容传感器。

双屏蔽式电容传感器是在单屏蔽式的基础上，将单屏蔽式电容传感器测头中的单屏蔽环改为双屏蔽环改进而来的，这样能够提高传感器的抗干扰能力，但也降低了系统的带宽。另外，目前国内设计的用于旋转叶片振动监测的双屏蔽式电容传感器适用的最高转速为1 900 r/min，耐温低于200℃，能用于更高温度和转速的电容式传感器还需要进一步研究开发。

3.3电涡流式叶尖定时传感器

电涡流叶尖定时传感器[19]是利用电磁感应现象，当金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生电涡流，这个电涡流会改变传感器的原有磁场，通过检测这种变化，可以检测叶片到来的时刻。与光纤式和电容式传感器相比，电涡流式叶尖定时传感器最大的优点是能够透过机壳获取叶片到来的信号，且可以在有污染的环境中对叶片振动进行测量。在国外，英国的Qineti Q公司已经研制出了一种电涡流传感器，并在一台Spey RB168-101发动机上得到验证[20]；美国的HOOD技术公司也利用冷却装置研制出了可耐气温达1 000℃的电涡流传感器。但在国内，将电涡流传感器应用到叶片振动监测技术中的研究几乎是空白，这也是我国在该领域未来几年需要加强研究开发的重点之一。

4　叶片振动参数辨识技术研究进展

利用传感器得到一系列时间差序列{tjk}、并对其进行后处理时，由于单支叶尖定时传感器在转子旋转一周时，只能对每个叶片获得一个到来时间信号，这就相当于每个传感器以转速频率对每个叶片进行采样，而转子的转速频率远小于叶片的振动频率，因此对叶片振动的采样方法属于一种严重欠采样方法。另外，在转子旋转过程中的一段较短时间内，可以认为转速是恒定的，当叶片不振动时，传感器对叶片的采样频率是均匀的，即转速频率，但当叶片振动时，传感器对叶片的采样时间是随叶片的振动而发生变化的，即采样频率是不均匀的，因此，对叶片振动的采样方法也是一种非均匀采样。鉴于上述两种叶片振动采样方法的特点，叶片振动参数辨识技术也就成为该领域研究的热点和难点。

4.1差频法

差频法是由滕丽娜针对叶片振动采样的非均匀采样性而提出的[21]，但它只限于在叶片处于异步振动时提取出叶片的振动参数，其获得叶片振动振幅和频率的方法如下：

对于异步振动，在足够长的时间范围内可以将采集到的N个振动位移中的最大值作为叶片的振幅，但这样所用时间较长。张玉贵则给出了另外一种方法，即把N个振动位移序列做FFT变换，从峰值频率成分中获得叶片的振幅[4]，这种方法在短时间内即可获得叶片振幅，且更为准确。

对振动位移序列做FFT变换的结果是叶片实际振动频率的差频部分，再通过计算叶片的动频，并把它作为叶片实际振动频率的整频部分，差频与整频的和即为叶片的实际振动频率。由于转子转速和传感器个数的有限性，因此该方法无法克服欠采样所带来的模糊频率测量。

4.2多速率采样频率辨识法

多速率采样频率辨识法是对三均布、五均布和“5+2”法的统称，在旋转机械的壳体上等间隔地安装三支或五支传感器形成三均布法或五均布法，在五均布的基础上再安装两支传感器，并使这两支传感器与五均布中的任一传感器形成三均布则形成“5+ 2”法[22]。

在异步振动时，这三种方法均是对差频法的改进和延伸，采用增加传感器均布个数的方法增大对叶片振动的采样频率，从而大大降低被测频率的模糊程度。在同步振动时，该方法是利用同步振动不是很稳定但同步共振占优的较短时间内进行测量的。此时，若叶片振动的阶次不是传感器个数的整数倍，虽然每支叶片的振动位移是相同的，但不同传感器测得的振动位移是不同的，依然可以通过FFT变换的方法求得差频部分，从而求得叶片的振幅和频率。

4.3任意角分布法

任意角分布法[14]是利用遍历算法对叶片振动倍频进行辨识的，在旋转叶片异步振动时，其通过遍历选取不同的倍频数，将计算得到的相位差与实测相位差进行对比，找出偏离实测相位差最小的倍频数，从而求得叶片动频。将叶片动频与通过ap FFT（全相位傅立叶变换）求得的叶片差频求和，即为叶片的实际频率。在叶片同步振动，利用同步振动叶片的位移方程，遍历选取不同的倍频值，求得若干组理论振动位移值，与实测振动位移值进行比较，找出最佳的倍频值。振动频率即为倍频数与转速频率的乘积。目前该方法只是在叶片异步和同步等少数几种振动状态时是有效的，能够在喘振、失速等更多振动状态依然有效的辨识算法有待于进一步的探索与完善。

以上仅为最近几年新提出的几种叶片振动参数辨识方法，除此之外，还有一些比较经典的方法，例如，变速下可采用的速矢端迹法[23]，为克服欠采样带来的模糊问题而采用的延时采样频率测量法，以及为克服测量盲点而采用的二等夹角法等。但这些方法也大都是只针对某一方面的问题而提出的解决方案，仍无法全面而准确地识别出测量所需要的振动参数。

5　总结与展望

综上所述，人们在叶片振动监测技术的研究与应用方面做了大量的工作，经过最近几十年的发展，无论是在理论方面还是在实验研究方面都取得了丰硕的成果。但是该技术在适应叶轮机械叶片的高速旋转和复杂的运行环境方面，依然需要科研人员的不懈努力。在未来的研究工作中，应该重点关注和探索以下几个方面的问题。

（1）提高叶尖定时传感器的精度和环境适应性。叶片振动监测的准确度取决于传感器，因此，传感器的精度和环境适应能力将是未来评价一个叶片振动监测系统优劣的重要指标。另外，目前叶轮机械旋转叶片的转速在不断地提高，这对传感器的精准度也提出了越来越高的要求，所以研究可以在叶片的高转速、高污染环境中使用的传感器已迫在眉睫；

（2）探索新的叶片振动信息辨识算法。由于叶片振动采样方法存在严重欠采样性和非均匀性，使得现有的参数识别方法无法全面而准确地识别出测量所需要的振动参数。另外，现有的辨识方法仅仅能够分辨出同步和异步振动等几种叶片振动状态，而在实际应用中，对叶片颤振、失速等非常规振动状态的分辨监测也是至关重要的。因此，不断探索出可以克服上述两种采样特点所带来的模糊测量和测量盲点问题，且能够分辨出更多叶片振动状态的新的辨识方法是未来的重点研究方向之一；

（3）对叶片振动监测技术的应用与推广。国外已将叶片振动监测技术应用到具体的产品之中，而我国在该领域的起步较晚，目前也仅仅停留在理论探索和实验研究阶段。因此，研究开发性能稳定，并可以应用到实际叶轮机械中的叶片振动测量系统是我国今后一段时期内在叶片振动监测领域的一个主要方向；

（4）建立故障诊断与预警机制。将叶片振动参数监测与目前已有的旋转机械故障诊断系统相整合[24，25]，建立相应的故障类型数据库和预警机制，当机械出现故障时，能够快速而准确地判别出故障类型、定位故障源，并能够根据实时监测数据对即将发生故障的部位进行提前预警，从而避免更大事故的发生。故障诊断与预警机制的研究与应用也将使得该领域的应用前景更加广阔。

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E-mail:chenqingguang03@tsinghua.org.cn

向为流体机械。

中图分类号：O329

文献标识码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.001

文章编号：1006-1355(2016)01-0001-04+37

收稿日期：2015-03-16

基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2013EEM017）；山东省高等学校优秀骨干教师国际合作培养项目；中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目（MTKJ 2011-366）

作者简介：陈庆光(1969-)，男，博士、教授、博士生导师，主要研究方向：从事流体机械及工程、噪声与振动控制、流固耦合计算与分析等。

通讯作者：王超（1990-），男，山东济南人，硕士，主要研究方

Advances in Research andApplication of Vibration Monitoring Technology for Rotating Blades Based on Blade Tip Timing Method

CHEN Qing-guang,WANGChao

(College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,Shandong China)

Abstract:The blade tip timing(BTT)method has attracted increasing attention in the field of online detection of high speed rotating blades due to its outstanding advantages since it was put forward.In virtue of the published literatures,the basic principle of the blade tip timing method was described.Both achievements obtained at home and abroad in recent years and research situations in this field were summarized.Several kinds of sensors based on BBT method and some new techniques for blade vibration parameters identification were introduced,analyzed and compared.Finally,research interests and difficulty in future study of this field were put forward.

Key words:vibration and wave;blade tip timing method(BTT);rotating blade;blade vibration;parameters identification;sensor