基于觸發脈沖的渦輪機械葉尖間隙監測方法

王維民， 邵化金， 陳立芳， 屈 維

(北京化工大學機電工程學院 北京，100029)

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基于觸發脈沖的渦輪機械葉尖間隙監測方法

王維民， 邵化金， 陳立芳， 屈 維

(北京化工大學機電工程學院 北京，100029)

針對電渦流傳感器在進行葉尖監測時因帶寬不足導致的欠采樣問題，提出了一種基于觸發脈沖的葉片健康監測方法。通過對傳感器在不同葉尖相對位置的靈敏度進行標定，獲得傳感器靈敏度與傳感器探頭到葉尖的距離及與葉尖重合度的函數表達式。在監測過程中，將葉尖間隙與葉尖計時數據相融合，通過葉尖計時的方法得到在各個數據點的采集時刻，計算傳感器探頭與葉片的重合度，結合標定得到的函數表達式，可分析得出各個數據點對應的葉尖間隙值，并通過搭建的葉尖間隙監測實驗臺進行了實驗驗證。結果表明，較于峰值定位法，所提出的觸發脈沖法有效地解決了因電渦流傳感器帶寬限制引起的欠采樣問題，改善了高線速度下葉尖間隙的測量準確性，為基于電渦流傳感器的葉尖間隙主動控制及葉片振動監測提供基礎。

渦輪葉片； 葉尖間隙監測； 觸發脈沖； 優化靜態標定； 電渦流傳感器

引 言

根據工業燃氣輪機故障案例統計，葉片斷裂故障的所占比重逐年增高，造成嚴重的生產事故及重大的經濟損失[1]。對葉片進行實時狀態監測可提高機組的運行安全性及效率，延長維護周期，降低維修成本[2]。葉片的主要狀態參數為葉片徑向位移、周向位移及方向角，其中徑向位移直接決定葉尖間隙值的變化。葉尖間隙(blade tip clearance，簡稱BTC)與渦輪的工作效率成反比，但間隙值過小也會引起葉尖與機匣的碰摩。將葉尖間隙值控制在最佳范圍內，是保證機組在高效安全狀態下運行的有效措施[3-5]。電渦流傳感技術克服了傳統的放電探針、光纖及電容等傳感技術受機組運行環境及工況變化影響的約束，將其應用于葉片狀態監測具有較高的工程實踐價值[6-8]。然而，通常情況下渦輪葉片端部的面積遠小于探頭技術要求中的最小靶面積，而且通常的電渦流傳感器 (eddy-current sensor, 簡稱ECS) 的帶寬為10 kHz，特殊的電渦流傳感器帶寬可達到100 kHz，并不能滿足工業上600～800 m/s的葉尖線速度下準確獲取葉尖間隙的測量要求[9-11]。按照100 kHz的傳感器帶寬計算，在500 m/s的葉尖線速度下，傳感器能夠感知到的最小葉片厚度為5 mm，遠不能滿足葉尖間隙及葉片振動測量的需要。因此，急需解決電渦流傳感器對葉片狀態監測的欠采樣問題。

為解決上述問題，筆者提出基于觸發脈沖的葉尖間隙監測方法。該方法可準確獲取高速工況下的葉尖間隙值，具體技術途徑如下：a.在靜態徑向標定的基礎上，對測試葉片進行靜態周向標定，尋求測試條件下的實際靈敏度，從而建立電渦流實測信號與真實葉尖間隙值的函數關系；b.運用觸發脈沖定位技術提取葉片到達傳感器的準確時間點，并通過葉尖定時技術獲取傳感器探頭同葉尖的重合度，從而獲取葉尖間隙值；c.搭建葉尖間隙監測實驗臺，通過不同轉速下的葉尖間隙監測工作對該方法進行驗證。

1 基于觸發脈沖的葉尖間隙監測原理

采用電渦流傳感器進行葉尖間隙監測時，首先遇到的問題是葉片的厚度h遠小于傳感器探頭的尺寸。如圖1(a)所示，其中葉片厚度h為3 mm，而傳感器探頭的尺寸H為8 mm，此時，改變探頭到葉尖的距離D，輸出電壓U不再遵循傳感器出廠時的預設關系。另一個問題是，當葉片經過探頭時，葉尖與探頭的重合度ψ也會致使傳感器的靈敏度發生變化。如圖1(b)所示，對于既定的葉片厚度h和探頭尺寸H，可用傳感器中心線與葉片中心線的夾角α進行衡量，即α越接近0表明重合度ψ越大。

圖1 電渦流傳感器葉尖間隙監測原理Fig.1 BTC monitoring principle for ECS

電渦流傳感器在被測物體確定的情況下，其輸出電壓可以表述為U=f(D,h,α)。當葉片厚度h和夾角α固定時，輸出電壓U僅為距離D的函數，可采用最小二乘法對標定過程中得到的輸出電壓隨D和α的變化數據進行多項式擬合。圖2(a)為標定所得輸出電壓U與距離D的關系，圖2(b)為輸出電壓U與夾角α的關系。正常工況下，電渦流傳感器返回的電壓信號是葉尖間隙D和夾角α的函數，即U=f(D,α)，可以通過靜態標定方法得到如圖2所示的傳感器性能曲線。

圖2 葉尖間隙監測時線圈的阻抗特性Fig.2 The output voltage of blade tip monitoring

圖3 電渦流傳感器欠采樣工況Fig.3 ECS aliasing conditions

由于受到電渦流傳感器帶寬的限制，尤其是當葉尖的線速度較大時，電渦流傳感器將無法準確捕捉到葉尖電壓，甚至會發生無法采集到某些葉片的現象，如圖3所示。正常運轉的渦輪機械，其葉尖線速度一般大于400 m/s，而葉尖厚度一般不超過3 mm，則該工況下即便采用100 kHz的高帶寬電渦流傳感器，對于單個葉片，傳感器所能捕獲的電壓值平均僅有0.75個，存在欠采樣問題。因此，即使獲得了電渦流傳感器非標使用的性能曲線，也難以將其轉換為葉尖間隙值。

筆者將葉尖間隙與葉尖計時數據相融合，提出了觸發脈沖法，即通過一系列的變換手段，將測量得到的葉片波形(見圖4(a))轉換為理想的方波信號(見圖4(b))。只要能捕捉到該葉片上的任意一個采樣點，就能得到該工況下的葉尖間隙值，從而解決欠采樣工況下葉尖間隙無法準確獲取的問題。

圖4 觸發脈沖葉尖間隙監測原理Fig.4 Principle of pulse-trigger method

(1)

在整周期中的角度為

(2)

(3)

其中：Dstatic為該葉片靜態下的葉尖間隙值。

最終得到該工況下葉片的葉尖間隙為

(4)

2 葉尖間隙監測實驗臺

2.1 實驗臺概述

實驗臺由模擬柔性渦輪葉片、信號測試儀、一套Bently 3300 XL 8 mm電渦流傳感器、一套高帶寬(100 kHz)電渦流傳感器、徑向標定系統、周向標定系統、無刷直流電機、驅動器及其他輔件組成，如圖5所示。

圖5 葉片狀態監測實驗臺Fig.5 Physical picture of BTC test rig

2.2 測試葉片

實驗葉片采用調質的45鋼，如圖6所示，整個輪盤外圓為100 mm，厚度為10 mm。其中，共計16支葉片，葉高為30 mm，周向寬度為3 mm。為增加葉片的柔性，便于激勵，葉根處采用倒角處理，其最小寬度僅為1.5 mm。在輪盤中心的鍵槽處，加設有M3的頂絲進行葉片的軸向定位；在其對側開有2 mm寬、1 mm深的徑向鍵槽，用作鍵相。為了對靜態標定方法進行驗證，特意加工了不同葉高的長短葉片。該葉片除部分葉片葉高不同外，其余尺寸和技術要求均與上述葉片相同。

2.3 數采系統

實驗中，帶寬為10 kHz的本特利傳感器用作鍵相，高帶寬(100 kHz)的電渦流傳感器用以監測葉片狀態。傳感器采用24 V直流電源供電，經前置放大器與信號測試儀相連。最高可實現1.5 MHz采樣，完全滿足電渦流傳感器的測試要求。

2.4 徑向標定系統與周向標定系統

如圖7所示，徑向標定系統主要由x和y向手動位移平臺、調節支架、傳感器及其套筒等元件組成。其中，位移平臺采用交叉導軌型式的鋁合金制作，借助螺栓連接固定在操作平臺上。進行徑向標定前，需去掉護罩，調整x向測微螺桿，保證葉片與傳感器對中。隨后，調整y向測微螺桿，推動固定在位移平臺上的調節支架y向移動，進而實現葉尖間隙的調節。借助徑向標定系統，可達到0.01 mm的標定精度。

圖6 實驗用葉片圖Fig.6 Testing blisk of BTC test rig

圖7 葉片靈敏度徑向及周向標定系統Fig.7 Blade sensitivity calibration system in radial and circumstantial direction

周向標定系統主要由r向手動位移平臺、固定支架、周向調節板與調節桿等元件組成。其中，固定支架通過操作平臺上的護罩固定孔與之相連，其周向開有4個方孔，便于操作與觀察。位移平臺通過螺栓連接倒掛在固定支架內側，其上固定有周向調節板。周向調節板上開設有不同中心圓的調節桿安裝孔，與調節桿尾端螺桿相連。進行周向標定時，首先，將位移平臺調節至粗調檔，轉動位移平臺，使葉片與傳感器處于預定位置；然后，將位移平臺調至精調檔，轉動r向測微螺桿，帶動周向調節板與調節桿轉動，進而推動葉片小幅度轉動，完成周向標定。借助周向標定系統，可以達到10′的標定精度。

3 葉尖間隙監測靜態標定實驗

3.1 徑向標定

選定初始標定葉片，記為1#葉片，借助徑向標定系統，在傳感器測量范圍內，按照葉尖間隙從大到小的順序，初始步長設定為0.05 mm，至0.80～0.20 mm時，以0.03 mm作步長進行細化，讀取1#葉片不同葉尖間隙所對應的電壓值。為減小人為因素的影響，首先，各間隙下重復10次，取其平均值作為1#葉片間隙所對應的電壓值；其次，按逆時針順序，依次完成2#，3#，…，16#葉片的滿量程徑向標定；最后，借助Matlab進行數據擬合，得到不同葉片的葉尖間隙與電壓值的關系曲線。圖2(a)為5#葉片徑向標定結果，其擬合優度R2=0.999 8

U=-9.743 730D+0.065 941

(5)

從擬合曲線可知，葉尖電壓U隨葉尖間隙值D的改變呈線性變化。

3.2 周向標定

選取1#葉片的某一徑向間隙下，以0.5 mm葉尖間隙為例，以50′為步長，讀取1#葉片與傳感器不同周向位置時的電壓值。首先，重復標定5次，并取其平均值作為1#葉片在0.5 mm葉尖間隙下的周向標定數據；其次，依次完成2#，3#，…，16#葉片在0.5 mm葉尖間隙下的周向標定；最后，借助Matlab進行數據擬合，得到各葉片在0.5 mm葉尖間隙下的周向標定曲線。圖2(b)為0.5 mm時5#葉片的周向標定結果，其擬合優度R2=0.999 7

U=-0.000 171α2+0.058 698α-9.850 167

(6)

從擬合曲線可以看出，葉尖電壓U與夾角α呈拋物線關系，當傳感器中心線與葉片厚度中心線重合時，葉尖電壓最大為-4.81 V。

4 葉尖間隙監測實驗

4.1 數據采集

在完成葉片靜態標定的基礎上，將長短葉片實驗臺5#葉片的葉尖間隙調至0.5 mm，從1 800～3 900 r/min每間隔300 r/min開展1次3.2，6.4，12.8，25.6，51.2及102.4 kHz采樣頻率下葉尖間隙監測實驗。

4.2 數據處理

峰值定位法認為葉片信號中的峰值點即為該葉片通過傳感器探頭時的葉尖電壓，將其直接代入靜態徑向擬合曲線，便可得到該葉片的葉尖間隙值，如圖8所示。從圖中可以看出，峰值定位法測量的葉尖間隙值整體趨勢與測試葉片的幾何參數相符，表明在該工況下能夠獲得葉尖電壓值，但5#葉片的葉尖間隙值為0.564 063 mm，與靜態的初始間隙0.5 mm相比明顯增大。采用筆者提出的觸發脈沖法，即按照測試原理中所述方法處理上述工況下的測試數據，結果見圖8。

圖8 葉尖間隙值測量結果(12.8 kHz,3.9 kr/min)Fig.8 BTC values in sub-nyquist sampling condition(12.8 kHz，3.9 kr/min)

圖9為8#葉片分別采用峰值定位法與觸發脈沖法得到的葉尖間隙隨轉速的變化結果(采樣頻率為12.8 kHz)?？梢钥闯觯篴.電渦流傳感器在高轉速運行工況下會產生欠采樣偏差問題，若只進行葉尖間隙靜態徑向標定，用峰值定位法進行間隙測量，實測輸出電壓所對應的靈敏度將出現明顯偏差，測得的葉尖間隙結果隨轉速的升高不斷增大;b.觸發脈沖法測得葉尖間隙值隨轉速的增大呈減小趨勢，變化率隨轉速呈不斷增大趨勢;c.觸發脈沖技術較峰值定位法能更準確地捕捉高速下的葉尖間隙值。

圖9 8#葉片處理結果Fig.9 BTC Values of 8# Blade

5 結 論

1) 在靜態徑向標定的基礎上，采用靜態周向標定技術將傳感器采集的輸出電壓信號準確轉化為葉尖間隙位移信號，作為葉尖間隙監測實驗的基礎，很好地解決了高轉速運行狀態下葉尖間隙信號的欠采樣偏差問題，通過實驗可準確測量1 800～3 900 r/min轉速范圍內的葉尖間隙值。

2) 采用觸發脈沖葉尖定時測量法，應用于葉片振動參數的測量實驗中，能彌補葉尖通過傳感器時的定位偏差問題。相較于峰值定位法，葉片定位更加準確，振動幅值的測量精度更高。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.03.025

國家自然科學基金資助項目(51275028，51135001)；北京高等學校青年英才計劃資助項目(YETP0495)

2015-09-23；

2015-12-15

TK477; TK268; V216.2

王維民，男，1978年4月生，教授、博士生導師。主要研究方向為旋轉機械動力學分析、狀態監測及故障診斷。曾發表《An identification method for damping ratio in rotor systems》(《Mechanical Systems & Signal Processing》2015)等論文。 E-mail：wwm@mail.buct.edu.cn 通信作者簡介：陳立芳，女，1973年3月生，博士、工程師。主要研究方向為旋轉機械主動平衡技術。 E-mail：chenlf@mail.buct.edu.cn