測(cè)試技術(shù)作業(yè)1

1、燃?xì)廨啓C(jī)葉片的狀態(tài)監(jiān)測(cè)學(xué)校：哈爾濱工程大學(xué)班級(jí)：20130314班成員：王志強(qiáng)（2013031420） 王思博（2013031419） 張伊非（2013031425）燃?xì)廨啓C(jī)葉片的狀態(tài)監(jiān)測(cè)一、背景 燃?xì)廨啓C(jī)是一種故障率高的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械，在其諸多故障模式中，葉片斷裂所占的比重呈逐年增高趨勢(shì)。尤其在耐高溫材料技術(shù)未出現(xiàn)有效突破的情況下，葉片斷裂問題顯得更加突出，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及重大的經(jīng)濟(jì)損失。目前對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的維修保障幾乎都是采用在運(yùn)行限定的時(shí)間后對(duì)其解體檢修，并更換葉片等關(guān)鍵部件等方式。然而由于運(yùn)行環(huán)境等原因，常常發(fā)生葉片的碰摩、腐蝕、裂紋等故障，很多機(jī)組的葉片在未達(dá)到預(yù)定壽命時(shí)就發(fā)生了斷裂；

2、或者在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中出現(xiàn)葉尖間隙過大，從而導(dǎo)致低效運(yùn)行。對(duì)葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)可有效提高機(jī)組的運(yùn)行安全性及效率，其中葉尖徑向位移、葉尖周向位移及葉片的方向角為其主要狀態(tài)參數(shù)，葉尖的徑向位移直接決定葉尖間隙值的變化，葉尖的周向位移及葉片方向角的變化可以反映葉片的振動(dòng)狀態(tài)。對(duì)葉尖間隙、葉間間距及葉片振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，可以有效反映葉片的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。我們通過對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片運(yùn)行狀態(tài)故障特征及失效機(jī)理進(jìn)行分析研究，提出一種基于電渦流脈沖技術(shù)的葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)方案及一套基于優(yōu)化故障樹分析法的葉片故障診斷方案。主要工作包括: 1、基于電渦流傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)一種葉尖間隙測(cè)量方案，在靜態(tài)徑向標(biāo)定的基礎(chǔ)上

3、，結(jié)合整周期時(shí)間歷程波形的變化規(guī)律，提出一種靜態(tài)徑向標(biāo)定與周向標(biāo)定相結(jié)合的動(dòng)態(tài)靈敏度獲取方案，可以準(zhǔn)確的獲取不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)靈敏度，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該測(cè)試方案進(jìn)行驗(yàn)證，可測(cè)量得到不同轉(zhuǎn)速下的葉尖間隙值，一定程度上解決了電渦流傳感器對(duì)于欠靶面積及高速欠采樣的測(cè)試問題;對(duì)于葉片振動(dòng)參數(shù)，將觸發(fā)脈沖技術(shù)應(yīng)用于葉尖定時(shí)測(cè)振實(shí)驗(yàn)，該方法較好的彌補(bǔ)了葉片到達(dá)的定位偏差問題，相較于傳統(tǒng)的峰值葉尖定時(shí)測(cè)量法，葉片定位更加準(zhǔn)確，保證了振動(dòng)幅值的測(cè)量精度，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用自回歸葉尖定時(shí)算法獲取不同轉(zhuǎn)速下的葉片振動(dòng)幅值及振動(dòng)頻率。 2、通過有限元分析法對(duì)葉尖間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過將計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在5O

4、OOr/min的運(yùn)行轉(zhuǎn)速下，葉尖間隙值具有較高的準(zhǔn)確性。而在更高的轉(zhuǎn)速下，需要進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)量技術(shù)或提高探頭頻響極限；根據(jù)實(shí)際機(jī)組工況，采用熱結(jié)構(gòu)耦合技術(shù)對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)下的透平葉片進(jìn)行葉尖間隙變化的模擬研究，完成對(duì)兩種慣性載荷及熱載荷共同作用下葉尖間隙變化規(guī)律及影響權(quán)重的定量分析，為實(shí)際機(jī)組測(cè)試提供分析基礎(chǔ)。3、應(yīng)實(shí)際工程項(xiàng)目要求，制定一種基于優(yōu)化FTA法的燃?xì)廨啓C(jī)葉片故障診斷方案，將該方案應(yīng)用于工程案例，可以分別解決葉片斷裂的故障原因分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并相應(yīng)開發(fā)一套燃?xì)廨啓C(jī)葉片故障診斷系統(tǒng)。二、燃?xì)廨啓C(jī)葉片健康性監(jiān)測(cè)及故障診斷的重要性燃?xì)鉁u輪機(jī)械不僅廣泛的應(yīng)用于民用航空、船舶運(yùn)輸業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，

5、同時(shí)在軍事應(yīng)用領(lǐng)域中，更是作為高性能戰(zhàn)斗機(jī)、驅(qū)逐艦、甚至大型航母的核心動(dòng)力裝備，逐漸展現(xiàn)出舍我其誰(shuí)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、軍事價(jià)值、政治價(jià)值及社會(huì)價(jià)值。對(duì)國(guó)民生活質(zhì)量的穩(wěn)步提高及高水平國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)的順利實(shí)現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用。作為一種運(yùn)行功率大、占地體積小、安裝作業(yè)量小、能源利用效率高、排放氣體污染小等優(yōu)勢(shì)于一身的高新設(shè)備，燃?xì)廨啓C(jī)部件精密、構(gòu)造復(fù)雜、生產(chǎn)工況要求高、維修自愈性能低，這些特點(diǎn)決定了燃?xì)廨啓C(jī)是一種故障頻發(fā)的設(shè)備，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)各部分運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及診斷是尤為重要的。作為其核心元件的葉輪及葉片，更是決定著燃?xì)廨啓C(jī)能否高效、安全、可靠運(yùn)行的重中之重。國(guó)際上對(duì)于葉片健康性的研究領(lǐng)域投入很大關(guān)注，美

6、國(guó)軍方估算每年有一筆100萬(wàn)美元的專項(xiàng)資金用于檢查和維修渦輪機(jī)葉片的典型故障-高周疲勞故障。隨著渦輪機(jī)械朝著更高的溫度、壓力比要求發(fā)展，葉片故障，特別是在熱端部件的葉片故障變得更加頻繁。葉片健康對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)械健康運(yùn)行的有著至關(guān)重要的意義。目前，對(duì)葉片運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要分為葉尖間隙值及葉片振動(dòng)參數(shù)。其中，葉尖間隙值的變化可以針對(duì)性的反映諸多葉片故障，對(duì)于葉片萌生裂紋、葉尖碰磨等故障的早期階段具有特征預(yù)警，同時(shí)可以進(jìn)行故障位置的定位；葉片振動(dòng)參數(shù)如：振動(dòng)幅值、激振頻率，轉(zhuǎn)速頻率，共振區(qū)域，最大振幅，激振倍頻等可以分析葉片在振動(dòng)狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變，對(duì)葉片裂紋的萌生起到預(yù)警作用。通過燃?xì)廨啓C(jī)葉片健康性監(jiān)

7、測(cè)，在葉片發(fā)生斷裂等嚴(yán)重性故障之前進(jìn)行機(jī)組維護(hù)，將故障造成的損失及維護(hù)成本降低到可接受的范圍之內(nèi)。葉片監(jiān)測(cè)及故障診斷不僅可以保證燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組健康可靠運(yùn)行，還可以通過葉片監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)保持或提高燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行效率，同時(shí)降低燃料及介質(zhì)的成本花費(fèi)。國(guó)際研究機(jī)構(gòu)的RR公司研究得出，葉尖間隙值每增加約占本身葉片長(zhǎng)度的1，透平的運(yùn)行效率約降低1.5,燃燒室的耗油率約增加3。燃燒室的耗油率增加1，可使燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的全壽命費(fèi)用增加0.7，透平的排煙溫度上升10C。葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)保障了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性，結(jié)合葉尖間隙值、葉片間距值及其他葉片振動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量及分析計(jì)算，應(yīng)用計(jì)算結(jié)果及故障征兆對(duì)葉片及

8、機(jī)匣的空間位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對(duì)故障葉片進(jìn)行定位、診斷并提出維護(hù)方案，對(duì)良好解決故障早期預(yù)警及基于高效運(yùn)行的葉尖間隙主動(dòng)控制有著積極的作用，系統(tǒng)性的提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。三、燃?xì)廨啓C(jī)葉片典型故障模式及原因旋轉(zhuǎn)葉片在工作時(shí)承受著很大的負(fù)荷，由于機(jī)組本身的設(shè)計(jì)工況，介質(zhì)燃料具有的高溫、高壓、高腐蝕等特性，同時(shí)受到不確定性外部環(huán)境變化的影響。葉片的工作環(huán)境極端苛刻，葉片在長(zhǎng)期的運(yùn)行狀態(tài)下： 1.葉片受到自身離心力作用，包括轉(zhuǎn)子運(yùn)行速度及啟機(jī)和停機(jī)過程中所受到的加速度和降速度。離心力是由轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的，葉身、葉根、臺(tái)肩、拉筋等組成部分的質(zhì)量分布起到了關(guān)鍵作用，離心力的作用可以使葉片產(chǎn)生拉應(yīng)

9、力，使其徑向位移發(fā)生變化，還可以產(chǎn)生偏心拉應(yīng)力，從而在葉片上產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。 2.葉片受到氣流激振力的作用。這種氣流激振力具有隨機(jī)不確定性及周期性變化的雙重規(guī)律，并且受到外部環(huán)境的影響，對(duì)葉片產(chǎn)生的作用位置及作用效果受到機(jī)組運(yùn)行工況的影響。 3.葉片葉根與葉盤、葉盤與轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生的交變力或交變力矩會(huì)引起機(jī)械力對(duì)葉片的作用，且方向具有隨機(jī)性，同時(shí)這種機(jī)械力是一種可以被利用進(jìn)行葉尖間隙主動(dòng)控制的良性作用力。 4.葉片在高溫高壓燃?xì)獬掷m(xù)作用的工作環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)沖擊及分離現(xiàn)象。葉身受熱不均，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，而一般熱應(yīng)力在啟動(dòng)升速及停機(jī)的降速運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)葉片影響較小，在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下影響較大。上述運(yùn)行工況

10、與施加載荷決定了葉片故障的頻繁發(fā)生，而故障的原因是多方面的，他們包括振動(dòng)、疲勞、磨損、脆變、外物損傷、腐蝕、侵蝕、氧化、硫化和蠕變等。盡管使用高性能、高計(jì)算速率的設(shè)計(jì)工具，并且設(shè)計(jì)理念及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案正趨于完善，然而葉片故障仍然普遍存在于大型壓縮機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中。造成這種情況主要有以下原因：1.在燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，出現(xiàn)不可避免的機(jī)組振動(dòng)激勵(lì)（包括空氣動(dòng)力學(xué)和各類機(jī)械傳動(dòng)激勵(lì)）和相互禍合的失效故障模式。2.在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，一些對(duì)葉片的激勵(lì)力通常是在設(shè)計(jì)分析中考慮不到的。這些故障的產(chǎn)生主要是由于初始設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)分析失誤。由于設(shè)計(jì)出的葉片幾何形狀復(fù)雜，這使得先進(jìn)的有限元建模及施加載荷變得很難把

11、握較高的精確性。葉片、輪盤、緩沖器相互之間的振動(dòng)以及作用和“組合模式”的出現(xiàn)使得問題進(jìn)一步復(fù)雜化，從而使得設(shè)計(jì)分析問題變得突出。3.在設(shè)計(jì)分析問題頻繁暴露的同時(shí)，加工制造問題同樣加入了“攪局者”的行列，由于葉片數(shù)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以相應(yīng)的加工精度要求極高，在同一級(jí)葉片組中，“相同”的葉片之間的非均勻性以及葉片的質(zhì)量控制成為問題。4.燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行介質(zhì)具有高速、高溫、雜質(zhì)含量高等特點(diǎn)，葉片暴露于復(fù)雜苛刻的介質(zhì)環(huán)境中，若保護(hù)涂層或進(jìn)氣過濾系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很可能造成以下?lián)p傷：包括蠕變、氧化、硫化、磨損、熱損傷和熱疲勞相互作用，產(chǎn)生了復(fù)合的失效故障模式。5.燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子輪盤具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其轉(zhuǎn)子本身的固

12、有模態(tài)與運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)模態(tài)相符合時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)高周疲勞失效的快速發(fā)展，在此階段輪盤及葉片易產(chǎn)生疲勞裂紋。6.組件內(nèi)部的質(zhì)量控制問題，其中有一個(gè)冷卻通道被阻塞。冷卻空氣運(yùn)輸系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題。從而限制了熱端部件冷卻空氣的流動(dòng)。一些燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)了外部冷卻器，以此來(lái)冷卻壓縮機(jī)內(nèi)的氣體。這些冷卻的故障可能導(dǎo)致流動(dòng)受抑制和一些后續(xù)問題。重要的是對(duì)這些冷卻器進(jìn)行監(jiān)測(cè)以確保冷卻氣體的正常供應(yīng)。7.單軸燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)很少發(fā)生超速現(xiàn)象，由于軸流式壓縮機(jī)的功率吸收限制了超速的發(fā)生。然而自由動(dòng)力渦輪機(jī)會(huì)發(fā)生超速。超速通常被增加推力負(fù)載所造成的轉(zhuǎn)子定子接觸所限制。在超速25的情況下，葉片受到的應(yīng)力將會(huì)達(dá)到其設(shè)計(jì)值的約1.5

13、6倍。研究人員布洛赫在1982年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：渦輪葉片和轉(zhuǎn)子部件造成的故障問題占燃?xì)廨啓C(jī)故障總數(shù)的28，為首要原因。渦輪噴嘴和固定部分僅占18。燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)及制造專家登達(dá)斯提供了過去8年中燃?xì)廨啓C(jī)故障損壞所花費(fèi)維修及保養(yǎng)成本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。渦輪葉片冷卻、高周疲勞、蠕變、相關(guān)的喘振占了重型燃?xì)廨啓C(jī)損壞花費(fèi)總數(shù)的62。表1提供了登達(dá)斯調(diào)查的重型燃?xì)廨啓C(jī)和航改燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。表1 燃?xì)廨啓C(jī)的故障原因損失原因燃?xì)廨啓C(jī)故障原因占總數(shù)比率（）航改型燃?xì)廨啓C(jī)故障維護(hù)費(fèi)用占總數(shù)比率（）渦輪葉片冷卻空氣缺失148.5渦輪葉片的高循環(huán)疲勞122轉(zhuǎn)子部件的蠕變197壓氣機(jī)喘振51壓氣機(jī)葉片的高循環(huán)疲勞127.

14、5渦輪輪盤損傷117.5熱性裂解411內(nèi)部過熱212.5內(nèi)燃或爆炸524輔機(jī)及其他故障1619從燃?xì)獾溳啓C(jī)投入使用以來(lái)，葉片失效及故障問題就一直困擾著設(shè)計(jì)人員和操作人員。在第二次世界大戰(zhàn)前夕及戰(zhàn)時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)在德國(guó)奧海因和英國(guó)惠特爾得到了加速的發(fā)展。一些早期的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了葉片故障并且在這個(gè)時(shí)候開始了大量關(guān)于葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷的研究。其中典型的葉片故障問題出現(xiàn)在Junker Jumo 004飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上(梅塞施米特式戰(zhàn)斗機(jī)M262的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī))，并由研究人員馬赫-豪基所發(fā)現(xiàn)并給以相關(guān)機(jī)理分析及診斷結(jié)論。此后，針對(duì)由于高頻周期循環(huán)疲勞而失效的渦輪葉片，研究人員開發(fā)了一些新穎的基于共振頻率的監(jiān)

15、測(cè)方法，包括一種通過小提琴的琴弓對(duì)渦輪葉片的摩擦使得一位經(jīng)驗(yàn)豐富的音樂家來(lái)檢測(cè)葉片聲音(共振頻率)的方法。隨著葉片疲勞裂紋及葉片斷裂現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)，涉及葉片振動(dòng)和葉片故障的大量開拓性工作是由著名機(jī)械工程師馬克西博士完成的，如圖1-1所示，一個(gè)復(fù)雜渦輪增壓器的葉片疲勞故障得到監(jiān)測(cè)并完成及時(shí)處理。在英國(guó)惠特爾，研究人員解決了一臺(tái)機(jī)器的渦輪葉片及葉輪的監(jiān)測(cè)及故障問題。圖1-2描繪了一個(gè)早期惠特爾渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪故障。圖1-2 Whittle 早期的噴氣式飛機(jī)中的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪失效四、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)的葉片運(yùn)行狀態(tài)測(cè)量技術(shù)雖然起步晚，但在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)和工程應(yīng)用方面仍然有新的突破點(diǎn)，所應(yīng)用的葉尖

16、間隙及定時(shí)測(cè)量技術(shù)主要有放電探針技術(shù)、電容式傳感技術(shù)、光纖式傳感技術(shù)及電渦流傳感技術(shù)等。沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所采用較為成熟的放電探針技術(shù)對(duì)單級(jí)風(fēng)扇及高壓壓氣機(jī)進(jìn)行葉尖間隙測(cè)量，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的葉尖間隙變化進(jìn)行對(duì)比分析；中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院采用電容式傳感技術(shù)完成了標(biāo)定測(cè)量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院通過從ROTADATA研究院引入整套電容式葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)CAPLONG，完成了燃?xì)廨啓C(jī)H型葉片的間隙測(cè)量，可以分別測(cè)試葉背間隙值和葉盆面的間隙值，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和擬合反算的處理方法應(yīng)用該系統(tǒng)獲取葉輪輪盤的軸心軌跡；天津大學(xué)精密儀器與光電子實(shí)驗(yàn)室及哈爾濱工程大學(xué)信息與通信實(shí)驗(yàn)室采用光纖式傳感器技術(shù)對(duì)煙

17、氣輪機(jī)、汽輪機(jī)及鼓風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行葉片定時(shí)測(cè)振的研究工作。通過結(jié)合ESPRIT算法與插入合理樣條函數(shù)的技術(shù)解決了葉片振動(dòng)信號(hào)識(shí)別不準(zhǔn)確的問題，同時(shí)所設(shè)計(jì)搭建的葉尖定時(shí)測(cè)振系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多傳感器任意布局的便捷方案，學(xué)習(xí)并掌握了國(guó)際上所應(yīng)用的葉片恒速同步振動(dòng)及變速同步振動(dòng)問題，融合了轉(zhuǎn)子不平衡定量分析法相關(guān)原理，結(jié)合葉片振動(dòng)響應(yīng)禍合模型完成對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡特征征兆對(duì)葉片定時(shí)測(cè)振精度的影響。華北電力大學(xué)的研究人員針對(duì)汽輪機(jī)葉片的葉尖間隙測(cè)量問題建立出相應(yīng)的葉尖間隙模擬測(cè)試系統(tǒng)，并開發(fā)出相應(yīng)的軟件計(jì)算系統(tǒng)。哈爾濱工程大學(xué)的研究人員運(yùn)用光敏元件接收反射光，并在CCD上成像的原理，開發(fā)出基于激光三角測(cè)量技術(shù)的

18、葉尖間隙測(cè)量應(yīng)用方案，并已逐步在靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)及優(yōu)化方案。南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、海軍工程學(xué)院等國(guó)內(nèi)多所高校已經(jīng)開展了相應(yīng)針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪葉片的葉尖間隙有限元仿真建模及分析計(jì)算。然而我們?nèi)匀灰吹絿?guó)內(nèi)研究方面的短板和局限性：放電探針技術(shù)在原理上雖然無(wú)需進(jìn)行校準(zhǔn)且操作使用便捷，然而局限于測(cè)量最小的葉尖間隙值，無(wú)法測(cè)量出每個(gè)葉片的葉尖間隙，所以工程實(shí)踐價(jià)值甚微，無(wú)法完成精確定位并且動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)低使得診斷準(zhǔn)確性較低，目前仍然處于實(shí)驗(yàn)研究的初級(jí)階段；電容式傳感器大部分是直接引入國(guó)外的成套測(cè)試系統(tǒng)，造價(jià)昂貴，研究經(jīng)濟(jì)性較低；光纖式葉尖間隙測(cè)試系統(tǒng)由于測(cè)試結(jié)構(gòu)精密，硬件尺寸大、信

19、號(hào)處理及測(cè)試控制過程復(fù)雜，所以工程應(yīng)用性差，廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究。相較于以上三種技術(shù)的弊端，電禍流傳感器技術(shù)更適用于長(zhǎng)周期復(fù)雜工況下的機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)，受介質(zhì)、環(huán)境和工況對(duì)測(cè)量的影響較小，技術(shù)提升空間及應(yīng)用范圍較大。國(guó)外對(duì)于葉尖定時(shí)測(cè)量的研究起步較早，理論研究與工程實(shí)踐研究均達(dá)到了一個(gè)比較高的水準(zhǔn)。前蘇聯(lián)學(xué)者克切利尼科夫早在二十世紀(jì)八十年代就己經(jīng)對(duì)渦輪葉片振動(dòng)的測(cè)量問題進(jìn)行研究，主要采用間斷相測(cè)量方法主要利用渦輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，間斷測(cè)量葉片振動(dòng)過程中的葉片狀態(tài)參數(shù)。間斷相位法的頻率限制值是由接受信號(hào)的頻率所確定的，在測(cè)量葉片振動(dòng)時(shí)，頻率極限值本身與轉(zhuǎn)速有關(guān)：即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率越高，所測(cè)量葉片振動(dòng)頻率的極限帶

20、寬越高。通過測(cè)量計(jì)算分析，可獲取葉片振動(dòng)的相對(duì)位移、葉片振動(dòng)的速度、葉片振動(dòng)的頻率、相位角，同一葉片組之間的相位以及葉片振動(dòng)的振型。法國(guó)Fogale公司以發(fā)動(dòng)機(jī)葉片很容易受到FOD外物損傷危害作為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)技術(shù)人員不易通過人工目測(cè)觀察的方式來(lái)發(fā)現(xiàn)這些葉片損傷的問題，開發(fā)了非接觸式葉尖定時(shí)測(cè)振及診斷方案，可監(jiān)測(cè)到葉片上較細(xì)微的損傷，克服了在葉片上安裝應(yīng)變片的一些弊端。研究人員比爾·伯切爾可以根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及葉片每次經(jīng)過的時(shí)間，計(jì)算出每個(gè)葉片之間的距離。(原理:恒定的時(shí)間代表恒定的距離，如果葉片彎曲、扭曲或非正常振動(dòng)，葉片間距離將有差異。例如，葉片提前到達(dá)，可能是葉片向前彎曲;葉片滯后到

21、達(dá)，可能是葉片向后彎曲。)該方案的核心技術(shù)是THX電容式傳感器，THX是能夠提供冷卻方式1400高溫下測(cè)量的傳感器，且靜態(tài)標(biāo)定無(wú)需動(dòng)態(tài)模擬、線損自動(dòng)補(bǔ)償、高測(cè)量精度。THX電容式傳感器主要類型如下:三同軸、類三同軸、雙同軸(其中三同軸電容式傳感器在靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量、抗振性、耐溫性以及電纜長(zhǎng)度影響幾個(gè)性能方面均表現(xiàn)出高性能)。其中振動(dòng)范圍<150g，振動(dòng)頻率在10-20kHz范圍內(nèi)，溫度小于1400。電容式三同軸傳感器如下圖所示： Hood Technology公司從1999年就開始研究葉尖定時(shí)測(cè)振技術(shù)，從直徑為5cm的渦輪增壓器到直徑為4m的汽輪機(jī)渦輪，進(jìn)行了200次以上的有效實(shí)驗(yàn)，具

22、有豐富的理論基礎(chǔ)及歷史經(jīng)驗(yàn)。轉(zhuǎn)子振動(dòng)測(cè)量，葉尖間隙測(cè)量，相位角測(cè)量，多模型測(cè)量。通過可視化監(jiān)測(cè)及聲波報(bào)警的方式對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行報(bào)警。測(cè)試達(dá)到了很高的參數(shù)要求，其中燃?xì)鉁囟?-401050；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：超過20000rpm；輪緣線速度：800m/sec；直徑：5cm4m；變形量：3m 5m；葉片數(shù)：超過150W；多軸：技術(shù)支持；通道數(shù)：每個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)超過30通道。葉片監(jiān)測(cè)過程起始于傳感器，葉尖間隙定時(shí)測(cè)振的傳感器建立在各種操作原則之上，Hood技術(shù)公司主要開發(fā)兩種傳感器類型：電渦流傳感器和光電式光纖傳感器。選擇傳感器的類型、數(shù)量及位置取決于物理約束、環(huán)境以及測(cè)試目標(biāo)決定。傳感器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸通

23、過客戶的測(cè)試設(shè)置進(jìn)行集成，或者Hood技術(shù)公司的工程師們會(huì)與客戶一起研制負(fù)荷特殊安裝需求的傳感器。安裝于尺寸為65cm*90cm* 110cm的機(jī)箱里。當(dāng)葉片尖端通過定時(shí)傳感器時(shí)，傳感器產(chǎn)生模擬脈沖信號(hào)。遠(yuǎn)程前置放大器安裝在轉(zhuǎn)子附近，并與各傳感器相連接。針對(duì)這些光學(xué)傳感器，此遠(yuǎn)程前置放大器中包含激光和光電二極管，接受能量并通過一條長(zhǎng)電纜向Hood技術(shù)公司開發(fā)的葉片振動(dòng)傳感器接口(BVSI)單元發(fā)送緩沖信號(hào)。除了為前置放大器提供能量，葉片振動(dòng)傳感器接口對(duì)每一個(gè)葉片觸發(fā)脈沖，生成時(shí)間精確的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)控制平臺(tái)應(yīng)用Hood技術(shù)公司開發(fā)的葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件。此軟件可以使用戶便捷的調(diào)節(jié)每個(gè)傳感器采集

24、信號(hào)的狀態(tài)參數(shù)和觸法參數(shù)。軟件設(shè)置有可視化葉片間隙、葉片振動(dòng)及葉片偏轉(zhuǎn)，并進(jìn)行可視化及聲波報(bào)警?？蛇\(yùn)用葉片振動(dòng)分析軟件進(jìn)行更詳細(xì)的脫機(jī)分析和報(bào)告生成，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行測(cè)試。如圖下為葉尖間隙及振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)圖。美國(guó)宇航局格倫研究中心通過光學(xué)儀器和無(wú)損探傷進(jìn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的控制實(shí)驗(yàn)，通過各種先進(jìn)傳感技術(shù)進(jìn)行本地和全球遠(yuǎn)程檢測(cè)葉輪及葉片損傷。對(duì)沒有任何損傷的葉輪與人為加工損傷(如一條小裂紋或一個(gè)凹口)的葉輪進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的比較，求解出評(píng)價(jià)結(jié)果。隨后提出轉(zhuǎn)子輪盤旋轉(zhuǎn)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并發(fā)展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)系統(tǒng)。具有缺陷的葉輪，表現(xiàn)為相位響應(yīng)上升明顯，同時(shí)，圖中顯示在一個(gè)5O

25、OOr/min至9000r/min之間的臨界轉(zhuǎn)速頻率上出現(xiàn)峰值，然后在最大速度接近第二個(gè)臨界轉(zhuǎn)速頻率時(shí)趨于穩(wěn)定。所以與無(wú)裂紋轉(zhuǎn)子輪盤圖相比，阻尼比保持曲線的整平，從周期性數(shù)據(jù)中檢測(cè)得到表明裂紋延展的信號(hào)。同時(shí)當(dāng)通過臨界轉(zhuǎn)速頻率過程中，頻譜曲線以轉(zhuǎn)速頻率平方倍呈上升變化。這種幅值的增長(zhǎng)是裂紋發(fā)展的一項(xiàng)重要指標(biāo)。以此證明了基于葉尖間隙響應(yīng)的檢測(cè)方案可以識(shí)別運(yùn)行轉(zhuǎn)子存在的缺陷。五、葉尖間隙測(cè)量1、電容式葉尖間隙測(cè)量技術(shù)電容測(cè)量法原理是基于測(cè)量探頭端面與葉片尖部端面所組成的電容。傳感器探頭端面構(gòu)建測(cè)量電容的一級(jí)，葉片尖部端面構(gòu)建電容的另一極，所產(chǎn)生電容值是由多種因素決定的，主要有空間位置坐標(biāo)，幾何形狀

26、以及兩極間介質(zhì)所構(gòu)成的綜合函數(shù)。如下圖為電容式葉尖間隙傳感器的結(jié)構(gòu)圖。電容計(jì)算公式如下： C=0rS/d其中C為輸出電子電容，0為真空介電常數(shù)，r為氣體介質(zhì)介電常數(shù)，S為探頭端面與葉尖端面的有效極板面積，d為葉尖間隙值。通過前置器將傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償、放大及信號(hào)處理，將其轉(zhuǎn)化為電壓交流信號(hào)。對(duì)目標(biāo)機(jī)組進(jìn)行測(cè)試之前，需要進(jìn)行相關(guān)靜態(tài)標(biāo)定，也就是獲取電容傳感器的靈敏度。首先，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)標(biāo)定需要的條件是在標(biāo)定期間，輸出電壓具有足夠好的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)在靜態(tài)時(shí)與動(dòng)態(tài)時(shí)相同；其次，標(biāo)定臺(tái)的代表性和精度，標(biāo)定臺(tái)不僅模擬葉尖還有葉片旋轉(zhuǎn)速度(實(shí)際上是葉片通過頻率)，因?yàn)槿~尖間隙電容傳感器本質(zhì)是交

27、流而不是直流，葉尖間隙必須保證微米精度并確保旋轉(zhuǎn)平滑，然而動(dòng)態(tài)標(biāo)定臺(tái)制造和標(biāo)定過程相對(duì)比較復(fù)雜，為了解決這一問題，通常選擇應(yīng)用靜態(tài)標(biāo)定將高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)精度轉(zhuǎn)換臺(tái)，同時(shí)必須確保標(biāo)定所使用的葉片模具具有代表性。電容式葉尖間隙傳感器結(jié)構(gòu)2、光纖式葉尖間隙測(cè)量技術(shù)光纖法的基本原理是激光器發(fā)射端發(fā)射的激光經(jīng)光纖照射在葉片尖部，利用光在非透明介質(zhì)上傳播的漫反射原理，反射光通過“Y型”光纖束返回系統(tǒng)的接收端，通過光電轉(zhuǎn)換獲取電壓一時(shí)間波形。根據(jù)對(duì)光纖傳感器與被測(cè)葉片尖部端面的相對(duì)位置、葉片的結(jié)構(gòu)與尺寸、接收探頭頻響、光纖帶寬及整體光路設(shè)定等因素的考慮，將同一周期內(nèi)的時(shí)間通過歷程信號(hào)轉(zhuǎn)化為葉尖間隙值。

28、光纖式葉尖間隙傳感系統(tǒng)主要由激光器、控制器、發(fā)射端、光纖束、前端探頭、接收端、輸送光纖、前置器、數(shù)采系統(tǒng)構(gòu)成，如下圖所示，其中，傳感器探頭最為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)是將發(fā)射光纖束與接受光纖束進(jìn)行接觸式排列，若干接收光纖環(huán)繞發(fā)射光纖束，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，便于安裝作業(yè)于苛刻的環(huán)境條件，可在一定程度上提高工程應(yīng)用性。光纖式葉尖間隙傳感器結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用多光束葉尖定時(shí)測(cè)量原理及激光三角測(cè)量技術(shù)進(jìn)行葉尖間隙測(cè)量。其中，激光三角測(cè)量法是一種應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的非接觸式距離測(cè)量方法，根據(jù)入射光線與被測(cè)物體的相對(duì)方向不同，可分為直射式與斜射式兩種，只需應(yīng)用單支傳感器便可完成測(cè)量；多光束葉尖定時(shí)測(cè)量方法是一種可開發(fā)性的測(cè)試技術(shù)。通

29、過多支傳感器進(jìn)行組合式模型設(shè)計(jì)，根據(jù)不同測(cè)試條件，傳感器組合構(gòu)成不同模型，利用多只光路的組合，構(gòu)成光路圖形，分析圖形計(jì)算原理，由多項(xiàng)式計(jì)算得到葉尖間隙值。其中典型的倒“V”型光束模型如下圖?？梢愿鶕?jù)圖解法進(jìn)行計(jì)算分析，將兩支光纖式葉尖定時(shí)傳感器按照倒“V”字分布在探頭端面，Y為兩支傳感器的夾角，MN為兩支傳感器頂端中心的連線段，JK為同一葉片先后通過兩束發(fā)出光的連線段，v為葉片尖部端面的實(shí)時(shí)線速度，t0，t1分別為兩束光發(fā)出時(shí)的時(shí)間點(diǎn)。由圖可得，三角形OMN和三角形OJK相似，所以有OO'/OO'+d=MN/JK，可得d=OO'*JK/MN- OO'，其中OO&

30、#39;=0.5*MN*cot/2，則d=0.5*MN*cot/2*(JK/MN-1)其中JK=v*(t0-t1),得d=0.5*MN*cot/2*( v*(t0-t1)/MN-1)對(duì)上式進(jìn)行分析處理，可以發(fā)現(xiàn)通過靜態(tài)條件下的尺寸測(cè)量獲取倒“V”模型的全部數(shù)據(jù)，并通過時(shí)間點(diǎn)及時(shí)間差的計(jì)算獲取葉尖間隙值d。多光束法光纖式葉尖間隙測(cè)量原理圖3、電渦流葉尖間隙測(cè)量技術(shù)由于較低的測(cè)試成本，較小的安裝尺寸及多狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量能力，相較于前兩種傳感器，作為另一種非接觸式測(cè)量設(shè)備，電渦流傳感器更適合進(jìn)行葉片參數(shù)測(cè)量。一套完整的電渦流式葉片狀態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要由四各部分組成：電渦流位移傳感器探頭、電渦流位移傳感

31、器控制器(前置器)、溫度補(bǔ)償及線性校準(zhǔn)電路插板、高速采集卡、電信號(hào)輸出線、模擬信號(hào)輸出線以及其他導(dǎo)線，若開發(fā)成耐高溫電渦流傳感器，需要配備輔助冷卻設(shè)備。當(dāng)前置器對(duì)電渦流傳感器探頭進(jìn)行供電后，探頭處的激磁線圈將產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的交變磁場(chǎng)，在葉片尖部端面通過傳感器探頭端面的過程中，葉片尖端產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，與此同時(shí)將形成一個(gè)與原交變磁場(chǎng)反向的交變磁場(chǎng)，對(duì)原磁場(chǎng)形成一個(gè)過程量的干擾，使得原磁場(chǎng)本身的阻抗產(chǎn)生變化，電渦流傳感器探頭激磁線圈可以檢測(cè)到原磁場(chǎng)的變化，從而引起激磁線圈中的電流發(fā)生改變，通過已知電渦流傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如葉片材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、激磁線圈中感應(yīng)電流的強(qiáng)度與頻率等，以及電渦流

32、探頭端面及葉片尖部端面的幾何尺寸，計(jì)算得出葉尖間隙值與原磁場(chǎng)阻抗變化的關(guān)系，并通過采集卡輸出的電壓信號(hào)與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)靈敏度參數(shù)，計(jì)算葉尖間隙值的動(dòng)態(tài)變化。這樣，線圈特征阻抗可如下函數(shù)表示：Z=F(I,D,)通常情況下，電渦流探頭線圈中電流的強(qiáng)度和頻率都是一定的技術(shù)參數(shù)，葉片尖部端面的尺寸，探頭尺寸以及葉片的材料屬性是在靜態(tài)下是一定的，并且是可以測(cè)量的，所以線圈阻抗的變化與被測(cè)對(duì)象的變化在一定范圍內(nèi)時(shí)存在線性關(guān)系的。通過前置器及高速采集卡將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出電壓信號(hào)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)葉尖間隙值的測(cè)量與分析研究。電渦流式葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)原理及動(dòng)態(tài)靈敏度獲取技術(shù)進(jìn)行葉尖間隙值的測(cè)量，這種傳感器有如下

33、使用特點(diǎn):探頭端面面積小，測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受動(dòng)態(tài)介質(zhì)影響小;動(dòng)態(tài)靈敏度高，非線性測(cè)量范圍大，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)。然而對(duì)材料的厚度尺寸有一定的要求，如何解決電渦流對(duì)葉片結(jié)構(gòu)及材料有著較強(qiáng)依賴性，尤其是對(duì)于測(cè)量葉片的厚度要求，可以通過在每一個(gè)葉片上固定相應(yīng)的金屬薄板來(lái)解決。對(duì)于如何解決電渦流傳感器的耐熱性能差的問題，通過在對(duì)葉尖間隙傳感器配套安裝冷卻氣管，在一定程度上改善測(cè)試環(huán)境的溫度。實(shí)際上可在非冷卻條件下550的情況下使用。在燃?xì)廨啓C(jī)中，冷卻氣流將由一根1mm冷卻鋼管通過電渦流傳感器，可在1000以上的工況溫度下使用。當(dāng)電渦流傳感器應(yīng)用于葉尖間隙測(cè)量時(shí)，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子軸系測(cè)振有明顯的區(qū)別，由于

34、轉(zhuǎn)子軸系測(cè)量的對(duì)象是軸系處的轉(zhuǎn)子表面，電渦流傳感器探頭所對(duì)應(yīng)的被側(cè)面面積符合線性靈明度參數(shù)的測(cè)量要求，所以通過對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，直接對(duì)測(cè)試靈明度進(jìn)行正確的輸入，可以直接獲取位移信號(hào)，由此使得轉(zhuǎn)子軸系的測(cè)振研究非常方便。在葉尖間隙測(cè)量的研究初期，研究人員將技術(shù)參數(shù)靈明度直接應(yīng)用于測(cè)量過程中，發(fā)現(xiàn)在高速運(yùn)行狀態(tài)下的測(cè)量出現(xiàn)明顯的誤差。大量實(shí)驗(yàn)證明線性量程下的測(cè)量靈明度應(yīng)用將無(wú)法直接套用，由于葉片尖部的寬度通常在1 mm-2.7mm左右的范圍內(nèi)，不符合線性靈明度的測(cè)量要求，所以電渦流式葉尖間隙測(cè)量也需要相應(yīng)的標(biāo)定方案。如下圖所示，為電渦流式葉尖間隙傳感器的結(jié)構(gòu)。電渦流式葉尖間隙傳感器結(jié)構(gòu)4、三

35、種葉尖間隙測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用與比較葉尖間隙測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)局限性應(yīng)用方向電容式傳感技術(shù)尺寸小、頻響高、耐高溫校準(zhǔn)復(fù)雜、受介質(zhì)干擾大間隙測(cè)量光纖式傳感技術(shù)開發(fā)性強(qiáng)、頻響高、耐高溫造價(jià)高、尺寸大、受環(huán)境影響大、受材料表面清潔度影響大葉片振動(dòng)電渦流式傳感技術(shù)不受介質(zhì)工況影響、尺寸小、耐久性高頻響較低、耐高溫性能較差間隙測(cè)量 六、 電渦流傳感器的應(yīng)用1、基于電渦流傳感器的葉片健康性監(jiān)測(cè) 電渦流傳感技術(shù)廣泛的應(yīng)用于零部件的無(wú)損探傷及轉(zhuǎn)子軸系振動(dòng)測(cè)量，在轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、碰摩等故障特征征兆的提取得到長(zhǎng)期性的認(rèn)證研究，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械如煙汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的故障診斷領(lǐng)域填補(bǔ)了大量技術(shù)空白。目前，在分析葉盤裂紋、葉片斷

36、裂、外物損傷、葉片侵蝕、顫振等故障的技術(shù)領(lǐng)域方面，轉(zhuǎn)子軸系振動(dòng)監(jiān)測(cè)法受到諸多環(huán)境的約束，在提取葉片、葉盤故障特征及定位故障位置方面，具有一定的技術(shù)缺陷，仍然沒有形成體系化的技術(shù)方案，成為國(guó)內(nèi)外研究者的做功重點(diǎn)。葉片健康性監(jiān)測(cè)利用安裝在葉輪外緣機(jī)匣上的葉尖定時(shí)傳感器監(jiān)測(cè)每個(gè)葉片到達(dá)傳感器的時(shí)間點(diǎn)及葉尖端面與機(jī)匣之間的間距，再通過葉尖定時(shí)算法對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行處理，經(jīng)過若干步計(jì)算即可獲得葉輪及葉片運(yùn)行狀態(tài)信息。葉尖定時(shí)測(cè)量技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)葉片、葉輪的運(yùn)行參數(shù)，相對(duì)于轉(zhuǎn)子軸系振動(dòng)監(jiān)測(cè)法技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。電渦流式傳感技術(shù)同樣可以應(yīng)用于葉片的健康性監(jiān)測(cè)，能夠獲取旋轉(zhuǎn)葉片的運(yùn)行參數(shù)(葉尖間隙值、葉片間距值、

37、葉尖振動(dòng)值等)，通過對(duì)所獲取的葉片狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，推出故障特征并給出相應(yīng)診斷結(jié)論。滿足對(duì)于葉片彎曲、葉片磨損、葉輪裂紋等葉片故障的診斷要求。同時(shí)通過與轉(zhuǎn)子軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè)與特征提取配合分析，提高機(jī)組故障診斷的精確度。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)早期故障診斷及基于運(yùn)行狀態(tài)的維修行為是十分必要的。葉片運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以降低成本和維護(hù)時(shí)間，提高燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行效率、維護(hù)效率及安全性。2、基于電渦流傳感器的葉尖間隙測(cè)量技術(shù) 電渦流發(fā)送/接收探頭可以監(jiān)測(cè)葉片坐標(biāo)的變化，其所產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以在一定范圍內(nèi)透過發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣，而葉片的運(yùn)動(dòng)對(duì)接收線圈產(chǎn)生影響。輸出信號(hào)的峰值強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)與葉尖間隙值及葉尖到達(dá)傳感器時(shí)間點(diǎn)成正比。脈

38、沖激勵(lì)和信號(hào)的低頻成分保證葉片與傳感器的充分藕合。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)透平溫度及振動(dòng)影響保持在較低水平時(shí)，這種電渦流式的監(jiān)測(cè)手段適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。其中，燃?xì)廨啓C(jī)的耗油率與葉尖間隙值成反比，葉尖間隙值越小、機(jī)組的運(yùn)行效率越高。持續(xù)作用于葉片的外物損傷、葉片或葉盤上形成的疲勞裂紋都可能改變?nèi)~尖間隙值及葉片間距值。疲勞裂紋的擴(kuò)展可能引起嚴(yán)重的斷裂事故，因此通過葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)在早期故障達(dá)到臨界尺寸之前進(jìn)行監(jiān)測(cè)及故障診斷。在穩(wěn)定工況下，葉輪的葉尖間隙與葉尖間距保持恒定。葉輪的疲勞損傷、葉片的外物損傷或腐蝕裂紋將引起某些葉片偏離原先的位置，所以葉尖的徑向和軸向位置都會(huì)發(fā)生改變。電渦流傳感器更加適合測(cè)量復(fù)雜工況下葉片的運(yùn)行

39、參數(shù)，受介質(zhì)、環(huán)境和工況對(duì)測(cè)量的影響較小，并且具有體積小、質(zhì)量輕、測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度、頻響范圍高等特點(diǎn)。所以相較于以上三種測(cè)量技術(shù)的弊端，電渦流葉尖定時(shí)測(cè)量技術(shù)適合于長(zhǎng)周期的機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)，并且工程費(fèi)用及維修率低、機(jī)匣上開口尺寸小，具有其他三種技術(shù)所不具有的工程實(shí)踐價(jià)值。電渦流非接觸式傳感器的測(cè)量技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)進(jìn)入探頭內(nèi)線圈所產(chǎn)生的高頻交變磁場(chǎng)內(nèi)，使得葉尖端部產(chǎn)生反向的交變磁場(chǎng)，與原磁場(chǎng)方向相反，造成線圈內(nèi)電流發(fā)生變化，繼而引起輸出電壓的變化。當(dāng)目標(biāo)葉片與電渦流探頭端部表面幾何中心線的距離d發(fā)生變化時(shí)，電渦流探頭激磁線圈的品質(zhì)因子Q值、阻抗Z發(fā)生變化，從而引起高速采集卡的

40、輸出電壓幅值V發(fā)生變化。通過對(duì)電渦流原理、測(cè)試硬件的技術(shù)要求以及具體的測(cè)試對(duì)象尺寸要求綜合性的計(jì)算分析，以此測(cè)試得出葉片的運(yùn)行參數(shù)。七、多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)作為一種運(yùn)行工況惡劣(高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、高密度的能量釋放)的動(dòng)力機(jī)械，故障快速頻發(fā)且故障率高。目前，針對(duì)轉(zhuǎn)子軸系的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理及故障診斷已無(wú)法滿足快速、準(zhǔn)確的診斷要求。本節(jié)基于多傳感器信息融合技術(shù)手段提出一種多測(cè)點(diǎn)多征兆的信息融合方案，其中信息融合過程如下圖所示。本方案充分利用多源振動(dòng)信號(hào)及各組件全面的性能參數(shù)信號(hào)，進(jìn)行多維度的異常信息提取、特征征兆融合，綜合進(jìn)行故障決策，以此提高故障決策分析的效率及準(zhǔn)確性。多測(cè)點(diǎn)多征

41、兆信息融合過程圖多傳感器信息融合技術(shù)是組合來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)和信息，以獲取比單一或單源傳感器更詳細(xì)和精確推理的技術(shù)。其原理類似于人腦的邏輯性綜合處理機(jī)能。開發(fā)利用多源傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集處理，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的互補(bǔ)，充分利用多源故障特征征兆，通過故障的綜合評(píng)判規(guī)則對(duì)故障進(jìn)行決策。多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵在于融合結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)，通常根據(jù)診斷目標(biāo)的工藝過程及各傳感器的信號(hào)特征進(jìn)行融合結(jié)構(gòu)模型的建立。目前廣泛應(yīng)用三種類型的融合結(jié)構(gòu)模型:集中式、分布式與混合式。針對(duì)三種結(jié)構(gòu)模型各自的特點(diǎn)及燃?xì)廨啓C(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，采用混合式結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)的故障診斷研究。對(duì)

42、于振動(dòng)信號(hào)方面，采用按步驟的信號(hào)選取、計(jì)算、再處理的方式進(jìn)行振動(dòng)特征征兆提取。而對(duì)于性能參數(shù)信號(hào)，采用集中式閩值判定提取，通過設(shè)計(jì)各性能參數(shù)的報(bào)警值，對(duì)超過或出現(xiàn)超過趨勢(shì)的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)提取，不進(jìn)行任何計(jì)算或分析，集中送達(dá)信息融合中心。本方案的燃?xì)廨啓C(jī)多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)模型如下圖所示。混合式的結(jié)構(gòu)模型不僅克服了集中式結(jié)構(gòu)模型信息融合程度低的缺點(diǎn)，而且在一定程度上解決了分布式結(jié)構(gòu)模型信息損失大的特點(diǎn)，具有可靠的信息融合效果。多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)模型八、葉尖間隙測(cè)量1、葉尖間隙測(cè)量由上述葉尖間隙計(jì)算過程可以觀察出，由于收到探頭頻響的限制，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定門限值后，系統(tǒng)所獲取的采樣真值點(diǎn)個(gè)數(shù)不滿足兩個(gè)，則形成渦流的時(shí)間段均處在葉尖通過傳感器時(shí)間歷程的前50%，而峰值則出現(xiàn)在時(shí)間歷程的后50%。所測(cè)得不同工況下葉尖間隙值變化情況如下表所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)在1 OOOr/min至4000r/min恒速運(yùn)行狀態(tài)下，葉尖