文摘

叶片涡轮机械中的行交互可以导致叶片振动,甚至高周疲劳。强迫响应条件发生当一个强制函数(如撞击定子醒来)发生在叶片的固有频率相匹配的频率。本研究的目的是开发所需的数据处理技术来检测转子叶片振动的强迫响应条件平稳快速响应压力传感器,以便检测转子振动的瞬态数据和导致燃气轮机振动监测技术。本文是第一次开放文学发动机订单共振响应的嵌入式刃的磁盘号中间速度轴流式压缩机使用固定式压力传感器检测。实验进行一个阶段轴转子压缩机的研究专注于嵌入式blisk建设。傅里叶瀑布从激光图形提示计时系统被用来检测应用后的振动信号处理方法来揭示这些压力波与叶片振动。个别叶片响应研究使用交叉协方差比较叶片通道压力通过共振签名。这两种方法都同意经理的数据提供了一个衡量单个叶片的精确压缩机的速度进入共振。

1。介绍

叶片涡轮机械中的行交互可以导致叶片振动,甚至高周疲劳。强迫响应条件时强制函数的频率匹配叶片振动模的频率。迫使功能包括粘性醒来从上游叶片脱落行和潜在的领域产生的上游和下游叶片行。是不可能删除所有共振口岸从多级轴流压气机的整个工作范围,检测叶片振动,因此,重要的是确保在适当的范围内,使光意想不到的发动机订单共振条件。自最近的涡轮机的设计走向更高的压力比和整体有叶片的转子(IBRs),空气动力迫使环境已经在力量和机械系统阻尼有所下降。现在比以往任何时候都重要开发健壮的、可靠的方法来检测,特征,帮助减轻潜在的振动问题才能产生灾难性的影响。

常见的检测叶片振动的技术包括应变仪和小费时机探针。应变仪技术可以应用在很多方面,但最常见的技术包括安装叶片应变仪,当转子振动被认为,需要滑环式的传输信号的应变仪记录设备。这个测量是容易,如果相反,应变仪安装固定的硬件,如静子叶片或使用在一系列的实验中,由弗洛伊德et al。(1]。提示计时系统,不干扰或压力测量系统(销售经理)利用一组(通常是8)安排在最优配置的光探测器探测到一个特定的振动模式。因此,他们是有限数量的模式,可以测量,如果有小挠度外叶片的模式感兴趣的一部分,他们将不会提供任何有用的信息。

一些研究人员也使用压力传感器研究叶片振动。压力传感器可以安装在一个固定机器的一部分,通常外壳侧壁的工作由鲍姆加特纳et al。2),或者他们可以安装在旋转的硬件,例如吉尔和Capece [3),信号会通过滑环装置一个录音机。静止的参考系中测量转子振动时,振动频率将讨论的多普勒频移Mengle [4]和Kurkov [5]。

操作压缩机的内部声环境是吵闹的,通常由流动物理与压缩机振动无关。鲍姆加特纳et al。2)使用一个热膜下游振动转子叶片的尖端和一些casing-mounted压力传感器研究旋转失速和旋转叶片颤振的振动。他们发现谱震级的不稳定和振动的振幅明显小于相关光谱级叶片通过频率。Kurkov [5]表明,信号的频谱获得叶片不振动时可以减去压力信号频谱的测量在强迫振动响应视图强迫响应的频谱。这种方法也被受雇于Mengle [4]在他试图把积分引擎阶频率从观察旋转压缩机叶片的光谱。Kurkov [5)是能够平均频率响应的数据没有振动和减去16革命从振动响应谱频谱。

旋转失速和颤动在空气力学领域得到广泛的研究。这些non-EO振动往往有较大的振动振幅和相应的更大的压力波振幅,使他们更容易与压力传感器测量。Leichtfuss et al。6)测量non-engine-order失速颤振的光谱特征与固定Kulite压力传感器。Schoenenborn和布鲁尔(7测量扭转振动和颤振的叶片在飙升和能够从非定常压力传感器检测空气声学的签名与叶片运动相对容易。他们也可以联系销售经理提示时间的压力测量叶片挠度数据。

技术的发展,使压力传感器来检测压缩机操作期间强迫响应实时诊断工具或只是作为备份更复杂的振动检测仪器是有价值的。压力波动由于发动机订单(EO)振动相比,如强迫响应通常是较小的压力波动由于non-EO振动(如与颤振,旋转失速,和冲击),使强迫响应检测困难。此外,强迫响应压力波动多普勒转向叶片通过频率(及其谐波),已经深受空气动力学即使叶片不振动,使强迫响应压力组件的识别困难。

作者没有意识到任何开放litureature discussses直接测量发动机订单强迫响应通过使用固定压力传感器在实验压缩机设施,作为声波的振幅通常是非常小的相比其他流场特性。大多数研究这一点都集中在流量测量与nonintegral发动机振动,如失速颤振,增兵,或声学共振。Fridh et al。8)测量的光谱分量强迫响应部分承认在涡轮进气畸变在旋转参照系中使用压力传感器。他们能够检测坎贝尔图口岸的共振与应变仪和压力传感器数据。然而,应变仪数据提供更详细的光谱响应特性的数据重要坎贝尔口岸相比,压力数据。因此,本文的目标是展示如何嵌入转子振动与强迫响应与固定Kulite压力传感器和检测仪表的详细描述的重要方面和数据处理技术使这一切成为可能。本文是第一次开放文学发动机订单共振响应在压缩机使用固定式压力传感器测量。

2。材料和方法

普渡大学的三阶段研究压缩机是一个独特的研究设施,高速压缩机模型的后阶段,匹配马赫数和雷诺数对飞机引擎操作条件。设施有利于详细的流测量螺距明智的方向,因为每个叶片行可以单独索引过去固定探头。有一个重要的和可测量的每个阶段,总压强上升和刀片的高度是50.8毫米,不允许足够的空间进行详细的流测量探针堵塞问题。

设施布局图所示1。无条件环境空气卷入一个大型沉降室。空气进入进气导管通过一个承口,这是紧随其后的是一系列的流拉直器。一个ASME-standard长篇文丘里流量计安装在进气管道通过压缩机质量流率的措施。后一个额外的绝缘测试细胞内管道的长度,指导的头锥流入压缩机的环。压缩机有一个常数区域环和一个609.6毫米外径。通过压缩机,空气遇到sliding-annulus节流阀和废气到大气中通过一个收集器。压缩机是由1 MW交流电动机变频驱动。电机通过齿轮联轴器连接到一个增速齿轮箱提供的压缩机设计速度5000 RPM。

压缩机由一个入口导叶进口)行后面跟着三个阶段,数字2。与转子压缩机特性IBRs项36转子1,为转子2 33,30转子3。转子附加到一个鼓在一个固定的配置。笼罩定子行也有类似的叶片44项除了S3, 50个叶片。叶片环分成两半,安装在套管。稳定的压缩机性能测量7-element基尔耙头总压和总温度。整个压缩机总压比测量机具与定位在电台0和9。

图3显示了转子的坎贝尔图2所示。定子1和44中有44个叶片上游下游叶片在定子2中,44个引擎顺序第一扭力(1 t)激发振动模式是坎贝尔图交叉研究研究。1 t模式是2700赫兹的频率,和R2 1 t的44个eo激振动模式发生近3700 RPM(74%速度)。也显示是第一个扭转计算的模式形状和节线Fulayter [9使用有限元分析)。

提示时间数据获得的转子2 1 t振动响应的44个eo激发通过测量转子偏转。这些测量的结果可以用来比较新的数据处理技术开发的压力传感器。不干扰Agilis应力测量系统(销售经理)由8光纤光学探针、激光器和探测器盒,NI 5112 ADC数据采集底盘。激光模块生成一个信号发送到每个8探测器,通过叶片上照耀下来。casing-mounted探测器也有传感光缆的传输反射叶片提示图片探测器和pulse-to-digital转换器。转换器的数字时钟跟踪叶片传递的时间和涉及到1 /转速轴信号。每个叶片的到来的时间和到达时间的相关性在8个传感器的测量可以为每个叶片振动振幅和相位。

提示时间测量的分辨率是一个函数的计数定时器时钟速度,转子齿顶圆直径、转子速度。采样周期的2微秒,提示时间数据的分辨率1 t振动共振附近的转子2是0.009密耳。因为它是不安全的操作速度共振由于潜在的疲劳和转子振动故障,数据是通过共振条件下获得了在瞬态速度变化,和扫描速度是一个重要的参数。所建议的冯Flotow [10),临界扫描速度的定义是半功率带宽的比值获得/ 3振动周期。1 t磁共振转子2,临界扫描速度大约是15转/秒。同时,压缩机驱动系统的控制程序,这样压缩机速度会有一个恒定的加速度率通过谐振条件,因此,这方面的实验是完全控制。扫描率低至2.2转/秒被利用。

压缩机的稳定加载使用节流阀调整。两个加载条件被认为是:名义加载(NL)和高加载(HL)。图4显示压缩机性能地图包括两个speedlines: 68%和80%的修正速度。这些speedlines绑定共振条件进行了研究。speedline上的每个点代表了area-averaged压力比确定从叶片遍历每通道5%包括叶片尾流的影响。质量流率归一化了失速流量修正速度68%。总压强比整个压缩机总压比。操作线是由快速扫描耙子和流量计的压力而加速压缩机通过共振速度,因此,他们不是area-averaged数量。

从下游叶片获得的压力测量仪器不同的研究项目。传感器是Kulite lq - 062压力传感器范围为0 - 5 psig。使这些传感器的关键方面有用的叶片振动检测是他们没有屏幕,这导致了一个高频率响应,高达100 - 150千赫/制造商的规范。其他传感器的频率响应较低的设备没有捕获相同的现象。简要描述这些传感器的安装,可移动的S2通道,可以送到Kulite传感器安装制作,人物5。的部分是构建以PH不锈钢和EDM切成3段。可移动的通道的叶片加工适应共有16个传感器,每个叶片上8。他们定位在50%和80%跨和轴向位置包括10%,20%,30%,和40%弦一个叶片的压力面和吸力面。传感器是集群尽可能接近前缘,性能和用于回填的口袋里钻传感器。

图6显示了一个图的位置压力传感器安装在定子2对flowpath。由于空间的限制,单个叶片不支持传感器压力面和吸力面。因此,通过检测,传感器测量特定的流道。这样的安排也赞成,因为退货用于回填的口袋里,因此,RTV并不影响压力测量由于测量不了相同的表面与退货处理。

图7显示可移动定子的照片2插入Kulite压力传感器安装。电线是美联储通过外壳上的一个洞和叶片排不是遍历这段时安装。在右边的照片,RTV顶部叶片的吸力面是可见的。的不稳定压力顶部叶片的压力面测量。此外,一些孔的压力测量底部叶片的吸力面是可见的。

的激励信号,放大Kulites精密过滤器提供的28000底盘与数量4,28118年全桥放大卡片,每个放大8通道的能力。数据数字化与倪pxi - 1073底盘有两个16通道倪pxie - 6358卡,总带宽为1.25 MS / s / 32通道,通道同时采样。传感器的校准,校准室,图8,铸铝管由15.24厘米,长15.24厘米,上限。定子室中安装了一块短螺纹的螺纹杆的加工和利用线程在定子的裹尸布。罗曼兰连接器是美联储的两个洞钻在一个结束帽和与硅酮密封胶密封。在外面使用的热收缩的电线也与硅酮密封两端,防止空气泄漏通过热收缩的校准室。安装定子传感器的校准的斜率是高达25%的价值援引Kulite定子高亮显示的传感器在安装之前需要校准。

3所示。结果与讨论

由于这是一个研究压缩机运行压力水平低于实际的燃气涡轮压缩机,压力波与叶片振动将小。评估的能力可用仪器检测叶片振动的压力,一个简单的分析。LINSUB、线性、平板级联、空气力学解算器由怀特海德(11),是用来预测预期的压力振幅由于转子的振动2这种强迫反应条件。它输出的绝对和波动组件流场(如电梯、压力,时刻)与弯曲、扭转、和弦明智的弯曲,醒来/阵风。在这种情况下,它是计算不稳定压力波旅游感兴趣的上游和下游叶片振动的扭力。基于压缩机几何和先前测量共振附近流动条件,LINSUB预测upstream-traveling压力组件292.3 Pa, downstream-propagating压力波的振幅584.7 Pa。

典型的不确定性Kulite压力传感器模型lq - 062±0.1%的全系列的传感器,它对应于±34.5 Pa。(制造商提供了一个典型的和最大的不确定性,最大的±0.5%)。这种不确定性并不包括任何不确定性或噪声引入的连接器,电缆、精密过滤器放大器设备,或PXI模拟数字转换。通过这些影响,最大的不确定性导致Kulite压力测量约±175.8 Pa。这是考虑到计算精密过滤器28118放大器卡片有一个±0.1%的满刻度范围和精度PXI-6358/6356 A / D转换器有不确定性的满刻度的0.012%。

1 d LINSUB分析,因此作为一个近似的预期压力由于转子振动振幅。然而,结果表明,在这些压缩机速度,压力波由于共振很小。然而,如果信号处理技术可以开发识别叶片振动的影响在这些压缩机速度低,振动在实际压缩机运行在更高的速度应该更容易探测。

检测这些小转子的振动所产生的压力波,研究了几种数据处理方法。最困难的问题是消除背景噪声和压力不相关的叶片振动的信息。此外,数据处理算法来管理大量的不稳定的二进制数据。

Kulite压力传感器在静止的参考系,但振动转子相对参考系,因此,振动的频率测量的传感器将转移由于转子和传感器之间的相对运动。Mengle [4)表明,由于转子旋转的旋转速度,叶片的振动频率,将多普勒频移到一个不同的频率,基于节点直径、ND和波数,,(1)。

节直径可以从销售经理确定数据或从定子叶片和转子叶片之间的区别,因为振动的频率是一个发动机订单(EO)强迫响应,在这种情况下,如图所示

因为blisk失谐,叶片响应的近似乐队不同的范围2700 - 2735赫兹,和销售经理来衡量。通过选择−2 m值,−1,0,1,2,前几波模式将被捕获。这些应该是最高的响应模式。在感兴趣的频率与发动机订单强迫振动响应,多普勒频移总是强迫响应转向叶片通过频率的倍数。因此,信号处理的挑战是确定33 /转速频率的变化和高次谐波的频谱。这可能是困难的,因为随着压缩机转速的增加,这些组件的信号强度的变化也将与空气动力学的变化有关。然而,如果一个信号的高次谐波激增是可见的只有在RPM带转子振动是已知的发生(提示时间数据来衡量),那么它将确认压力传感器检测到转子振动。

一个有效的方法来分析压力频谱随时间的变化与傅里叶变换瀑布图。一个卡通解释这些图表如图的建设9。压力传感器的数据记录为压缩机转速增加以恒定速率通过速度对应于第一扭转振动模式。首先,压力数据从一个特定的信道划分成单独的压缩机使用使用once-per-revolution信号从革命压缩机轴。简单的数据除以每个革命实际上是方形窗口信号,可以在频谱中引入不必要的工件,因此,Kaiser窗应用于每一个革命。Kaiser窗口允许一个高分辨率的两个频率成分之间是分开的幅度极大,但通过频率密切相关。这个窗口技术允许1 t的小部件的检测信号多普勒频移的频率略不同于叶片通过频率由于个别叶片失谐。它还允许一个更干净的瀑布图,解决由于更好的分辨率的频率特性。

窗口的革命后的数据,进行傅里叶变换,由转子叶片通过频率归一化频率。这个标准化很重要,因为它连接叶片的光谱级传递事件而不是物理压缩机速度,通过扫描是不断变化的。压力波动与叶片通过事件会发生由于下游叶片转子尾流侵犯行。因此,一个重要的大小与叶片通过频率相关的光谱分量将始终存在。减少这种影响的识别相关的小压力波谐振振动、谱震级测量开始时扫描(3670 rpm)相减时连续光谱的革命。然后,这些光谱减少组装创建结果瀑布图。这提供了一个快照几千傅里叶变换,使趋势很容易识别。这还允许简单的对比变化幅度给定频带的压缩机通过共振加速。

图10显示了瀑布图由数据获取的名义载荷。右边的标签显示特定的叶片通过频率及其谐波。召回的叶片数减少3(转子叶片1 36,转子2 33岁和转子30 30)。44 eo励磁的转子2首先扭转振动应该发生在转子叶片通过频率(33 /牧师)或其谐波。33 /转速频率分量,在大多数情况下,不存在的。此外,66 /牧师往往来来去去。然而,99 /牧师不存在或出现和消失与共振。还有其他的频率,即反应30 /牧师,36 /转速,高阶谐波的频率(对应于R1、R3叶片通过频率)。这是由于压力传感器捡R1、R3的破坏性和建设性的干扰。的方式反映了这些叶片通过频率谐波的倍数通过压缩机和传播可能表明共振,甚至R3共振的发生在3705 - 3805转的转速范围。

图11显示99 /转速响应的振幅(被振幅之和之间的频带98.5 /牧师和99.5 /牧师),和响应的增长和衰减的函数压缩机速度。对销售经理的数据相比,数字12显示了转子的RPM带2共振响应。每个刀片都有自己的固有频率,结果从33个刀片都覆盖。一个图显示了结果名义加载和其他在高加载。不改变意味着加载的频率响应,但它确实改变响应的振幅。压缩机的速度(或频率)的1 t响应范围从约3700到3730 RPM。99 /牧师的频带范围的振幅增加压力传感器测量同意与销售经理的数据。

66 /转速响应生长但后来似乎水平随着转速增加,这可能是由于数据处理技术,在nonvibrating频谱的低速范围扫描是用来调整其他光谱,如图9。因此,如果光谱大小改变,因为改变压缩机速度导致改变叶片的空气动力相互作用的行,然后将出现在瀑布图。

33 /牧师光谱分量没有很大幅度,这是一个结果的数据处理方法。叶片通过频率分量很大,减去光谱从第一个革命的所有后续信号,它足以消除叶片通过组件的其他革命。叶片通过频率的谱幅度比谐波高出一个数量级,因此,很难识别小压力波动与转子振动频率。因此,检测叶片的强迫振动响应影响的压力信号,工作的重点应该放在更高的叶片通过频率谐波的多普勒频移强迫响应频率成分在同一数量级的振幅发生在叶片不振动。

结果在高的瀑布图加载如图13。和之前一样,99 /转速的大小光谱分量信号如图14。99 /转速频率谱幅度的增加发生在同一速度范围作为销售经理系统测量了转子振动,如图12。33 /牧师和66 /转速频率的瀑布图遵循相同的趋势在名义载荷如图所示:33 /减去了牧师的贡献和66 /牧师贡献似乎以压缩机的速度增加。

总之,频域分析表明,压力传感器并在多普勒频移检测转子振动频率与第3谐波的叶片通过频率(99 /牧师)。这瀑布revolution-by-revolution基础上考虑了频谱分析。调查这些数据的另一种方法是专注于时域分析,个别叶片通过事件被认为是革命,而不是一个完整的数据。有销售经理数据的优点是每个转子叶片的振动频率和振幅是记录,因此,与高度相关的压力信号响应叶片可以调查。这可以用一个互相关,本质上寻找一个刀片通过事件似乎比其他人不同。压力跟踪测量叶片振动时将不同,测量时,叶片不振动,因此低相关性值可以强迫响应事件的一项指标。

互相关和交叉协方差的方法确定“相似”或相似,两个随机向量或信号,用和长度为。通过不同的偏移量,,两个向量之间的相关性的序列生成两个向量中的元素是一个函数的产品中每个点的向量,如图所示

交叉相关性,然而,没有规范化,自振幅平均水平的压力不断增加,由于压缩机总压比的增加而增加的速度扫描期间,这个实验的瞬态性质呈现交叉相关性不合适。因此,去除的影响大小不同,交叉协方差。这是两个向量的乘积,规范化的意思是,用和。交叉协方差(4),自不会有整体上升相关整体压缩机压力比的增加。考虑

图15显示了压力痕迹测量定子2当叶片的压力面26在它面前经过。不同的痕迹显示为不同的压缩机速度来说明压力信号与一个特定的转子叶片2正在改变整个压缩机扫描。红色的痕迹在3671 RPM的压力跟踪1日满革命的连续数据,所有压力痕迹比较分析。蓝色和青色线条,在3705和3710 RPM,分别显示压力和周围的叶片共振的痕迹,和3735 RPM黑色线条显示附近的压力跟踪扫描结束。这说明多少压力信号的形状会改变随着压缩机压力比的增加。

在图16,有一个大交叉协方差下降约3705 RPM,直接对应最大位移在R2的RPM带叶片在高加载(参见图2612)。协方差下降幅度虽小相比revolution-to-revolution协方差的变化幅度(即。信号中的噪声),很明显,有大约30%的平均协方差下降幅度从3700年到3705转,然后增加一个相应的30% 3705 - 3710 RPM。

叶片22是另一种高反应叶片根据销售经理的数据图12。压力信号得到的交叉协方差协方差交叉跨度显示了一个类似的下降80%,数字17。的压缩机转速范围这发生的速度范围相当于经理的数据表明,叶片振动发生。有一个固有的波纹或波动的总体趋势明显的交叉协方差在所有传感器的速度,这使得交叉协方差的测量振幅下降很难计算。未来的工作是针对先进的信号处理技术,进一步探索实用的交叉协方差确定转子振动。

4所示。结论

这是第一次公开文献中测量压缩机的强迫响应振动模式与固定压力传感器检测到。本文解释了特定的数据处理方法用于识别转子振动。数据处理是挑战性的由于数据本质上是短暂的;压缩机通过共振速度加快的数据收集,避免消耗几个从叶片的生命周期。一个额外的挑战是与这一事实有关强迫响应转子振动叶片通过频率的谐波总是因都卜勒频移测量时绝对参考系。这很难确定光谱的小贡献的大小与振动相关联而不是叶片的空气动力传递事件。在这一切之上,较小的压力水平与研究压缩机导致小振幅叶片振动时产生的压力波。尽管有这些挑战,这项技术是成功的。

检测发动机订单强迫响应速度一部分压缩机操作通过使用固定压力传感器可以影响在涡轮机叶片振动测量,这种测量方法是明显比其他先进简单振动测量,如旋转仪器和/或激光提示时间测量。它还可以改变燃气涡轮压缩机的健康监测策略,因为它可以识别叶片故障前高周疲劳问题。

这项研究的重点是询问信号获得快速响应压力传感器通过武力而号压缩机被加速响应共振速度。44引擎励磁顺序的第一个嵌入转子的扭转振动模式2进行了研究。Kulite压力传感器没有屏幕有足够的频率响应来检测叶片振动。在这个实验中,这种类型的传感器安装在下游静子叶片,但齐平安装传感器在套管转子将更加方便。LINSUB被用来估计是否Kulite压力传感器能够探测到的声波信号从这个强迫响应事件,这表明,声压波动(3 - 4次)将略高于Kulite压力测量的不确定性。压力波的振幅与压缩机转速因此,虽然压力会增加签名与叶片振动可能在这项研究小型车辆,它可能是更重要的在实际发动机运行条件呈现这种技术或许更有效的速度更高的压缩机的调查。

数据处理的频率和时域表明,声波振动转子产生的签名是可检测。通过振动频率的计算因都卜勒频移谱相关转子振动已发现在第三转子叶片通过频率的谐波。此外,通过使用交叉协方差叶片间相似分析,个别叶片振动检测并确认了销售经理的计时结果。

未来的工作是针对先进的信号处理技术,进一步探索实用的交叉协方差确定转子振动。特别是噪声的互相关的结果必须减少这种类型的信号用于控制循环压缩机操作。同时,密切合作与传感器制造商应该旨在降低成本和增加实施这些传感器在实际的耐久性燃气涡轮机。

命名法

:	扭转振动频率
:	Doppler-hifted扭转振动频率
ND:	节直径
:	叶片数量
:	整数,谐波数,滞后补偿
:	转动速度
:	波数,弹簧常数
:	协方差项
:	向量的长度
:	协方差交叉项
:	任意的向量。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由导游IV财团,包括NASA,美国空军,劳斯莱斯,通用电气、普惠,霍尼韦尔,西门子,三菱。第四作者感谢导游协会的指导和金融支持这项工作。此外,作者承认娜塔莉·史密斯的艺术贡献的人物。