通過檢測共振頻率實現(xiàn)葉片疲勞裂紋檢測的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及葉片疲勞裂紋的在線檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體講，涉及通過檢測共振頻率實現(xiàn)葉片疲勞裂紋檢測的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在葉片裂紋在線檢測方面，目前尚無成熟技術(shù)，也是目前研究熱點，葉片在出現(xiàn)裂紋后，其自身振動信息以及轉(zhuǎn)子的振動會發(fā)生改變，裂紋的在線檢測通常是通過分析葉片的振動參數(shù)實現(xiàn)的。若將葉片等效為一個懸臂梁，其裂紋的檢測原理可采用基于振型曲線的方法和基于固有頻率的方法:當(dāng)葉片出現(xiàn)裂紋時，其振型曲線會在裂紋處不連續(xù)，若能測得葉片振型曲線，則可實現(xiàn)葉片裂紋參數(shù)準(zhǔn)確辨識，且當(dāng)葉片出現(xiàn)裂紋時，由于葉片整體剛度的變化，其固有頻率會減小，利用不同振型對應(yīng)的固有頻率變化可實現(xiàn)葉片裂紋參數(shù)辨識，包括裂紋深度、裂紋位置等再利用相關(guān)算法對測量的振動信號進行分析，也可從中提取出葉片的故障信息。
[0003]在葉片高周疲勞裂紋檢測方面，目前最常采用的方法多屬于離線檢測方法。例如電渦流檢測、超聲波檢測法以及紅外熱波檢測法等。以上方法均僅能在相關(guān)設(shè)備停機狀態(tài)下進行測量，無法對實時運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片健康狀態(tài)進行檢測。
[0004]葉尖定時法是當(dāng)前葉片振動參數(shù)在線測量技術(shù)研究的熱點，該方法起源于上世紀(jì)60年代，通過測量葉片到達時間，并與無振動的葉片到達時間進行比較，獲取葉片振動位移，并利用所得葉片振動位移，采用相關(guān)算法對葉片振動參數(shù)進行辨識。
[0005]葉尖定時測振技術(shù)是一種非接觸檢測方法，其基本原理是將葉尖定時傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)機械相對靜止的機匣上，利用傳感器測量葉片到達時產(chǎn)生的脈沖信號來記錄葉片到來的時刻，葉片到達時刻t隨著葉片的振動而變化，通過一定算法對時間序列進行處理即可辨識出葉片振動信息。
[0006]葉尖定時測振技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機械實時監(jiān)測及故障診斷領(lǐng)域中占有重要地位，特別是航空發(fā)動機、電站發(fā)電機、煙氣輪機等旋轉(zhuǎn)機械的葉片振動在線監(jiān)測應(yīng)用中，對葉尖定時測振技術(shù)提出了更高的要求，促使其向高精度、全面參數(shù)檢測方向發(fā)展。
[0007]有限元分析是一種用于解決工程實際中數(shù)值計算問題的方法，該方法在求解機械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與動力學(xué)問題方面有重要應(yīng)用。該方法通過將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限的單元，對每一個單元根據(jù)邊界條件和控制方程進行數(shù)值計算近似求解，以解決結(jié)構(gòu)整體的數(shù)值計算問題。
[0008]在葉片裂紋在線檢測方面，目前尚無成熟技術(shù)，也是目前研究熱點，葉片在出現(xiàn)裂紋后，其自身振動信息以及轉(zhuǎn)子的振動會發(fā)生改變，裂紋的在線檢測通常是通過分析葉片的振動參數(shù)實現(xiàn)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在克服葉片通常工作的高溫、高壓、高離心轉(zhuǎn)速等的極端惡劣環(huán)境下對葉片的健康狀態(tài)進行檢測，根據(jù)葉尖定時測震技術(shù)，提出一種新型葉片裂紋在線檢測方法，通過辨識葉片的共振頻率，對工作葉片進行故障診斷，在葉片產(chǎn)生裂紋的早期實現(xiàn)葉片裂紋的辨識，最大程度減小葉片裂紋對旋轉(zhuǎn)機械安全運行的影響，對發(fā)動機安全運行有重要意義。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，通過檢測共振頻率實現(xiàn)葉片疲勞裂紋檢測的方法，包括以下步驟:
[0010]第一步，利用有限元分析軟件Ansys對實驗室現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)試驗臺的轉(zhuǎn)子葉片進行分析，并對單個葉片進行建模，利用Pro/e軟件建立單個葉片的結(jié)構(gòu)模型，再將該模型導(dǎo)入Ansys中，對葉片模型進行網(wǎng)格劃分，并對模型施加約束，包括軸向與徑向的位移約束以及對稱約束，得到的單個葉片有限元模型；
[0011]第二步，在靜態(tài)的情況下對葉片進行模態(tài)仿真，計算葉片的各階共振頻率和振型曲線，得到葉片的一階彎振、一階扭振和二階彎振的振動的應(yīng)力分布與振型曲線；
[0012]第三步，分析在靜態(tài)情況下正常葉片的一階彎振、二階彎振、一階扭振的自然頻率情況，根據(jù)應(yīng)力圖找出葉片共振時最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置；
[0013]第四步，對工作狀態(tài)下的葉片的靜態(tài)力進行分析，對葉片的離心力和氣動力進行分析，計算出葉片變形與應(yīng)力分布結(jié)果；在Ansys軟件中對葉片加載氣動力分析其應(yīng)力分布與變形；
[0014]第五步，在模型分析中，設(shè)置一個合理的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，檢測在靜態(tài)力作用下，正常葉片的固有頻率所發(fā)生的變化；
[0015]第六步，對帶裂紋的葉片建模，在第二步所介紹的葉片模型中，于其動應(yīng)力最大位置葉根處添加裂紋，針對葉片所受一階彎振、二階彎振和一階扭振的模型，分析在這類振動引起的高周疲勞損傷裂紋對葉片模型固有頻率的影響；
[0016]第七步，分析疲勞裂紋葉片模型在不同轉(zhuǎn)速下，所受一階彎振、二階彎振和一階扭振時的固有頻率的影響，得到葉片固有頻率隨裂紋深度變化的關(guān)系曲線，觀察其中關(guān)系。
[0017]本發(fā)明的技術(shù)特點及效果:
[0018]依照本發(fā)明各個步驟對所建模型進行分析計算，通過對葉片固有頻率的在線監(jiān)測實現(xiàn)對發(fā)動機葉片裂紋的在線監(jiān)測，有效防止意外事故的發(fā)生。
【附圖說明】
:
[0019]圖1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2轉(zhuǎn)子葉片模型網(wǎng)格劃分示意圖。
[0021]圖3靜態(tài)情況下對葉片進行模態(tài)仿真所得到的振動應(yīng)力分布與振型曲線，其中:a為一彎應(yīng)力分布示意圖；b為一彎變形示意圖；c為二彎應(yīng)力分布示意圖；d為二彎變形示意圖；e為一扭應(yīng)力分布不意圖；f為一扭變形不意圖。
[0022]圖4葉片在特定工作狀態(tài)下(3000rpm)的離心載荷分析，其中:a為應(yīng)力分布示意圖；b為葉片變形不意圖。
[0023]圖5葉片在特定工作狀態(tài)下(3000rpm)的氣動載荷加載示意圖。
[0024]圖6氣動載荷作用下葉片應(yīng)力分布與變形情況，其中:a為應(yīng)力分布示意圖山為葉片變形示意圖。
[0025]圖7帶裂紋葉片的裂紋位置示意圖。
[0026]圖8裂紋葉片的一彎固有頻率與葉片根部裂紋深度關(guān)系示意圖。
[0027]圖9#0號葉片與#8號葉片的振動位移差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系示意圖，其中:a為#0號葉片；b為#8號葉片。
[0028]圖10不同葉片一階彎振固有頻率比較示意圖。
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明旨在克服葉片通常工作的高溫、高壓、高離心轉(zhuǎn)速等的極端惡劣環(huán)境下對葉片的健康狀態(tài)進行檢測，根據(jù)葉尖定時測震技術(shù)，提出一種新型葉片裂紋在線檢測方法，通過辨識葉片的共振頻率，對工作葉片進行故障診斷，在葉片產(chǎn)生裂紋的早期實現(xiàn)葉片裂紋的辨識，對發(fā)動機安全運行有重要意義。
[0030]本發(fā)明是通過對旋轉(zhuǎn)葉片振動參數(shù)的測量分析比較實現(xiàn)檢測疲勞裂紋葉片的方法，確切說是通過對疲勞裂紋葉片的共振頻率的測量和正常葉片的參數(shù)比較實現(xiàn)對葉片疲勞裂紋的在線檢測。
[0031]本發(fā)明旨在找尋一種方法在葉片產(chǎn)生裂紋的早期實現(xiàn)對疲勞裂紋葉片的辨識，最大程度減小葉片裂紋對旋轉(zhuǎn)機械安全運行的影響。
[0032]本發(fā)明采用的探究方法如下
[0033]第一步，利用有限元分析軟件Ansysl2.0對實驗室現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)試驗臺的轉(zhuǎn)子葉片進行分析，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖1。并對單個