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高温应变测量技术讲解

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高温应变测量技术讲解_第1页
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旋转叶片振动检测方法 1 应变片法 将电阻应变片牢固地粘贴在叶片应力较大处,例如叶根附近位 置,通过测量应变反映叶片振动及应力大小,从而确定叶片的 寿命和可靠性 属于接触式测量,对应变片安装、信号线引出提出了特殊要 求 只能同时监测少数叶片,实际转子中叶片数量极大,少则几百 片,多则上千片,为所有叶片都安装应变片难以实现 1.1 应变片(Strain Gauge) 1.2 滑环式引电器(Slip Ring) 应变片粘贴于叶片表面,从应变片 引出的导线沿着叶轮表面接入到一 个专门的集流器/引电器装置中将 采集到的信号经集流装置后,由电 子放大器放大,送往记录装置做数 据记录和处理,其测量结果一般也 作为其他方法测试结果精度的比较 标准 局限性:同一个时间内,被测量的 叶片数有限,转子实验准备复杂, 也不能同时测量整级叶片的振动情 况该方法准备工作量大,传感器 ,集流环的可靠性低,不适应现场 的实际测量 1.3 遥测技术 将叶片的振动信号利用应变片转换成相应的电阻值,通过相 应的硬件系统,将电阻变化转换成电信号的变化,通过无线 调制器,把电信号调制发射出来 我们在叶片附近安装静止的天线加以接收,送至调频接收机 放大和解调还原为应变片频率信号,并送至分析仪分析处 理。

1.4 对称恒流激励技术 动态应变测量技术最难解决的是抗干扰问题,原因是动态应 变测量的工作片在工作环境下处于非屏蔽状态,对各种干扰 源比较敏感,因此设计应变测量电路时必须考虑解决抗干扰 问题 对称恒定电流激励技术使用一对匹配的电流源激励应变片, 使用一个差分放大器测量应变片电压,如上图所示 导线电阻对传递到应变片上的激励电流没影响,任何温度下 不会降低应变计灵敏度;信号调理器测量的是应变信号,无 需增加通道增益;信号调理器内外连接完全对称,信噪比改 善约30dB 1.6 薄膜应变计 薄膜应变计采用真空沉积或溅射的方法把敏感薄膜直接沉积 到被测结构件表面,不需要要粘贴胶固定,避免了粘贴胶在 恶劣环境下失效对应变测试的影响 与传统丝式和箔式应变计相比,薄膜应变计厚度在微米量级 ,测试准确度高、响应速度快、灵敏度高 选择合适的敏感材料和制备工艺制备的薄膜应变计,具有抗 高温、高压、气流冲刷等优点,可以满足航空发动机涡轮叶 片在恶劣环境下应变测试的要求,而且薄膜应变计实现了结 构、功能的一体化,不会影响涡轮叶片的力学性能和流体特 性,所得测试数据精确度高且稳定性好 在氮化硅涡轮叶片表面制备的PdCr薄膜应变计TaN/PdCr多功能薄膜传感器实物图 属于接触式测量方法,将光纤光栅粘贴在叶片表面,类似应 变片法,叶片应力、应变等物理量的变化引起光栅产生波长 位移,从而获取相关信息。

1.7 光纤光栅应变计 参考文献 [1] 吕文林,航空发动机强度计算,北京:国防工业出版社,1988:58-92. [2] 方志强,涡轮机叶片振动非接触检测原理及应用技术研究:[博士学位论文],天津;天津大 学,2007. [3] 欧阳涛,基于叶尖定时的旋转叶片振动检测及参数辨识技术:[博士学位论文],天津;天津 大学,2011. [4] 王仲博,张永宁,袁平等,660 毫米叶片振动特性测试与分析,热力发电,1994, 6: 36-40 [5] 沈凤霞,对称恒定电流激励动态应变测量技术的分析与应用研究,航天器环境工程, 2007, 24(6): 381-385 [6] H. P. Grant, J. S. Przybyzewski, W. L. Anderson, et al. Thin Film Strain Gauge Development Program, NASA /CR, 1983-174707 [7] J. D. Wrbanek, G. C. Fralick. Developing Multilayer Thin Film Strain Sensors With High Thermal Stability. NASA/TM, 2006-214389 2 频率调制法 根据电磁感应原理利用调频栅对振动信号进行频率调制的测 量方法。

局限性:1、在叶尖嵌入磁钢,改变了叶片原有的振动特性 ;2、为了同时测量多个叶片的振动,要求安装相同数目的 线栅 参考文献 [1] И.E.萨勃洛斯基等著,吴士祥,郑叔琛(译),涡轮机叶片振动的非接触测量, 北京:国防工业出版社,1986:5-29. 3 激光多普勒法 由激光测速技术发展而来的,其原理在于探测从振动叶片表 面散射回来的反射光的多普勒频移,从而得到叶片振动参 数 LDV:激光多普勒振动计 局限性:1、光路安装调试复杂,不适合现场环境;2、要求 被测转子转速不宜过高;3、叶片表面粗糙度引起斑点噪声; 4、轴系振动影响激光对准效果 参考文献 [1] Kulczyk W.K, Q.V. Davis, Laser Doppler instrument for measurement of vibration of moving turbine blade, Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1973, 120(9). [2] İbrahim Ata SEVE, Experimental validation of turbo-machinery blade vibration predictions: [Doctor’s Thesis], London; Department of Mechanical Engineering Imperial College London, 2004. [3] A.J. Oberholster, P.S. Heyns, Online condition monitoring of axial-flow turbo-machinery blades using rotor-axial Eulerian laser Doppler vibrometry, Mechanical Systems and Signal Processing, 2009, 23: 1634-1643. [4] 吕宏诗,刘彬,激光多普勒测振技术的最新进展,激光技术,2005,29(2): 176-179. 4 声响应法 通过安装在汽缸内部的声信号传感器捕获叶片振动时发出的 声信号,对声信号进行分析处理,可得到叶片振动信息。

局限性:实际旋转机械环境是一个具复杂的又具有宽频率范 围的声场,背景噪声将对信号造成严重干扰 参考文献 [1] Robert L.L, Keith T, Monitoring Systems for Steam Turbine Blade Faults, Sound and Vibration, 1990. [2] 韩敬宇,基于声发射技术的风电叶片裂纹无线监测系统研究:[硕士学位论文],北京;北京 化工大学,2010. [3] 杨海燕,刘启洲,叶片裂纹故障的多普勒监测技术仿真研究,航空动力学报,1999, 14(1):69-73. 5 叶尖定时法(Blade Tip-Timing) 在叶片顶端的机匣上安装叶尖定时传感器,利用传感器感受 叶片的到来时间,由于叶片振动,叶片的到来时间会超前或 滞后,通过不同的叶尖定时处理算法对该时间序列进行处理 ,即获取出叶片振动信息 5.1 光纤式叶尖定时传感器 将激光投射到叶片端面,通过感受叶尖反射回来的光强信号 变化来获取叶片的到来时刻 普通石英光纤耐200~300℃,美国Fiberguide公司推出的“金 属涂层 ”系列光纤大大提高了耐温性能,其中镀金光纤可耐 650℃,外加制冷系统或采用蓝宝石光纤,可耐1000℃以 上。

5.1 光纤式叶尖定时传感器 主要研制和生产公 司有美国 HOOD 和 AGILIS 公司 该传感器不 能在有污染 的条件下使 用,需保持 传感器测头 端面清洁 5.2 电容式叶尖定时传感器 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 电容式叶尖定时传感器整体结构示意图 电容传感器测头 法国 FOGLE 和THERMOCOAX 公司研制的电容传感器耐温 高达 1400℃国内主要是中航工业集团和天津大学等在这方 面展开研究 局限性:其信噪比、响应时间相比光纤式的要差一些;叶片 工作环境的介质可能影响芯极与叶端电容的大小,因此要求 被测旋转叶片环境介质的介电常数基本稳定 5.2 电容式叶尖定时传感器 5.3 电涡流式叶尖定时传感器 利用电磁感应现象,当导磁性金属处于变化着的磁场中或者 在磁场中运动时,导磁性金属体内都会产生感应电动势,形 成电涡流 被动式:由一个永磁体和一个线圈组成,如上图 所示,叶 片经过传感器端头时,导致通过线圈的磁通量变化,产生电 信号,从而反映叶片的到来时刻 主动式:由一个或多个线圈组成,通过外界激励对线圈产生 一个磁场,并通过线圈感受叶片到来时电涡流引起的电动势 变化。

信号大且信噪比高,结构简单,可以不用外界电源,但要求 被测叶片必须是导磁材料 英国的 QinetiQ、MONITRAN 公司、德国的MTU公司以及美 国的 HOOD 公司都对电涡流式叶尖定时传感器做了大量研究 ,并研制出产品如上图所示产品其中 HOOD 公司生产的普 通电涡流传感器耐温 260℃,带空冷装置的电涡流传感器能耐 温可到 1000℃以上 5.3 电涡流式叶尖定时传感器 参考文献 [1] FOGALE Nanotech, Capacitive blade tip clearance & tip timing measurement system, . [2] THERMOCOAX, Capacitance sensors for noncontact measurement, . [3] HOOD Technology, Overview of blade vibration monitoring capabilities, , 2010. [4] Craig Lawson, Paul C. Ivey, Turbomachinery blade vibration amplitude measurement through tip timing with capacitance tip clearance probes, Sensors and Actuators, 2005, A118: 14-24. [5] Craig Lawson, Dr. Paul Ivey, Compressor Blade Tip Timing Using Capacitance Tip Clearance Probes, Proceedings of the ASME Turbo Expo, GT2003-38284: 1-8. [6] Michael Zielinski, Gerhard Ziller, Noncontact blade vibration measurement system for aero engine application, ISABE-2005-1220: 1-9. [7] Michael Zielinski, Gerhard Ziller, Noncontact vibration measurements on compressor rotor blades, Measurement Science & Technology, 2000, 11(7): 847–856. [8] M. Gloger, M. Jung, H. Termuehlen, H. Wolf, Blade Vibration System for Power Plant Operation, IJPG Conference, Minneapolis, 1995,9-11. [9] Kam Chana。

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