涡轮叶片叶尖间隙监测、主动控制与阻尼识别方法研究
叶尖间隙自始至终都是关乎涡轮机械效率、可靠性及结构完整性的重要指标。借助叶间计时方法开展叶尖间隙测量及叶尖间隙主动控制能够提高涡轮机械的效率、增强机组的可靠性。而叶尖间隙对气动阻尼及旋转失速的影响也不容小觑。因叶尖间隙测量及主动控制模块缺失、叶片阻尼无法精准识别等致使故障发生时无法及时预警或作动，已成为制约涡轮机械安全、高效运行的瓶颈之一。电涡流式、电容式、光纤式及微波式传感器是使用较为广泛的叶尖间隙测量传感器。与其他几种传感器相比，电涡流传感器可持续测量，且不易受油污、水蒸气及湿度等工作环境的影响，是较为理想的叶尖间隙测量传感器。本文围绕叶尖间隙测量、主动控制及阻尼识别方法等开展实验研究。主要研究内容可分为三部分: (1)通过优化静态径向标定和静态周向标定技术，本文提出一种电涡流触发脉冲法，以获取电涡流传感器在叶片不同相对位置的灵敏度。电涡流触发脉冲法将叶尖间隙测量传感器与键相相融合，能够较好地解决电涡流传感器在高线速度下因带宽受限引起的欠采样问题。搭建了叶片健康监测原理实验台，并辅以高精度的静态标定系统。在不同转速下开展叶尖间隙测量实验，结果表明本文提出的电涡流触发脉冲法能够有效改善叶尖间隙的测量准确性。最后，从精度、稳定性及有限元分析等三个角度证实了该方法的有效性。 (2)采用高带宽(100kHz)电涡流传感器，基于真实机组叶尖间隙测量实验台，在不同转速下开展虑及转子振动及轴位移的的叶尖间隙测量实验。文中首次提出通过电液比例定位系统改变转子位置以实现叶尖间隙主动控制的新方法。电液比例定位系统具有尺寸小、响应快、载荷刚度良好、输出可观及操作简单等优点，广泛应用于工业主动控制领域。通过优化叶顶与机匣内表面的几何形状，将叶尖间隙与转子的轴位移相关联。在不同转速条件下，基于比例积分控制规律得到电液比例定位系统的电压或电流与叶尖间隙的关系。实验结果表明，叶尖间隙随转速的升高逐渐减小，且最大相对误差不超过20％。最后，开展了叶尖间隙测量及主动控制的精度分析与误差分析。 (3)借助具有黏性阻尼的n自由度系统振动微分方程，推导了正则比例实模态叶片阻尼识别方法，并分析了该方法的识别误差。随后，借助西门子LMS Test.Lab测试软件，通过建模、通道设置、锤击示波、锤击设置、测试、数据验证及模态识别等步骤，获得了某静止叶片的前十阶模态振型。并借助高斯拟合得到了测试叶片的频率-阻尼比特性曲线，且具有较好的拟合效果。最后，分析了入口气体扰流激振法、压电陶瓷激励法、电磁激励法及声波激励法等几种旋转叶片激振方案的优劣，并基于真实机组叶尖间隙测量与主动控制实验台制定了相应的叶片阻尼识别实验方案。 本文基于实验室条件所取得的研究成果可为基于电涡流传感器的叶尖间隙主动控制及叶片健康监测提供基础。
涡轮叶片;叶尖间隙;阻尼识别;主动控制
北京化工大学
硕士
机械工程
王维民;王志君
2017
中文
TK14
99
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）