[发明专利]一种基于叶端定时的转子叶片动应力场测量方法及其系统

说明书

本发明公开了基于叶端定时传感器沿机匣周向布局的转子叶片动应力场测量方法及系统，包括以下步骤：建立待测旋转叶片三维有限元模型，提取叶片三维有限元模型单元模态参数；确定叶端定时传感器数目，周向安装位置和角度；建立叶片叶端单个位置单元位移与全场单元动应力的换算因子矩阵，建立叶片叶端单个位置单元位移与全场单元等效应力的换算因子矩阵；利用叶端定时传感器获取所需转子叶片叶端单元位移；实现转子叶片任意位置、任意方向的单元动应力测量，实现转子叶片任意位置单元等效应力测量。本发明提供的方法仅利用叶端有限位置的测量单元位移可实现转子叶片全场单元动应力和等效应力的重构计算，计算过程简单，可重复测量，可实现在线测量。

技术领域

本发明属于旋转机械转子叶片非接触式振动测试技术领域，特别是一种基于叶端定时的转子叶片动应力场测量方法及其系统。

背景技术

叶片作为航空发动机的核心部件，在发动机的正常运行中起着重要的作用，其完整性直接影响航空发动机整体安全运行。由于高速转动带来离心力的影响以及叶片本身材料特性的限制，叶片其在服役过程中极易产生振动疲劳裂纹进而造成断裂、缺角等故障。在叶片研制、生产过程中，通过测量动应力可以确定叶片的振动特性，对叶片的改型、设计具有指导作用；在航空发动机运行过程中，可以通过动应力的测量确定叶片的工作状态，判断叶片在工作转速下是否发生了共振，判断叶片的健康运行情况。转子叶片动应力的测量对于航空发动机安全运行和维护具有重大意义。现代航空发动机研制广泛采用小展弦比、整体叶盘等结构，易在气动激励环境下产生故障；叶片振动模态密集，阻尼下降，叶片往往处于多模态振动工况下。因此，在对叶片进行高周疲劳寿命评估时，不应忽略多模态耦合振动。另外，等效应力采用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况，可清晰描述应力结果在整个转子叶片中的变化，从而使分析人员可以快速地确定转子叶片最危险区域。因此，对于整体叶片的等效应力的测量也具有重要的研究价值。长期以来，航空发动机叶片是通过在转子叶片表面粘贴应变片的方式实现动应变测量，再利用应变-应力转换关系求得动应力，这仅能测量有限叶片有限位置的动应力，其可靠性和持续工作时间较低，特别是对于工作在1000度以上高温环境下的涡轮叶片，还存在高温下应变片存活率较低、测量信号易出现失真，这都对动应力的准确测量造成极大影响。由于航空发动机叶片高速旋转的特点，基于叶端定时的非接触式测量成为叶片振动测试领域研究的发展方向。该测量技术利用安装在靠近机匣内侧的传感器感知叶尖振动信息。这一技术被称为叶端定时技术。由于叶端定时传感器的测量光斑具有一定面积，测量点其实是一个小区域单元，实际工程应用中应变片测量量也是区域的应变、应力值，相对于节点，考虑测量单元的位移、动应力和动应变更符合实际工程应用，也更有实际工程价值。自20世纪80年代叶端定时技术被提出以来，已获得了广泛的运用和较好的发展。当前叶端定时技术是航空发动机制造、测试巨头及相关科研机构关注的热点，被应用于叶片的测量及诊断工作中，比如美国空军阿诺德工程研发中心(AEDC)推出了叶片非侵入式应力测试系统(Non-intrusive Stress MeasurementSystem，NSMS)。经过数十年的发展，基于叶端定时的非接触式测量已成为替代应变片接触式应力测量最有前景的方法。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于叶端定时的转子叶片动应力场测量方法及其系统，解决了当前叶片动应力重构方法仅适用于单模态振动下的动应力估计的问题，并具备同时重构转子叶片表面与内部所有单元动应力及等效应力的优势。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现，一种基于叶端定时的转子叶片动应力场测量方法包括以下步骤：

第一步骤中，建立待测量转子叶片的三维有限元模型，提取所述三维有限元模型的单元模态参数；

第二步骤中，确定叶端定时传感器数目与周向安装位置和角度；