专利名称：高速旋转叶片自动同步定位方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及非接触式大型旋转机械高速旋转叶片参数测量技术及智能故障诊断系统领域，本发明是关于测量系统所测叶片参数与具体叶片的对应匹配方法。具体讲是涉及高速旋转叶片自动同步定位方法及装置。
背景技术：
航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机、鼓风机等大型旋转机械是航空、舰船、 电力、石化、冶金等系统的关键设备。叶片作为大型旋转机械转子的核心部件，其自身振动及随转子振动引起的各种运行参数(如叶尖间隙)变化影响整个系统的正常运转和工作效率。实时测量、获取叶片参数的变化规律为判断转子运行状态和故障诊断提供了直观依据， 是设备安全运行及提高效率的重要保障。非接触式旋转叶片参数测量系统基本原理是将传感器安装在旋转机械机匣上，测量叶片到来时的各种参数信息。该方法不破坏旋转机械结构，利用一支或若干支传感器即可实时检测所有叶片振动与间隙等参数[1-4]，具有巨大的优势和价值。通常，非接触式旋转机械叶片参数测量系统需要增加一支监测转轴的同步传感器或在某一叶片上作同步标记，使用该同步信号作为参考才能辨别测量信息与实际叶片的一一对应关系，否则就减弱了测量系统所能发挥的作用，甚至使系统不能正常工作[5-9]。 另一方面，某些大型机械苛刻的工作条件不允许对转轴或叶片进行人工改造或增加附件， 在一定程度上限制了测量系统的广泛使用。因此，高速旋转叶片的自动同步定位方法是决定测量系统发挥智能健康监测和管理等功能的重要前提。引证文献[1]Choon-Man JANG, Tohre GUKANO，Masato FURUKAWA. Effects of the tip clearance on vertical flow and its relation to noise in an axial flow fan[J]. JSME International Journal，2003(3)，Vol. 46 :356_365。[2]Michael Zielinski, Gerhard Ziller, Noncontact Blade Vibration Measurement System for Aero Engine Application, ISABE-2005-1220 :1_9。[3]Craig P. Lawson,Paul C. Ivey,Turbomachinery blade vibration amplitude measurement through tip timing with capacitance tip clearance probes, Sensors and Actuators, 2005, A118 :14_240[4]M. Zielinski, G. Ziller. Noncontact Vibration Measurements on Compressor Rotor Blades[J] · Meas. Sci. Technol，2000，11(7) :847_856。[5]张玉贵，段发阶，方志强，欧阳涛，叶声华，基于叶尖定时的非接触式旋转叶片异步振动分析，机械工程学报，2008,44 (7) 147-150。[6]段发阶，张玉贵，欧阳涛，叶声华，航空发动机旋转叶片振动监测系统研究，光学与光电技术，2008，16(1) :48-51。[7]段发阶，叶德超，龙成.基于PLL载频跟踪的电容式叶尖间隙测量技术[J].天津大学学报，2011,44 (4)，283-286。[8]段发阶，欧阳涛，李孟麟等，变速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，发明专利，ZL200910070000. 8，2010-12-01。[9]段发阶，李孟麟，欧阳涛等，恒速下高速旋转叶片同步振动参数检测方法，发明专利，ZL200910070001. 2，2011-01-05。
发明内容
为克服现有技术的不足，在不增加任何同步传感器或标记的前提下，提供一种从原有非接触传感器输出信号直接变换、匹配，实现叶片的高速自动同步定位的方法，该方法适用于大多数旋转机械转子叶片参数非接触在线测量系统，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，高速旋转叶片自动同步定位方法，包括下列步骤设待测量转子叶片数为N，测量得到的转子N个相邻叶片夹角组成{ θ }序列，{ θ } =(θ0, θ17…，θ ρ .··，θ ,J，i为设定的叶片号，当i大于等于1时，θ i为第i号叶片与第i-Ι号叶片之间夹角，θ ^为0号叶片与第N-I号叶片的夹角，将序列{Θ}作为匹配模板；设非接触传感器不断输出有效信号序列{V}，{V} = (V0, V1, -,Vk,…)，k为正整数。将IV}传输至高精度叶尖定时模块，得到叶片到达时间序列{t}，{t} = (t0,ti;…， tk，…)；采用信号处理模块将时间序列{t}转化为当前叶片与前一通过传感器叶片的夹角序列一}，1^}=(卿，φι，···，怖，"OJlJ {V}与一}——对应；将模板{ θ }在序列一}按照相关匹配算法计算相关系数，采用相关系数最大原则， 通过遍历寻找最优匹配点，若匹配后θ i对应一}序列中的忤，则忤对应第i号叶片，从而{V} 中的Vk信息就是属于i号叶片，以此类推，Vk+1对应第i+Ι号叶片，依次匹配完成所有测量信息的自动叶片定位。信号处理模块将时间序列{t}转化为夹角序列一}的过程通过如下两种方式实现(1)设叶片到达时间序列为{t}，且高速旋转状态下，相邻周期内转子旋转周期T基本不变，则取tk前一圈数据进行计算得T = tH-tk+,，因此 (Pk=(tk -tk-\)/ T= (tk —tk-x)/(tk-i- 或者(2)若取tk前η个周期数据计算得T = (VrtkL)/n，因此
(Pk=n(tk —tk-])/ (tk-l- tk-l-nN)"匹配模板{ θ }通过两种方法获取一是采用专用角度测量设备如角度测量仪测量各个叶片间相互夹角按照叶片编号组成序列{ θ }；或者二是人工盘车，识别出叶片号与测量系统所用非接触传感器输出信号的相互对应关系，再通过叶尖定时模块与信号处理模块获得角度序列一’ }，取一’ }中某一周期或多个周期数据平均值按照叶片编号顺序排列即组成序列{ θ }。寻找最优匹配点时，在数据怖后依次取序列一}中连续M个数据组成子序列 = (pk+m,…,怖+ -》，其中111 = 0，1，2，."M-l，M彡N。取相关系数为目标函
数，当M彡2N时定义目标函数
权利要求
1.一种高速旋转叶片自动同步定位方法，其特征是，包括下列步骤设待测量转子叶片数为N，测量得到的转子N个相邻叶片夹角组成{ θ }序列，{ θ }= (Θ。，Θ17…，…，eN_i)，i为设定的叶片号，当i大于等于1时，Gi为第i号叶片与第i-Ι号叶片之间夹角，Θ。为ο号叶片与第N-I号叶片的夹角，将序列{Θ}作为匹配模板；设非接触传感器不断输出有效信号序列IV}，{V} = (Vc^V1，…，Vk，"0，k为正整数，将 m传输至高精度叶尖定时模块，得到叶片到达时间序列{t}，{ti = (t0,ti; ···，、，…)；采用信号处理模块将时间序列{t}转化为当前叶片与前一通过传感器叶片的夹角序列一}，{^}=(卿，φι，···，怖，…)，贝丨J {V}与一}--对应；将模板{Θ}在序列一}按照相关匹配算法计算相关系数，采用相关系数最大原则，通过遍历寻找最优匹配点，若匹配后Qi对应㈣序列中的怖，则怖对应第i号叶片，从而m中的 Vk信息就是属于i号叶片，以此类推，Vk+1对应第i+Ι号叶片，依次匹配完成所有测量信息的自动叶片定位。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，信号处理模块将时间序列{t}转化为夹角序列一}的过程通过如下两种方式实现(1)设叶片到达时间序列为It}= (、，t1; ···，、，…)，且高速旋转状态下，相邻周期内转子旋转周期T基本不变，则取tk前一圈数据进行计算得T = tH-tk+,，因此 (pk=(tk -tk-i)/ T=(tk-tk-i)/(tk-i- &小W);或者(2)若取tk前η个周期数据计算得T= (V1-V1J /n,因此忤俗-U/4-7W °
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，匹配模板{θ }通过两种方法获取一是采用专用角度测量设备如角度测量仪测量各个叶片间相互夹角按照叶片编号组成序列{ θ }；或者二是人工盘车，识别出叶片号与测量系统所用非接触传感器输出信号的相互对应关系，再通过叶尖定时模块与信号处理模块获得角度序列取{<}中某一周期或多个周期数据平均值按照叶片编号顺序排列即组成序列{ θ }。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是，寻找最优匹配点时，在数据外后依次取序列一} 中连续M个数组成子序列{怖}=(怖，φ^ι, (pk+m,…’怖+ -7)，其中111 = 0，1，2，...]\1-1， M彡N，取相关系数为目标函数，当M > 2N时，定义目标函数J (m)
5.一种高速旋转叶片自动同步定位装置，其特征是，包括非接触传感器，测得叶片到达信号；高精度叶尖定时模块，接收非接触传感器输出信号，得到叶片到达时间序列It}； 信号处理模块，用于进行算法转换得到夹角序列一}; 匹配模块，用于寻找最优匹配点实现叶片的同步定位。
全文摘要
本发明主要涉及非接触式大型旋转机械高速旋转叶片参数测量技术及智能故障诊断系统领域。为提供一种提供一种从原有非接触传感器输出信号直接变换、匹配，实现叶片的高速自动同步定位的方法，该方法适用于大多数旋转机械转子叶片参数非接触在线测量系统，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，高速旋转叶片自动同步定位装置，包括非接触传感器，测得叶片到达信号；高精度叶尖定时模块，接收非接触传感器输出信号，得到叶片到达时间序列{t}；信号处理模块，用于进行算法转换得到夹角序列{φ}；本发明主要应用于大型旋转机械高速旋转叶片参数测量场合。
文档编号G01D21/02GK102506942SQ20111037809
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者叶德超, 李扬宗, 欧阳涛, 段发阶, 郭浩天 申请人:天津大学