基于FBG的汽輪機葉片動態應變檢測與損傷識別

喻勁森，周祖德，魏莉，尹東輝，胡哺松

（1武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢430070；2中國長江動力集團有限公司，湖北 武漢430070）

葉片是汽輪機及葉輪機械中最重要的零部件之一。因受高離心力、穩定汽流力及交變汽流激振力的作用，葉片故障占汽輪機故障的30%～40%，甚至更多［1－2］。葉片安全一直是保證汽輪機正常運行的關鍵。隨著汽輪機組單機功率的增大，尤其是近來超超臨界機組的發展，末幾級葉片越來越長，汽輪機葉片工作的環境越來越惡劣，導致葉片事故時有發生。因此，對旋轉葉片動態狀態進行監測顯得尤為重要。而最主要的就是葉片動態應變參量的檢測，因為它承載了葉片的振動和有無損傷的信息。對于旋轉葉片狀態參量檢測，國內外學者做了很多研究，比較有代表性的有兩類方法——接觸式和非接觸式。接觸式方法中，最早的應屬20世紀30年代美國西屋公司對運行中的汽輪機葉片利用光反射到熒光屏上進行觀察或照相而達到測量目的的方法。50年代開始采用的粘貼應變片的方法，其最大的缺點是安裝費時費力，而且工作壽命較短，易于受電磁干擾，且不易實現分布式測量等。自20世紀60年代，人們逐漸將重點轉向了非接觸測量方法的研究上。非接觸的方法有:葉片端面嵌入磁鐵的頻率調制法、工作輪正上方安裝傳感器的脈沖調制法、間斷相位法、聲響應法［3－4］。但這些方法都有一個共同的缺點，就是只能檢測到葉片頂部的信號，無法對整個葉片的動態信號進行測量。

隨著光纖傳感技術越來越成熟，光纖光柵（FBG）傳感器本身具有抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕、傳感信號可遠距離傳輸且易于實現分布動態測量等優點，其應用也越來越受到重視，在健康監測以及動態應變測量等領域都有廣泛的應用［5－6］。本文利用光纖光柵傳感器的特點，搭建了接觸式FBG動態應變信號測量的實驗系統，與電阻應變片傳感器測試系統進行對比實驗，成功地對旋轉狀態下汽輪機葉片的動態應變信號進行了檢測，并從有損傷的葉片上提取出了損傷信號。

1 實驗原理

1.1 FBG傳感原理

Bragg光纖光柵是利用紫外曝光技術，在光纖芯內形成折射率具有周期性的分布結構。當一束寬帶光入射到光纖光柵中時，周期性折射率結構使得某個特定波長的窄帶光被反射，稱為Bragg波長。光纖光柵中心反射波長

式中:n為光纖光柵有效折射率；Λ為光纖光柵柵格周期。由此可知光纖光柵的中心反射波長與光柵的周期和反向耦合模的有效折射率成正比［7－8］。在所有引起光柵布拉格波長漂移的外界因素中，最直接的為應變參量，因為無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，都勢必導致光柵周期Λ的變化，并且光纖本身所

式中:ΔλB為波長漂移量；ε為應變；Pe為光纖有效彈光系數。具有彈光效應使得有效折射率neff也隨外界應變狀態的變化而變化，這為采用光纖布拉格光柵制成光纖應變傳感器提供了最基本的物理基礎。應力應變引起光柵布拉格波長漂移可以由下式給予描述

1.2 實驗原理

選取長江動力公司提供的某型汽輪機第12級葉輪上的一個葉片為實驗對象，葉片是變截面扭葉片，叉形葉根，葉片總長584mm，工作長度485 mm，葉片厚度不均勻，從進汽側到出汽側由厚變薄。最小厚度為2.14mm，最大厚度為21.41mm。其結構如圖1所示。

圖1 某型汽輪機第12級葉輪上的一個葉片

因為實驗平臺的驅動裝置條件有限，最高轉速只能達到400r/min，所以在對葉片進行ANSYS靜力仿真分析時，取轉子工況為轉速400r/min的空轉。確定加載條件為離心力，邊界條件是軸承處全約束，葉片和葉輪接觸處采用綁定接觸。找出變形較大的區域，為傳感器的粘貼提供仿真依據。靜力分析結果以及選取的測點位置如圖2所示。

圖2 測點布置圖

實驗標定的被測葉片測點，從頂部到根部的編號分別為1、2、3、4、5、6、7、8，取根部一點為a，測點之間的距離為L1－a＝20mm，L2－1＝40mm，L3－2＝54mm，L4－3＝63mm，L5－4＝65mm，L6－5＝80 mm，L7－6＝70mm，L8－7＝70mm。

圖3 葉片實驗圖

搭建如圖4所示的實驗測試系統。利用平臺驅動電機提供輸入激勵，其中光纖旋轉連接器實現光纖信號的由動態轉子到靜態FBG高速解調儀的轉換，解調儀負責對光纖波長信號的解調。解調儀（最高采樣率為4K）和旋轉連接器均為武漢理工大學自主研發產品。由上海牧坤電子科技有限公司生產的無線應變傳感器（最高采樣率為1K）則實現了應變片檢測信號的無線傳輸。實驗原理如下:在汽輪機一個葉片上有8個測點，每個測點布置一個FBG傳感器和一個電阻應變片傳感器，實物照片如圖3所示。根據光纖光柵傳感器的特性，利用AB膠粘貼于被測葉片表面，改變測試實驗平臺的轉速激勵輸入，光纖信號由安裝在轉子軸心孔上的光纖旋轉連接器實現旋轉端到固定端的傳送，再傳輸到高速光纖解調儀和計算機上，用配套軟件采集對應不同旋轉狀態下的葉片上各測點光纖光柵波長值，然后根據式（2）的波長與應變換算關系，計算出各測點的應變值。在同樣測點處也粘貼有應變片，利用無線傳輸方法完成應變數據的傳輸，配套軟件采集數據。兩套測量方案相互比較完成葉片的動態應變測量。

圖4 實驗系統框架圖

2 動應變實驗測試及結果分析

2.1 靜態敲擊實驗

為了測得葉片的靜頻，了解葉片靜態下的固有特性，在進行動應變檢測之前，首先進行了靜態敲擊實驗。在實驗之前，對葉片進行了模態仿真分析，分析得到前兩階固有頻率（圖5）。

圖5 葉片模態仿真分析所得固有頻率

實驗中，采用脈沖錘敲擊葉片的方法（敲了3次），測得葉片8個測點的信號，對光纖數據進行相應的波長到應變的換算，再經過頻譜分析，得到了葉片前兩階固有頻率（因為無線應變模塊的頻率響應最高是260Hz，故而只能測出前兩階），8個測點的頻譜分析結果一樣。電測和FBG的測量結果如表1所示。由測得的結果可以看到，無論是時域波形還是頻譜分析都比較吻合。頻譜中，雖然電測有一個50Hz的工頻信號干擾，但是兩種傳感器的測量值很接近，相對誤差在1%以內，這也驗證了FBG傳感器測量的準確性。

表1 靜態固有頻率對比

選取測點6的時域波形對比如圖6所示。

圖6 測點6兩種傳感器時域波形對比圖

測點6頻譜對比如圖7所示。

圖7 測點6的兩種傳感器頻譜對比

2.2 動應變測量實驗

動態應變實驗中，對三種不同轉速狀態（200r/min、300r/min、400r/min）進行了測量，實驗過程:先加速到一定轉速，然后自由降速到停止。數據采集記錄了整個過程，每個轉速狀態下都進行了3次實驗。對比分析兩種傳感器測量數據的時域和頻域結果，其中測點6的兩種傳感器時域波形對比如圖8所示。

圖8 最高轉速300r/min狀態下的測點6時域波形對比

從圖6可以清楚地看到，從升速到降速的過程中汽輪機轉子葉片上動應變的變化趨勢在兩種傳感器的波形圖上基本一致。但是，因為兩種傳感器的測點位置不完全一樣，每個測點的應變片都在FBG傳感器的一側，所以時域波形的幅值會存在誤差。每次測試過程都是先升速到最高目標轉速，然后自由降速到停止，所以時域波形中的峰值點即為最高轉速狀態下的應變幅值。比較最高轉速300r/min狀態下各測點最大幅值，其結果如表2所示。從表中可見，各測點應變幅值兩種傳感器的誤差基本上在10%以內。因此，位置偏差是傳感器誤差的主要原因。

表2 無損葉片300 r/min狀態下各測點幅值

根據三個轉速狀態下的頻譜分析，提取出的葉片前兩階對應的動態固有頻率結果見表3，從表中可以看到兩種測量數據的分析結果吻合度很好，這也充分表明光纖光柵傳感測量精度足以與傳統電測相媲美。

表3 無損葉片動態頻率對比表

最高轉速300r/min狀態下的測點6頻譜對比如圖9所示。

圖9 最高轉速300r/min狀態下的測點6頻譜對比

3 損傷識別

為找到葉片損傷的識別方法，在對完好葉片進行動應變測量，取得其動靜態頻率和應變分布規律信息的數據后，對測試葉片進行人為破壞，破壞位置位于測點4和測點5之間，缺陷呈不規則形狀（圖10），再進行靜態敲擊和動應變測量實驗，這樣就掌握了葉片有損狀態下和完好狀態下的信息，最后把有損傷和無損傷兩種狀態下的測試結果相對比，找出特征參量的變化規律，得到識別葉片損傷的方法。

圖10 有損葉片

成功在實驗對象葉片上加工好缺陷之后，在保持與完好葉片其他實驗條件基本一致的情況下，進行有損葉片的靜態敲擊實驗，靜態實驗的前后對比結果見表4?？梢院苊黠@地看到，相對于完好狀態葉片的固有頻率，有損葉片一二階固有頻率都有所下降。有損狀態下兩種傳感器測量數據的分析結果與仿真的結果偏差較大，主要是葉片破壞的位置和形狀與仿真的有差別，仿真模型與實物相比，缺口位置不夠精確，形狀大小不夠吻合，導致了實驗結果與仿真差別較大。但是兩種傳感器的對比誤差很小，吻合程度很高，足以驗證實驗的可靠性和準確性。

表4 有損和完好葉片靜態頻率對比表

有損葉片測點6的動靜態頻譜圖對比如圖11所示。

圖11 有損葉片測點6的動靜態頻譜圖對比

有損葉片動應變檢測實驗也對三種不同轉速狀態進行了測量（最高轉速分別是200r/min，300r/min，400r/min）。時域分析中同樣取300r/min狀態下的最大幅值進行比較（表5）。

表5 有損葉片300 r/min狀態下各測點幅值

和完好葉片結果一樣，兩種傳感器測量結果誤差都在10%以內。取有損傷葉片300r/min狀態下的各點幅值與完好狀態下的幅值對比曲線如圖12所示。

圖12 有損和無損葉片測點幅值比較

從對比結果可以看出，兩種傳感器測得的應變分布走勢規律是一樣的，只是在具體數值上有較小誤差存在，這就證明了實驗測量葉片應變分布規律的準確性。同時，兩種傳感器的測量結果都一致顯示損壞后的葉片在測點5的應變幅值有明顯增大，也就間接說明有缺陷存在的區域，葉片的變形明顯增大，應變值也隨之劇增。這就為識別葉片損傷提供了時域方面的依據。從分析結果中提取的各狀態前兩階動頻對比見表6。

表6 有損葉片動頻對比表

由表6可知兩種傳感器的相對誤差在1%以內，再次證明了FBG傳感器的精度與傳統電類傳感器相當。同時可發現，相對于完好葉片，受損葉片的動態固有頻率有所降低。這就為識別葉片損傷提供了頻域方面的表征。

綜上所述，葉片損傷后附近區域的應變幅值會有突變，并且它的動靜頻也會突然降低。這不僅提供了損傷是否存在的判別依據，同時也說明了葉片的損傷可以通過FBG傳感器來識別。

4 結論

本文搭建了汽輪機轉子葉片動應變測量實驗系統，利用光纖光柵傳感技術，成功獲取了汽輪機葉片動態應變分布數據，通過數據分析得到了葉片的應變分布規律和動靜頻等參數。在進一步的損傷葉片實驗中，從時域和頻域兩方面都提取出了損傷信息，從而實現了基于FBG傳感的對葉片動應變的分布式檢測，以及對損傷葉片的識別，分析結果與傳統的電類傳感器相吻合，驗證了FBG傳感應用于葉片動應變檢測和損傷識別的精確可靠性。

本次的實驗系統還不足以獲取實際工況下汽輪機轉子葉片的動態應變分布數據，對傳感器進行相應的封裝等措施后，下一步將有望實現工況下轉子葉片的監測。

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