基于FBG的汽轮机叶片动态应变检测与损伤识别

喻劲森，周祖德，魏莉，尹东辉，胡哺松

（1武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉430070；2中国长江动力集团有限公司，湖北 武汉430070）

叶片是汽轮机及叶轮机械中最重要的零部件之一。因受高离心力、稳定汽流力及交变汽流激振力的作用，叶片故障占汽轮机故障的30%～40%，甚至更多［1－2］。叶片安全一直是保证汽轮机正常运行的关键。随着汽轮机组单机功率的增大，尤其是近来超超临界机组的发展，末几级叶片越来越长，汽轮机叶片工作的环境越来越恶劣，导致叶片事故时有发生。因此，对旋转叶片动态状态进行监测显得尤为重要。而最主要的就是叶片动态应变参量的检测，因为它承载了叶片的振动和有无损伤的信息。对于旋转叶片状态参量检测，国内外学者做了很多研究，比较有代表性的有两类方法——接触式和非接触式。接触式方法中，最早的应属20世纪30年代美国西屋公司对运行中的汽轮机叶片利用光反射到荧光屏上进行观察或照相而达到测量目的的方法。50年代开始采用的粘贴应变片的方法，其最大的缺点是安装费时费力，而且工作寿命较短，易于受电磁干扰，且不易实现分布式测量等。自20世纪60年代，人们逐渐将重点转向了非接触测量方法的研究上。非接触的方法有:叶片端面嵌入磁铁的频率调制法、工作轮正上方安装传感器的脉冲调制法、间断相位法、声响应法［3－4］。但这些方法都有一个共同的缺点，就是只能检测到叶片顶部的信号，无法对整个叶片的动态信号进行测量。

随着光纤传感技术越来越成熟，光纤光栅（FBG）传感器本身具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、传感信号可远距离传输且易于实现分布动态测量等优点，其应用也越来越受到重视，在健康监测以及动态应变测量等领域都有广泛的应用［5－6］。本文利用光纤光栅传感器的特点，搭建了接触式FBG动态应变信号测量的实验系统，与电阻应变片传感器测试系统进行对比实验，成功地对旋转状态下汽轮机叶片的动态应变信号进行了检测，并从有损伤的叶片上提取出了损伤信号。

1 实验原理

1.1 FBG传感原理

Bragg光纤光栅是利用紫外曝光技术，在光纤芯内形成折射率具有周期性的分布结构。当一束宽带光入射到光纤光栅中时，周期性折射率结构使得某个特定波长的窄带光被反射，称为Bragg波长。光纤光栅中心反射波长

式中:n为光纤光栅有效折射率；Λ为光纤光栅栅格周期。由此可知光纤光栅的中心反射波长与光栅的周期和反向耦合模的有效折射率成正比［7－8］。在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期Λ的变化，并且光纤本身所

式中:ΔλB为波长漂移量；ε为应变；Pe为光纤有效弹光系数。具有弹光效应使得有效折射率neff也随外界应变状态的变化而变化，这为采用光纤布拉格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理基础。应力应变引起光栅布拉格波长漂移可以由下式给予描述

1.2 实验原理

选取长江动力公司提供的某型汽轮机第12级叶轮上的一个叶片为实验对象，叶片是变截面扭叶片，叉形叶根，叶片总长584mm，工作长度485 mm，叶片厚度不均匀，从进汽侧到出汽侧由厚变薄。最小厚度为2.14mm，最大厚度为21.41mm。其结构如图1所示。

图1 某型汽轮机第12级叶轮上的一个叶片

因为实验平台的驱动装置条件有限，最高转速只能达到400r/min，所以在对叶片进行ANSYS静力仿真分析时，取转子工况为转速400r/min的空转。确定加载条件为离心力，边界条件是轴承处全约束，叶片和叶轮接触处采用绑定接触。找出变形较大的区域，为传感器的粘贴提供仿真依据。静力分析结果以及选取的测点位置如图2所示。

图2 测点布置图

实验标定的被测叶片测点，从顶部到根部的编号分别为1、2、3、4、5、6、7、8，取根部一点为a，测点之间的距离为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。

图3 叶片实验图

搭建如图4所示的实验测试系统。利用平台驱动电机提供输入激励，其中光纤旋转连接器实现光纤信号的由动态转子到静态FBG高速解调仪的转换，解调仪负责对光纤波长信号的解调。解调仪（最高采样率为4K）和旋转连接器均为武汉理工大学自主研发产品。由上海牧坤电子科技有限公司生产的无线应变传感器（最高采样率为1K）则实现了应变片检测信号的无线传输。实验原理如下:在汽轮机一个叶片上有8个测点，每个测点布置一个FBG传感器和一个电阻应变片传感器，实物照片如图3所示。根据光纤光栅传感器的特性，利用AB胶粘贴于被测叶片表面，改变测试实验平台的转速激励输入，光纤信号由安装在转子轴心孔上的光纤旋转连接器实现旋转端到固定端的传送，再传输到高速光纤解调仪和计算机上，用配套软件采集对应不同旋转状态下的叶片上各测点光纤光栅波长值，然后根据式（2）的波长与应变换算关系，计算出各测点的应变值。在同样测点处也粘贴有应变片，利用无线传输方法完成应变数据的传输，配套软件采集数据。两套测量方案相互比较完成叶片的动态应变测量。

图4 实验系统框架图

2 动应变实验测试及结果分析

2.1 静态敲击实验

为了测得叶片的静频，了解叶片静态下的固有特性，在进行动应变检测之前，首先进行了静态敲击实验。在实验之前，对叶片进行了模态仿真分析，分析得到前两阶固有频率（图5）。

图5 叶片模态仿真分析所得固有频率

实验中，采用脉冲锤敲击叶片的方法（敲了3次），测得叶片8个测点的信号，对光纤数据进行相应的波长到应变的换算，再经过频谱分析，得到了叶片前两阶固有频率（因为无线应变模块的频率响应最高是260Hz，故而只能测出前两阶），8个测点的频谱分析结果一样。电测和FBG的测量结果如表1所示。由测得的结果可以看到，无论是时域波形还是频谱分析都比较吻合。频谱中，虽然电测有一个50Hz的工频信号干扰，但是两种传感器的测量值很接近，相对误差在1%以内，这也验证了FBG传感器测量的准确性。

表1 静态固有频率对比

选取测点6的时域波形对比如图6所示。

图6 测点6两种传感器时域波形对比图

测点6频谱对比如图7所示。

图7 测点6的两种传感器频谱对比

2.2 动应变测量实验

动态应变实验中，对三种不同转速状态（200r/min、300r/min、400r/min）进行了测量，实验过程:先加速到一定转速，然后自由降速到停止。数据采集记录了整个过程，每个转速状态下都进行了3次实验。对比分析两种传感器测量数据的时域和频域结果，其中测点6的两种传感器时域波形对比如图8所示。

图8 最高转速300r/min状态下的测点6时域波形对比

从图6可以清楚地看到，从升速到降速的过程中汽轮机转子叶片上动应变的变化趋势在两种传感器的波形图上基本一致。但是，因为两种传感器的测点位置不完全一样，每个测点的应变片都在FBG传感器的一侧，所以时域波形的幅值会存在误差。每次测试过程都是先升速到最高目标转速，然后自由降速到停止，所以时域波形中的峰值点即为最高转速状态下的应变幅值。比较最高转速300r/min状态下各测点最大幅值，其结果如表2所示。从表中可见，各测点应变幅值两种传感器的误差基本上在10%以内。因此，位置偏差是传感器误差的主要原因。

表2 无损叶片300 r/min状态下各测点幅值

根据三个转速状态下的频谱分析，提取出的叶片前两阶对应的动态固有频率结果见表3，从表中可以看到两种测量数据的分析结果吻合度很好，这也充分表明光纤光栅传感测量精度足以与传统电测相媲美。

表3 无损叶片动态频率对比表

最高转速300r/min状态下的测点6频谱对比如图9所示。

图9 最高转速300r/min状态下的测点6频谱对比

3 损伤识别

为找到叶片损伤的识别方法，在对完好叶片进行动应变测量，取得其动静态频率和应变分布规律信息的数据后，对测试叶片进行人为破坏，破坏位置位于测点4和测点5之间，缺陷呈不规则形状（图10），再进行静态敲击和动应变测量实验，这样就掌握了叶片有损状态下和完好状态下的信息，最后把有损伤和无损伤两种状态下的测试结果相对比，找出特征参量的变化规律，得到识别叶片损伤的方法。

图10 有损叶片

成功在实验对象叶片上加工好缺陷之后，在保持与完好叶片其他实验条件基本一致的情况下，进行有损叶片的静态敲击实验，静态实验的前后对比结果见表4。可以很明显地看到，相对于完好状态叶片的固有频率，有损叶片一二阶固有频率都有所下降。有损状态下两种传感器测量数据的分析结果与仿真的结果偏差较大，主要是叶片破坏的位置和形状与仿真的有差别，仿真模型与实物相比，缺口位置不够精确，形状大小不够吻合，导致了实验结果与仿真差别较大。但是两种传感器的对比误差很小，吻合程度很高，足以验证实验的可靠性和准确性。

表4 有损和完好叶片静态频率对比表

有损叶片测点6的动静态频谱图对比如图11所示。

图11 有损叶片测点6的动静态频谱图对比

有损叶片动应变检测实验也对三种不同转速状态进行了测量（最高转速分别是200r/min，300r/min，400r/min）。时域分析中同样取300r/min状态下的最大幅值进行比较（表5）。

表5 有损叶片300 r/min状态下各测点幅值

和完好叶片结果一样，两种传感器测量结果误差都在10%以内。取有损伤叶片300r/min状态下的各点幅值与完好状态下的幅值对比曲线如图12所示。

图12 有损和无损叶片测点幅值比较

从对比结果可以看出，两种传感器测得的应变分布走势规律是一样的，只是在具体数值上有较小误差存在，这就证明了实验测量叶片应变分布规律的准确性。同时，两种传感器的测量结果都一致显示损坏后的叶片在测点5的应变幅值有明显增大，也就间接说明有缺陷存在的区域，叶片的变形明显增大，应变值也随之剧增。这就为识别叶片损伤提供了时域方面的依据。从分析结果中提取的各状态前两阶动频对比见表6。

表6 有损叶片动频对比表

由表6可知两种传感器的相对误差在1%以内，再次证明了FBG传感器的精度与传统电类传感器相当。同时可发现，相对于完好叶片，受损叶片的动态固有频率有所降低。这就为识别叶片损伤提供了频域方面的表征。

综上所述，叶片损伤后附近区域的应变幅值会有突变，并且它的动静频也会突然降低。这不仅提供了损伤是否存在的判别依据，同时也说明了叶片的损伤可以通过FBG传感器来识别。

4 结论

本文搭建了汽轮机转子叶片动应变测量实验系统，利用光纤光栅传感技术，成功获取了汽轮机叶片动态应变分布数据，通过数据分析得到了叶片的应变分布规律和动静频等参数。在进一步的损伤叶片实验中，从时域和频域两方面都提取出了损伤信息，从而实现了基于FBG传感的对叶片动应变的分布式检测，以及对损伤叶片的识别，分析结果与传统的电类传感器相吻合，验证了FBG传感应用于叶片动应变检测和损伤识别的精确可靠性。

本次的实验系统还不足以获取实际工况下汽轮机转子叶片的动态应变分布数据，对传感器进行相应的封装等措施后，下一步将有望实现工况下转子叶片的监测。

［1］ 岳艳丽，刘治国.汽轮机叶片损坏原因及预防［J］.中国新技术新产品，2010（18）:141.

［2］ 梅刘志.浅谈汽轮机叶片研究现状［J］.中国科技博览，2012（25）:568-568，570.

［3］ 韩中和，祝晓燕，丁常富.汽轮机叶片动态测量技术的研究与发展［J］.汽轮机技术，2002，44（03）:130-131.

［4］ 刘 江.汽轮机叶片振动监测非接触测量法的研究［D］.北京:华北电力大学，2006.

［5］ 姜德生，何 伟.光纤光栅传感器的应用概况［J］.光电子·激光，2002（04）:420-430.

［6］ Byoungho Lee.Review of the present status of optical fiber sensors［J］.Opt.Fiber Technol，2003，9（02）:57-59.

［7］ 方志强，段发阶.基于光纤传感的旋转叶片振动检测技术研究［J］.传感器与微系统，2008，27（02）:71-73，76.

［8］ Lae-Hyong Kang，Dae-Kwan Kim，Jae-Hung Han.Estimation of dynamic structural displacements using fiber Bragg grating strain sensors［J］.Journal of Sound and Vibration，2007（305）:534-542.