拉杆转子界面局部脱开识别的改进广义柔度矩阵法

赵博　徐自力　阚选恩

摘要：燃气轮机拉杆转子在拉杆预紧松弛时，重力、振动及热变形等因素都可能导致轮盘非连续界面的局部分离。拉杆转子各界面上弯矩随着转速改变而变化，通过不同阶次临界转速时各界面的接触状态可能不同，因此只能使用对应阶次的模态参数对界面分离发生的位置和程度进行识别。使用振型约束的方式對损伤识别的广义柔度矩阵法进行了改进，能够使用任意单阶模态参数识别结构的损伤。利用拉杆转子临界转速和振型的变化量，结合其静止时的模态参数，使用所提出方法对界面脱开进行识别，结果表明该方法能够得到界面局部脱开的位置和程度。

关键词：转子动力学；拉杆组合转子；柔度矩阵法；损伤识别；陀螺效应

引言

为解决转子和叶片的冷却问题，重型燃气轮机和航空发动机转子一般采用拉杆组合式结构。与一般蒸汽轮机转子不同，拉杆转子不再是一个连续的整体，而是通过拉杆将多级轮盘压紧组合在一起。拉杆转子非连续的特点满足了内部冷却气流通道的要求，同时允许各级轮盘在径向膨胀，以减小转子运行时的热应力。随着燃机向大功率、高效率、高进气温度方向发展，拉杆转子的工作环境更加恶劣，对转子系统的要求也更高。拉杆螺栓由于长期受到交变载荷作用会发生松弛以致预紧力减小，当拉杆预紧力减小时，不平衡质量导致的强迫振动以及重力等因素都有可能引起转子轮盘问出现脱开、滑移等。船用燃气轮机拉杆组合转子在突然停机时，气缸内高低温气体上下分层导致的热变形会引起转子非连续界面接触应力分布不均匀，严重时也会导致界面的局部分离。因此，故障发生后及时识别出损伤发生的位置和程度，能够避免拉杆转子界面局部分离可能导致的灾难性事故，减少停机检修的时间，对于大功率燃气轮机就意味着巨大的经济效益。

拉杆转子界面的局部分离会导致转子抗弯刚度减小，进而引起模态参数的变化。由于频率和振型等模态参数改变量与结构损伤的性质、位置及严重程度相关，国内外学者对通过模态参数的改变识别损伤开展了大量研究。文献[6]和文献[7]分别使用结构损伤前后的固有频率和振型识别损伤的位置和程度，但是需要同时使用多阶模态参数。拉杆转子各界面上弯矩随着转速改变而变化，通过不同阶次临界转速时各界面的接触状态可能不同，只能使用单阶模态参数对界面分离发生的位置和程度进行识别。基于结构柔度矩阵的损伤识别方法具有需要模态参数少、识别精度高的特点受到关注。广义柔度矩阵法降低了仅使用低阶模态参数表示柔度矩阵带来的截断误差，提高了当噪音等随机误差存在时的识别精度。文献[8-9]研究对象为静止结构。由于陀螺效应等因素的影响，实际机组启动或停机时获得的转子临界转速和涡动轨迹不完全等同于其静止时的固有频率和振型。文献[10]提出了转子单处损伤的在线监测方法，能够通过转子不同转速下的不平衡响应得出单处损伤的位置和程度，但不能适用于转子系统中多处或连续损伤识别。综上所述，已有的识别方法不是需要多阶模态参数，未考虑陀螺效应，就是仅适用于单处损伤识别，无法适用于识别拉杆转子界面的局部脱开。

本文考虑旋转引起的陀螺效应等因素的影响，针对连续及多处损伤模式，使用改进的广义柔度矩阵法，利用拉杆转子界面局部脱开导致的临界转速和振型的变化量，结合完整无阻尼系统静止时的模态参数，对拉杆转子界面脱开的位置和程度进行识别。研究了转动对结构固有频率和振型的影响，用提出的方法对拉杆转子界面脱开进行了识别。