一种船舶燃气轮机叶片状态评估方法和评估装置与流程

1.本技术涉及船舶燃气轮机压气机、涡轮中的转子叶片状态评估及健康管理技术领域，尤其涉及一种船舶燃气轮机叶片状态评估方法和评估装置。


背景技术：

2.叶片是船舶燃气轮机中实现能量转换的核心部件，其运行安全极为重要。动态监测叶片的振动并进行状态评估是掌握叶片健康状况与功能特性的必要环节，对提高其运行可靠性和故障溯源根治具有重要的基础作用。经过多年的发展，以机匣振动为主、配合油液、气路和性能参数的燃气轮机动态监测系统已经能够诊断出大部分故障，具有警告、报警和指示等功能，但是难以实现叶片状态的监测和评估。
3.叶尖计时法是目前叶片振动在线监测的主流方法，近年来得到了广泛的研究和发展。该方法在机匣上安装若干支叶尖计时传感器测量叶片到达传感器的时刻，根据理论到达时刻与实际到达时刻的差值以及转速计算叶片振动位移，对振动位移序列进行进一步的分析，可对叶片的运行状态进行评估。该技术由于其非侵入式测量、系统结构简单、传感器安装方便、测量成本低等优点，得到了工业界以及学术界的重视和认可。然而该技术在船舶燃气轮机转子叶片的状态评估应用时存在以下不足：
4.(1)叶尖计时技术的基本原理中假设叶片旋转一圈内的转速是恒定的，然而船舶燃气轮机的启车、升降速、急停往往是一个转速快变的过程，其运行工况包括变转速工况以及恒转速工况。目前的技术满足不了全工况的监测需求。
5.(2)该技术只考虑了叶片共振时模态振型引起的瞬态位移，船舶燃气轮机叶片运行过程中还受到气动载荷、离心载荷、热载荷以及腐蚀变形等引起的稳态位移。目前的技术满足不了瞬态位移以及稳态位移的全面监测需求。
6.(3)船舶燃气轮机转子叶片叶尖端面形貌复杂、叶尖及计时传感器表面易受污染结垢等因素影响，导致叶尖计时信号中会出现丢失数据或者存在多余数据的误触发现象，误触发影响了振动位移计算结果的准确性。
7.因此目前的技术计算到的叶片振动位移是不准确的、不全面的，满足不了船舶燃气轮机转子叶片状态评估的工程需求。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种船舶燃气轮机叶片状态评估方法和评估装置，以便对燃气轮机转子叶片全工况下的状态进行全面监测和评估。通过数据有效性判断算法以及数据清洗算法，解决叶尖计时信号的误触发问题；通过转速矩阵求解算法，解决全工况下转速的计算问题；通过叶片振动位移计算算法，解决瞬态位移以及稳态位移的全面计算问题；通过叶片瞬态位移和稳态位移向动态应力和稳态应力的重构分析得到叶片的应力，并与状态应力阈值进行对比，最终实现叶片状态评估。进而提高叶尖计时技术在船舶燃气轮机转子叶片状态评估中的适用性、准确性。
9.本技术实施例提供了一种船舶燃气轮机叶片状态评估方法，包括：
10.获取转子叶片到达时刻，以及键相到达时刻；
11.判断叶片到达时刻数据有效性；
12.对误触发的叶片到达时刻数据进行清洗；
13.求解键相到达时刻构造的转速测量矩阵，进而计算转子叶片的转速；
14.基于叶片到达时刻、键相到达时刻、叶片转速、叶尖旋转半径、叶片与键相之间的夹角计算叶片振动位移；
15.对叶片振动位移进行分析处理，提取出叶片的稳态位移及瞬态位移；
16.将叶片的瞬态位移及稳态位移重构为叶片的应力，通过对比叶片的应力与不同状态的应力阈值，进行叶片状态评估；
17.依据叶片状态评估结果，发送反馈信息，当叶片处于健康状态时，状态预警模块不发送预警信息，当叶片处于亚健康状态时，状态预警模块发出警告，当叶片处于故障状态时，状态预警模块发出报警。
18.在一些实施例中，所述获取转子叶片到达时刻，以及键相到达时刻，包括：
19.在船舶燃气轮机转子叶片顶部对应的机匣上布置叶尖计时传感器测量叶片到达叶尖计时传感器的时刻t
b,n
，在船舶燃气轮机转子上设置键相，并在键相顶部布置键相计时传感器测量键相到达键相计时传感器的时刻t
o,n
。下标b代表叶片编号，下标o代表键相，下标n代表旋转圈数。
20.在一些实施例中，所述判断叶片到达时刻数据有效性，包括：
21.转子旋转一圈的周期为：
22.t＝t
o,n+1-t
o,n
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
23.每个叶片在此周期内的到达时间窗宽为：
[0024][0025]
nb为叶片个数；
[0026]
叶片到达时刻的范围为：
[0027]
t
o,n
+(b-1)tw≤t
b,n
≤t
o,n
+btwꢀꢀꢀ
(3)
[0028]
上式中，t
o,n
为第n个旋转周期键相的到达时刻，t
o,n+1
为第n+1个旋转周期键相的到达时刻，nb为被测叶盘上叶片的个数，b为叶片编号；
[0029]
通过式(3)判断叶片到达时刻数据的有效性。
[0030]
在一些实施例中，所述对误触发的叶片到达时刻数据进行清洗，包括：
[0031]
若在式(3)的取值范围内存在多个到达时刻信号或者没有叶片到达时刻信号，这种情况为叶尖计时信号的误触发，误触发数据清洗方法如下：
[0032]
键相的转频为：
[0033][0034]
相邻两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率为：
[0035]
[0036]
若则叶片到达时刻信号中存在多余的误触发信号，此种情况的清洗方法为直接剔除此通过频率对应的多余到达时刻信号；
[0037]
若则叶片到达时刻信号中存在丢失的误触发信号，此种情况的清洗方法为按照键相转频补充丢失的到达时刻信号，补充方法为：
[0038][0039]
上式中，t
b,n
为b号叶片在第n个旋转周期的到达时刻，t
b+1,n
为b+1号叶片在第n个旋转周期的到达时刻。
[0040]
在一些实施例中，所述求解键相到达时刻构造的转速测量矩阵，进而计算转子叶片的转速，包括：
[0041]
叶尖计时技术中，计算叶片转速的方法为：
[0042][0043]
通过式(7)计算的转速为叶片旋转一圈的平均转速，适用于恒速工况，不适用于变速工况；本技术提出全工况下的转速计算方法如下：
[0044]
燃气轮机转子叶片的转速可表示为：
[0045][0046]
式(8)中，f0为键相到达键相计时传感器时叶片的初始转速，为转速随时间的变化项，时表示恒速工况，c＝1时表示线性变速工况，c》1时表示非线性变速工况；
[0047]
由于转子叶片的瞬态位移及稳态位移会引起叶片到达时刻偏差，若用叶片到达时刻数据计算转速会引入计算误差，因此以键相到达时刻构造转速测量矩阵如下：
[0048][0049]
式(9)写成矩阵形式为：
[0050]
c＝mf
ꢀꢀꢀ
(10)
[0051]
式(10)中，c为与叶片旋转圈数有关的矩阵，c的取值与转速变化率有关，本技术中取4，m为与键相到达时刻有关的矩阵，f为转速矩阵，可通过最小二乘法求出：
[0052]
f＝(m
t
m)-1mtcꢀꢀ
(11)
[0053]
求得转速矩阵后，可依据式(8)计算叶片转速。
[0054]
在一些实施例中，所述基于叶片到达时刻、键相到达时刻、叶片转速、叶尖旋转半径、叶片与键相之间的夹角计算叶片振动位移，包括：
[0055]
叶尖计时技术中，计算叶片振动位移的方法为：
[0056]
[0057][0058]
式(13)中,为b号叶片与键相之间的夹角，r为叶尖旋转半径；由于式(12)中的转速为叶片旋转一圈的平均转速，因此式(12)计算得到的叶片振动位移为恒速工况时的振动位移，不适用于变速工况；本技术提出全工况下的叶片振动位移计算方法如下：
[0059][0060]
式(14)计算得到的叶片振动位移，包括了叶片的模态响应引起的叶尖振动位移以及轴向窜动、气动压力、转子热膨胀及腐蚀变形引起的叶尖稳态位移。
[0061]
在一些实施例中，所述对叶片振动位移进行分析处理，提取出叶片的稳态位移及瞬态位移，包括：
[0062]
对叶片振动位移进行分析处理，提取叶片的稳态位移及瞬态位移，叶片振动位移可表示为：
[0063]
x＝xs+x
t
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0064]
其中，xs为稳态位移，提取方法为运用sg滤波器对叶片振动位移进行滤波，滤波得到的低频位移分量为叶片的稳态位移；x
t
为瞬态位移，从叶片振动位移中减去稳态位移可得到瞬态位移。
[0065]
在一些实施例中，所述将叶片的瞬态位移及稳态位移重构为叶片的应力，通过对比叶片的应力与不同状态的应力阈值，进行叶片状态评估，包括：
[0066]
通过叶片模态分析，得到叶片瞬态位移对应的振动模态的位移-应力传递函数以及稳态位移的位移-应力重构系数，将分析得到的瞬态位移及稳态位移重构为动态应力及稳态应力，进而计算叶片的应力为：
[0067][0068]
其中，μs为稳态位移的位移-应力重构系数，为振动模态的位移-应力传递函数，σ为叶片的应力值；
[0069]
然后，将叶片的状态分为健康状态，亚健康状态和故障状态，通过动力学仿真计算结合标定试验确定叶片不同状态的应力阈值，健康状态的应力阈值为σ1，亚健康状态的应力阈值为σ2，通过对比σ与σ1、σ2的关系，实现叶片状态评估；
[0070]
其中，当σ《σ1时，叶片为健康状态，当σ1《σ《σ2时，叶片为亚健康状态，当σ》σ2时，叶片为故障状态。
[0071]
第二方面，本技术实施例提供一种船舶燃气轮机叶片状态评估装置，包括：数据获取模块、数据有效性判断模块、数据清洗模块、转速计算模块、振动计算模块、振动分析模块、状态评估模块及状态预警模块；
[0072]
所述数据获取模块，用于获取转子叶片到达时刻，以及键相到达时刻；
[0073]
所述数据有效性判断模块，用于判断叶片到达时刻数据有效性；
[0074]
所述数据清洗模块，用于对误触发的叶片到达时刻数据进行清洗；
[0075]
所述转速计算模块，用于求解键相到达时刻构造的转速测量矩阵，进而计算转子叶片的转速；
[0076]
所述振动计算模块，用于基于叶片到达时刻、键相到达时刻、叶片转速、叶尖旋转
半径、叶片与键相之间的夹角计算叶片振动位移；
[0077]
所述振动分析模块，用于对叶片振动位移进行分析处理，提取出叶片的稳态位移及瞬态位移；
[0078]
所述状态评估模块，用于将叶片的瞬态位移及稳态位移重构为叶片的应力，通过对比叶片的应力与不同状态的应力阈值，进行叶片状态评估；
[0079]
所述状态预警模块，用于依据叶片状态评估结果，发送反馈信息，当叶片处于健康状态时，状态预警模块不发送预警信息，当叶片处于亚健康状态时，状态预警模块发出警告，当叶片处于故障状态时，状态预警模块发出报警。
[0080]
本技术上述实施例提供一种船舶燃气轮机叶片状态评估方法和评估装置。通过数据有效性判断算法以及数据清洗算法，解决了船舶燃气轮机转子叶片复杂的叶尖端面形貌、叶尖及计时传感器表面污染结垢等因素引起的误触发问题；通过转速矩阵求解算法，解决了全工况下转速的计算问题；通过叶片振动计算算法，解决了瞬态位移以及稳态位移的全面准确计算问题；通过叶片瞬态位移和稳态位移向叶片应力的重构分析，并与状态应力阈值对比，实现叶片状态评估。与现有技术相比，本发明提高了叶尖计时技术在船舶燃气轮机转子叶片振动监测与状态评估中的工程适用性，具有全工况的评估能力和更高的准确性。
附图说明
[0081]
附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
[0082]
图1为一种船舶燃气轮机叶片状态评估方法的流程示意图；
[0083]
图2为叶片到达时刻与键相到达时刻获取原理图；
[0084]
图3为叶片到达时刻信号中存在多余的误触发信号时的清洗结果；
[0085]
图4为叶片到达时刻信号中存在丢失的误触发信号时的清洗结果；
[0086]
图5为一种船舶燃气轮机叶片状态评估装置的结构示意图。
具体实施方式
[0087]
为了能够更加详尽地了解本技术实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本技术实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本技术实施例。
[0088]
在本技术实施例记载中，需要说明的是，除非另有说明和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0089]
需要说明的是，本技术实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本技术的实施例可以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0090]
参阅图1，图1为本技术提供的一种船舶燃气轮机叶片状态评估方法的流程图，包括以下步骤：
[0091]
s110、在船舶燃气轮机转子叶片顶部对应的机匣上布置叶尖计时传感器测量叶片
到达时刻，在船舶燃气轮机转子上设置键相，并在键相顶部布置键相计时传感器测量键相到达时刻。
[0092]
如图2所示，图2中so为布置在键相顶部的键相计时传感器，测得的第n个旋转周期键相到达时刻为t
o,n
，第n+1个旋转周期键相到达时刻为t
o,n+1
，s1为布置在转子叶片顶部对应的机匣上的叶尖计时传感器，测得的第n个旋转周期1号叶片到达时刻为t
1,n
，第n个旋转周期b号叶片到达时刻为t
b,n
。
[0093]
s120、基于键相到达时刻和叶片个数计算叶片到达时间窗宽，基于叶片到达时间窗宽、键相到达时刻和叶片编号计算叶片到达时刻的范围，基于叶片到达时刻的范围判断叶片到达时刻数据的有效性。
[0094]
具体的，通过以下公式计算叶片到达时间窗宽：
[0095][0096]
其中：t＝t
o,n+1-t
o,n
，nb为叶片个数。
[0097]
通过以下公式计算叶片到达时刻的范围：
[0098]
t
o,n
+(b-1)tw≤t
b,n
≤t
o,n
+btw[0099]
进而依据叶片到达时刻的范围判断叶片到达时刻数据的有效性，如果叶片到达时刻t
b,n
满足叶片到达时刻的范围，则叶片到达时刻数据是有效的，如果叶片到达时刻t
b,n
不满足叶片到达时刻的范围，则叶片到达时刻数据是无效的。
[0100]
如果叶片到达时刻的范围内存在多个叶片到达时刻信号或者没有叶片到达时刻信号，这种情况为叶片到达时刻信号的误触发，需要对误触发数据进行清洗。
[0101]
s130、基于键相到达时刻计算键相转频，基于叶片到达时刻计算两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率。若两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率大于键相转频与叶片个数的乘积，则叶片到达时刻中存在多余的误触发信号，剔除此通过频率对应的多余的到达时刻信号；若两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率小于键相转频与叶片个数的乘积，则叶片到达时刻中存在丢失的误触发信号，基于键相转频补充丢失的到达时刻信号。
[0102]
通过以下公式计算键相转频：
[0103][0104]
通过以下公式计算两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率：
[0105][0106]
对比两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率与键相转频与叶片个数的乘积，
[0107]
如果则叶片到达时刻信号中存在多余的误触发信号，此种情况的清洗方法为直接剔除此通过频率对应的多余到达时刻信号。
[0108]
如果则叶片到达时刻信号中存在丢失的误触发信号，此种情况的清洗方法为按照键相转频补充丢失的到达时刻信号，通过以下公式进行补充：
[0109]
[0110]
具体的，图2中s1为布置在转子叶片顶部对应的机匣上的叶尖计时传感器，测得的叶片到达时刻信号中存在多余的误触发信号。如图3所示，多余的误触发信号计算出的两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率大于键相转频与叶片个数的乘积，对多余的误触发信号进行剔除，清洗后的到达时刻数据计算得到的两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率与键相转频与叶片个数的乘积一致。图2中s2为布置在转子叶片顶部对应的机匣上的另一支叶尖计时传感器，测得的叶片到达时刻信号中存在丢失的误触发信号。如图4所示，存在丢失的误触发信号时计算出的两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率小于键相转频与叶片个数的乘积，对丢失的误触发信号进行补充，清洗后的到达时刻数据计算得到的两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率与键相转频与叶片个数的乘积一致。
[0111]
s140、基于键相到达时刻构造转速测量矩阵，通过最小二乘法求解转速矩阵，计算叶片转速。
[0112]
通过以下公式构造转速测量矩阵：
[0113][0114]
表示成矩阵形式为：
[0115]
c＝mf
[0116]
其中，c为与叶片旋转圈数有关的矩阵，c的取值与转速变化率有关，本技术中取4，m为与键相到达时刻有关的矩阵，f为转速矩阵，通过最小二乘法求出转速矩阵：
[0117]
f＝(m
t
m)-1mtc[0118]
然后，通过以下公式计算叶片转速：
[0119][0120]
其中，f0为键相到达键相计时传感器时叶片的初始转速，为转速随时间的变化项，时表示恒速工况，c＝1时表示线性变速工况，c》1时表示非线性变速工况。
[0121]
s150、基于键相到达时刻、叶片到达时刻、叶片转速、叶尖旋转半径、叶片与键相之间的夹角，计算叶片振动位移。
[0122]
通过以下公式计算叶片振动位移：
[0123][0124]
其中,为b号叶片与键相之间的夹角，r为叶尖旋转半径。
[0125]
s160、对叶片振动位移进行分析处理，提取出叶片的稳态位移及瞬态位移。
[0126]
通过以下方式提取叶片的稳态位移及瞬态位移：
[0127]
运用sg滤波器(savitzky-golay滤波器)对叶片振动位移进行滤波，滤波得到的低频位移分量为叶片的稳态位移。然后通过以下公式计算叶片的瞬态位移：
[0128]
x
t
＝x-xs[0129]
其中，xs为稳态位移，x
t
为瞬态位移。
[0130]
s170、将叶片的瞬态位移及稳态位移重构为动态应力及稳态应力，计算叶片的应力，对比叶片的应力与不同状态的应力阈值，进行叶片状态评估。
[0131]
通过以下方式计算叶片的应力：
[0132][0133]
其中，μs为稳态位移的位移-应力重构系数，为振动模态的位移-应力传递函数，均通过叶片模态分析得到，σ为叶片的应力值。
[0134]
进而，对比σ与σ1、σ2的关系，通过以下方式实现叶片状态评估：
[0135]
当σ《σ1时，叶片为健康状态；
[0136]
当σ1《σ《σ2时，叶片为亚健康状态；
[0137]
当σ》σ2时，叶片为故障状态。
[0138]
其中，σ1为叶片健康状态的应力阈值，σ2为叶片亚健康状态的应力阈值，通过动力学仿真计算结合标定试验确定σ1、σ2的取值。
[0139]
s180、依据叶片状态评估结果，发送反馈信息。
[0140]
具体的，当叶片处于健康状态时，不发送预警信息，当叶片处于亚健康状态时，发出警告，当叶片处于故障状态时，发出报警。
[0141]
参阅图5，本技术提供的一种船舶燃气轮机叶片状态评估装置500包括：
[0142]
数据获取模块510，用于获取转子叶片到达时刻，以及键相到达时刻。
[0143]
数据有效性判断模块520，用于判断叶片到达时刻数据有效性。
[0144]
数据清洗模块530，用于对误触发的叶片到达时刻数据进行清洗。
[0145]
转速计算模块540，用于求解键相到达时刻构造的转速测量矩阵，进而计算转子叶片的转速。
[0146]
振动计算模块550，用于基于叶片到达时刻、键相到达时刻、叶片转速、叶尖旋转半径、叶片与键相之间的夹角计算叶片振动位移。
[0147]
振动分析模块560，用于对叶片振动位移进行分析处理，提取出叶片的稳态位移及瞬态位移。
[0148]
状态评估模块570，用于将叶片的瞬态位移及稳态位移重构为叶片的应力，通过对比叶片的应力与不同状态的应力阈值，进行叶片状态评估。
[0149]
状态预警模块580，用于依据叶片状态评估结果，发送反馈信息，当叶片处于健康状态时，状态预警模块不发送预警信息，当叶片处于亚健康状态时，状态预警模块发出警告，当叶片处于故障状态时，状态预警模块发出报警。
[0150]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时可以执行如上述实施例中的船舶燃气轮机叶片状态评估方法的全部流程，具体实现方式可参见方法实施例，在此不再赘述。
[0151]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，所述数据有效性判断模块可以合并至数据获取模块中，数据获取模块直接对数据有效性进行判断，所述振动计算模块也可以合并至转速计算模块中或者振动计算模块与转速计算模块均合并至振动分析模块中。
[0152]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人
员应当理解，本技术中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成。

技术特征：
1.一种船舶燃气轮机叶片状态评估方法，其特征在于，所述方法包括：获取转子叶片到达时刻，以及键相到达时刻；判断叶片到达时刻数据有效性；对误触发的叶片到达时刻数据进行清洗；求解键相到达时刻构造的转速测量矩阵，进而计算转子叶片的转速；基于叶片到达时刻、键相到达时刻、叶片转速、叶尖旋转半径、叶片与键相之间的夹角计算叶片振动位移；对叶片振动位移进行分析处理，提取出叶片的稳态位移及瞬态位移；将叶片的瞬态位移及稳态位移重构为叶片的应力，通过对比叶片的应力与不同状态的应力阈值，进行叶片状态评估；依据叶片状态评估结果，发送反馈信息，当叶片处于健康状态时，状态预警模块不发送预警信息，当叶片处于亚健康状态时，状态预警模块发出警告，当叶片处于故障状态时，状态预警模块发出报警。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取转子叶片到达时刻，以及键相到达时刻，包括：在船舶燃气轮机转子叶片顶部对应的机匣上布置叶尖计时传感器测量叶片到达叶尖计时传感器的时刻t
b,n
，在船舶燃气轮机转子上设置键相，并在键相顶部布置键相计时传感器测量键相到达键相计时传感器的时刻t
o,n
。下标b代表叶片编号，下标o代表键相，下标n代表旋转圈数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判断叶片到达时刻数据有效性，包括：转子旋转一圈的周期为：t＝t
o,n+1-t
o,n
ꢀꢀꢀꢀ
(1)每个叶片在此周期内的到达时间窗宽为：n
b
为叶片个数；叶片到达时刻的范围为：t
o,n
+(b-1)t
w
≤t
b,n
≤t
o,n
+bt
w
ꢀꢀꢀ
(3)上式中，t
o,n
为第n个旋转周期键相的到达时刻，t
o,n+1
为第n+1个旋转周期键相的到达时刻，n
b
为被测叶盘上叶片的个数，b为叶片编号；通过式(3)判断叶片到达时刻数据的有效性。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对误触发的叶片到达时刻数据进行清洗，包括：若在式(3)的取值范围内存在多个到达时刻信号或者没有叶片到达时刻信号，这种情况为叶尖计时信号的误触发，误触发数据清洗方法如下：键相的转频为：相邻两叶片到达时刻信号之间的实际通过频率为：
若则叶片到达时刻信号中存在多余的误触发信号，此种情况的清洗方法为直接剔除此通过频率对应的多余到达时刻信号；若则叶片到达时刻信号中存在丢失的误触发信号，此种情况的清洗方法为按照键相转频补充丢失的到达时刻信号，补充方法为：上式中，t
b,n
为b号叶片在第n个旋转周期的到达时刻，t
b+1,n
为b+1号叶片在第n个旋转周期的到达时刻。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述求解键相到达时刻构造的转速测量矩阵，进而计算转子叶片的转速，包括：叶尖计时技术中，计算叶片转速的方法为：通过式(7)计算的转速为叶片旋转一圈的平均转速，适用于恒速工况，不适用于变速工况；本申请提出全工况下的转速计算方法如下：燃气轮机转子叶片的转速可表示为：式(8)中，f0为键相到达键相计时传感器时叶片的初始转速，为转速随时间的变化项，时表示恒速工况，c＝1时表示线性变速工况，c>1时表示非线性变速工况；由于转子叶片的瞬态位移及稳态位移会引起叶片到达时刻偏差，若用叶片到达时刻数据计算转速会引入计算误差，因此以键相到达时刻构造转速测量矩阵如下：式(9)写成矩阵形式为：c＝mf
ꢀꢀꢀ
(10)式(10)中，c为与叶片旋转圈数有关的矩阵，c的取值与转速变化率有关，本申请中取4，m为与键相到达时刻有关的矩阵，f为转速矩阵，可通过最小二乘法求出：f＝(m
t
m)-1
m
t
c
ꢀꢀꢀ
(11)求得转速矩阵后，可依据式(8)计算叶片转速。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于叶片到达时刻、键相到达时刻、叶片转速、叶尖旋转半径、叶片与键相之间的夹角计算叶片振动位移，包括：叶尖计时技术中，计算叶片振动位移的方法为：
式(13)中,为b号叶片与键相之间的夹角，r为叶尖旋转半径；由于式(12)中的转速为叶片旋转一圈的平均转速，因此式(12)计算得到的叶片振动位移为恒速工况时的振动位移，不适用于变速工况；本申请提出全工况下的叶片振动位移计算方法如下：式(14)计算得到的叶片振动位移，包括了叶片的模态响应引起的叶尖振动位移以及轴向窜动、气动压力、转子热膨胀及腐蚀变形引起的叶尖稳态位移。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对叶片振动位移进行分析处理，提取出叶片的稳态位移及瞬态位移，包括：对叶片振动位移进行分析处理，提取叶片的稳态位移及瞬态位移，叶片振动位移可表示为：x＝x
s
+x
t
ꢀꢀꢀꢀ
(15)其中，x
s
为稳态位移，提取方法为运用sg滤波器对叶片振动位移进行滤波，滤波得到的低频位移分量为叶片的稳态位移；x
t
为瞬态位移，从叶片振动位移中减去稳态位移可得到瞬态位移。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将叶片的瞬态位移及稳态位移重构为叶片的应力，通过对比叶片的应力与不同状态的应力阈值，进行叶片状态评估，包括：通过叶片模态分析，得到叶片瞬态位移对应的振动模态的位移-应力传递函数以及稳态位移的位移-应力重构系数，将分析得到的瞬态位移及稳态位移重构为动态应力及稳态应力，进而计算叶片的应力为：其中，μ
s
为稳态位移的位移-应力重构系数，为振动模态的位移-应力传递函数，σ为叶片的应力值；然后，将叶片的状态分为健康状态，亚健康状态和故障状态，通过动力学仿真计算结合标定试验确定叶片不同状态的应力阈值，健康状态的应力阈值为σ1，亚健康状态的应力阈值为σ2，通过对比σ与σ1、σ2的关系，实现叶片状态评估；其中，当σ<σ1时，叶片为健康状态，当σ1<σ<σ2时，叶片为亚健康状态，当σ>σ2时，叶片为故障状态。9.一种船舶燃气轮机叶片状态评估装置，其特征在于，所述装置包括：数据获取模块、数据有效性判断模块、数据清洗模块、转速计算模块、振动计算模块、振动分析模块、状态评估模块及状态预警模块；所述数据获取模块，用于获取转子叶片到达时刻，以及键相到达时刻；所述数据有效性判断模块，用于判断叶片到达时刻数据有效性；所述数据清洗模块，用于对误触发的叶片到达时刻数据进行清洗；所述转速计算模块，用于求解键相到达时刻构造的转速测量矩阵，进而计算转子叶片的转速；所述振动计算模块，用于基于叶片到达时刻、键相到达时刻、叶片转速、叶尖旋转半径、
叶片与键相之间的夹角计算叶片振动位移；所述振动分析模块，用于对叶片振动位移进行分析处理，提取出叶片的稳态位移及瞬态位移；所述状态评估模块，用于将叶片的瞬态位移及稳态位移重构为叶片的应力，通过对比叶片的应力与不同状态的应力阈值，进行叶片状态评估；所述状态预警模块，用于依据叶片状态评估结果，发送反馈信息，当叶片处于健康状态时，状态预警模块不发送预警信息，当叶片处于亚健康状态时，状态预警模块发出警告，当叶片处于故障状态时，状态预警模块发出报警。

技术总结
本申请实施例提供了一种船舶燃气轮机叶片状态评估方法和评估装置。通过数据有效性判断算法以及数据清洗算法，解决了船舶燃气轮机转子叶片复杂的叶尖端面形貌、叶尖及计时传感器表面污染结垢等因素引起的误触发问题；通过转速矩阵求解算法，解决了全工况下转速的计算问题；通过叶片振动计算算法，解决了瞬态位移以及稳态位移的全面准确计算问题；通过叶片瞬态位移和稳态位移向叶片应力的重构分析，并与状态应力阈值对比，实现叶片状态评估。与现有技术相比，本发明提高了叶尖计时技术在船舶燃气轮机转子叶片振动监测与状态评估中的工程适用性，具有全工况的评估能力和更高的准确性。性。性。


技术研发人员：张旭龙 曲媛 张成伟 许萌萌 韩磊 刘子杰 田甜 雷萌 王高明
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司系统工程研究院
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/5/23