CN100570307C - 一种透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，它包括实验装置系统和信号测试系统，所述实验装置系统包括叶轮转子机构、供气机构、一个或一个以上的喷嘴、驱动机构以及导电滑环；叶轮转子机构包括由多个叶片组成的叶轮和转子，叶片上装设有用来测量叶片动应力的应变片；叶片的叶冠处设有可拆卸的减振机构，该减振结构由位于相邻叶片的叶冠之间的减振螺栓组成；一个或一个以上的喷嘴均匀布置于叶轮后侧的圆周上；导电滑环套设于转子上，叶轮转子机构与驱动机构相连，供气机构与喷嘴相连，导电滑环与信号测试系统相连。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、适用范围广、自动化程度高、测试精度高的透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统。

Description

一种透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统

技术领域

本发明主要涉及到大型透平机械中叶片的减振实验系统领域，特指一种透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统。

背景技术

大型透平机械是实现热能向机械能转换的重要设备，广泛应用于电力、冶金、钢铁、石化、船舶等行业。叶片是大型动力机械实现能量转换的关键部件，处在高温、高压、高腐蚀环境下工作，工作时承受着巨大的离心力、汽(气)流作用力、汽(气)流激振力、腐蚀和振动以及冲蚀的共同作用。尤其是汽(气)流通道的最后几级叶片(特别是末级和次末级长叶片)，在运行时受很大的离心载荷的作用，同时受到汽(气)流的激振力，如果叶片承受振动应力过大，会降低其寿命和运行的安全可靠性。叶片故障是大型动力机械的常见故障之一，据有关资料统计表明，叶片振动故障占动力机械故障的30％～40％之多。随着动力机械(汽轮机、燃气轮机)向大容量方向发展，叶片的安全可靠性和保持其高效率愈显得重要。透平机械叶片的振动断裂长期困扰着机组运行的安全可靠性，透平机械叶片的失效在很多情况下都可以归因为共振应力所引起的高周疲劳。如果要延长叶片寿命，则必须降低叶片共振动应力。在叶片设计阶段，有两种降低叶片动应力的方案供设计者选择，其一是调开叶片的固有频率，使其与汽(气)流激振频率有一定的避开率；其二是增加或强化叶片的阻尼环节，即采用带减振结构的叶片。生产上调开叶片的固有频率比较复杂，设计上需要花费很大精力去研究固有频率的精确计算，制造安装上要求苛刻，给机组检修和运行工作也带来很多麻烦。而且研究结果表明，尽管叶片组固有频率很多，但其相应振型的动应力大多是不危险的，甚至是微小的，只有少数振型的共振才必须避开。为了防止动力机械叶片的大应力疲劳损坏，除避开共振外，在叶片材料已选定的情况下，采取加装阻尼结构(叶片凸肩结构、叶片围带以及拉金结构等)是减小叶片共振应力、防止疲劳损坏的新方法，同时也是最有效的方法。

阻尼叶片具有良好的减振效果，学者们分析了不同形式的阻尼叶片结构，从不同的角度论述了汽轮机叶片阻尼结构的减振特性。但是单只叶片的研究可以应用理论计算和数值仿真的方法来分析，而对整圈自带阻尼结构叶片系统来说，就是一件高维数非线性系统，采用数值仿真的难度很大，实验研究成了解决工程实际问题的主要手段，它不仅反映单只叶片的减振效果，还可得到整个系统的减振效果。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、适用范围广、自动化程度高、测试精度高的透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，其特征在于：它包括实验装置系统和信号测试系统。所述实验装置系统包括叶轮转子机构、供气机构、一个或一个以上的喷嘴、驱动机构以及导电滑环；所述叶轮转子机构包括由多个叶片组成的叶轮和转子，叶片上装设有用来测量叶片动应力的应变片；所述叶片的叶冠处设有可拆卸的减振机构，该减振结构由位于相邻叶片的叶冠之间的减振螺栓组成；所述一个或一个以上的喷嘴均匀布置于叶轮后侧的圆周上；导电滑环套设于转子上，叶轮转子机构与驱动机构相连，供气机构与喷嘴相连，导电滑环与信号测试系统相连。

所述信号测试系统包括接线端子、信号调理模块、采集卡以及计算机，导电滑环通过接线端子与信号调理模块相连，信号调理模块的输出端通过采集卡与计算机相连。

所述供气机构包括空压机、储气罐以及管道系统，空压机与储气罐相连，储气罐的输出端通过管道系统与喷嘴相连，所述管道系统包括输气管道以及装设于输气管道上的阀门和空气过滤器。

所述驱动机构包括电动机和联轴器，电动机通过联轴器与叶轮转子机构相连。

所述叶片为等截面直叶片或等截面扭叶片或变截面直叶片或变截面扭叶片。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：本发明的透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，结构简单紧凑、成本低廉、适用范围广、自动化程度高、测试精度高，且具有实验工艺简单、操作简便、实验费用低、可靠性高等优点，可广泛应用于透平机械叶片减振结构的优化设计与研究。

附图说明

图1是本发明中实验装置系统的框架结构示意图；

图2是本发明中信号测试系统的框架结构示意图；

图3是本发明中实验装置系统的结构示意图；

图4是本发明中叶片可调间隙的原理示意图；

图5是本发明在不同工况下叶片振动应力最大幅值随叶冠间隙的变化示意图。

图例说明

1、空压机                    2、储气罐

3、管道系统                  4、喷嘴

5、输气管道                  6、阀门

7、空气过滤器                8、电动机

9、联轴器                    10、导电滑环

11、接线端子                 12、信号调理模块

13、采集卡                   14、计算机

15、叶片                     16、叶冠

17、减振螺栓

19、转子                     20、调节螺母

21、塞尺                     22、实验台外壳

23、转子支架                 24、水泥台

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的一种透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，它包括实验装置系统和信号测试系统，实验装置系统包括叶轮转子机构、供气机构、一个或一个以上的喷嘴4、驱动机构以及导电滑环10。叶轮转子机构包括由多个叶片15组成的叶轮和转子19，叶片15上装设有用来测量叶片15动应力的应变片，叶片15的叶冠16处设有可拆卸的减振机构，该减振结构由位于相邻叶片的叶冠之间的减振螺栓17组成；一个或一个以上的喷嘴4均匀布置于叶轮后侧的圆周上，导电滑环10套设于转子19上，参见图2。

参见图3所示，在具体实施例中，整个实验装置系统安装于实验台外壳22内，实验台外壳22和转子支架23固定于水泥台24上，叶轮机构固定于转子支架23上。叶轮转子机构与驱动机构相连，供气机构与喷嘴4相连，导电滑环10与信号测试系统相连。叶片15之间的接触碰撞可分为两个阶段，即分离与接触阶段，在分离阶段，叶片15彼此间无相互作用力；在接触阶段，可把它当作干摩擦阻尼模型。为了进行各种不同叶冠16间隙的减振实验，本实施例中叶片15的叶冠16处设有可拆卸的减振螺栓17，减振螺栓17位于相邻叶片15的叶冠16之间，减振螺栓17通过调节螺母20固定于叶片15上(参见图4)，这样可方便的调整叶冠16之间的间隙S。间隙S的调节可采用将塞尺21放到间隙中，然后固定塞尺的厚度，拧紧减振螺栓17达到指定间隙，中间可采用添加垫片的方法满足。在本实施例中，叶轮由60只叶片15构成整圈的叶片-轮盘系统。

在本实施例中，信号测试系统包括接线端子11、信号调理模块12、采集卡13以及计算机14，导电滑环10通过接线端子11与信号调理模块12相连，信号调理模块12的输出端通过采集卡13与计算机14相连。具体实施例中，接线端子11采用TBX1328，信号调理模块12采用SCXI1121，采集卡13采用PCI6221。供气机构包括空压机1、储气罐2以及管道系统3，空压机1与储气罐2相连，储气罐2的输出端通过管道系统3与喷嘴4相连，管道系统3包括输气管道5以及装设于输气管道5上的阀门6和空气过滤器7。驱动机构包括电动机8和联轴器9，电动机8通过联轴器9与叶轮机构相连。为突出实验的主要目的，并为理论分析提供方便的有限元模型，可将叶片15设计为等截面直叶片或等截面扭叶片或变截面直叶片或变截面扭叶片。利用该实验系统进行透平自带阻尼结构叶片减振试验研究时，叶轮转子机构的驱动方式可以有几种不同的情况：(1)利用空压机1产生的压缩空气从喷嘴4中喷出，直接驱动叶轮旋转，喷嘴4数目和开度均可根据需要设置与调整。(2)直接利用变速电动机8驱动并调整叶轮转子机构工作转速。(3)利用变速电动机8驱动并调整叶轮系统工作转速，利用喷嘴4中产生的气流做阻尼，降低叶片系统共振转速，研究叶片在共振情况下的应力变化情况。在具体实施例中，利用变速电动机8驱动并调整叶轮转子机构工作转速，通过多个在圆周上均匀布置的空气喷嘴4，产生高频激振力，使转子19在较低转速下就能使叶片15产生共振，用应变片感受叶片15的振动信号和应力信号，通过转子19上的导电滑环10传送至信号调理模块12，再经过采集13卡接入计算机14，使用叶片15动态特性监测软件监视叶片15动频及叶片15振幅在不同激振力和叶冠16间隙下的变化情况，研究在共振状态下阻尼结构的减振效果。

利用透平自带阻尼结构叶片减振实验系统可研究叶片结构参数与碰撞减振效果之间的关系；透平叶片阻尼结构参数与减振效果之间的关系；新型自带阻尼结构叶片设计准则与方法的效果评价。具体实施方法为设计不同形式的阻尼结构，加装于实验叶片15顶部，调整阻尼结构参数如接触面压力、间隙等，测量叶片在共振状态下的振动情况，分析其减振效果，对减振性能进行评价。

例如，用实验方法研究气流激振和叶冠16间隙对减振效果的影响。实验时，叶冠16间隙在0～2.5mm范围内取若干个值(其中，在0～0.5mm范围内取的实验点数应该多一些)。在整个实验期间，测量工况的转速应该相同。实验转速的选定依据是：应该使叶片15在该转速下旋转时，喷嘴4的气流力应该使叶片15产生共振。实验工况可分为如下几种：喷嘴4全关工况，喷嘴4半开工况，喷嘴4全开工况。实验时，将叶冠16的间隙调整到预定值，将转子19启动至实验转速，分别在喷嘴4全关、喷嘴4半开、喷嘴4全开三种状态下测量叶片15的振动应力幅值。实验测得的叶片15根部的应力幅值随叶冠16间隙和喷嘴开度的关系见图5(其中，○-喷嘴全开工况；◇-喷嘴半开工况；●-喷嘴全关工况)。叶片15根部的动应力实验数据的分析表明：在相同喷嘴4开度情况下，随着叶冠16间间隙的减小，叶片15的振动应力幅值总体趋势是逐渐减小，在某一个间隙值时应力幅值取极大值；在相同叶冠16间隙情况下，喷嘴4开度越小，振动应力的幅值越小。上述实验结果和理论分析结果一致，这说明该实验装置的实验方法和原理是正确的，即该透平自带阻尼结构叶片减振实验系统可用于研究和解决叶片15接触碰撞减振问题。

Claims (7)

1、一种透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，其特征在于：它包括实验装置系统和信号测试系统，所述实验装置系统包括叶轮转子机构、供气机构、一个以上的喷嘴(4)、驱动机构以及导电滑环(10)，所述叶轮转子机构包括由多个叶片(15)组成的叶轮和转子(19)，叶片(15)上装设有用来测量叶片(15)动应力的应变片，所述叶片(15)的叶冠处设有可拆卸的减振机构，该减振机构由位于相邻叶片的叶冠之间的减振螺栓(17)组成；所述一个以上的喷嘴(4)均匀布置于叶轮后侧的圆周上，导电滑环(10)套设于转子(19)上，叶轮转子机构与驱动机构相连，供气机构与喷嘴(4)相连，导电滑环(10)与信号测试系统相连。

2、根据权利要求1所述的透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，其特征在于：所述信号测试系统包括接线端子(11)、信号调理模块(12)、采集卡(13)以及计算机(14)，导电滑环(10)通过接线端子(11)与信号调理模块(12)相连，信号调理模块(12)的输出端通过采集卡(13)与计算机(14)相连。

3、根据权利要求1或2所述的透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，其特征在于：所述供气机构包括空压机(1)、储气罐(2)以及管道系统(3)，空压机(1)与储气罐(2)相连，储气罐(2)的输出端通过管道系统(3)与喷嘴(4)相连，所述管道系统(3)包括输气管道(5)以及装设于输气管道(5)上的阀门(6)和空气过滤器(7)。

4、根据权利要求1或2所述的透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，其特征在于：所述驱动机构包括电动机(8)和联轴器(9)，电动机(8)通过联轴器(9)与叶轮转子机构相连。

5、根据权利要求3所述的透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，其特征在于：所述驱动机构包括电动机(8)和联轴器(9)，电动机(8)通过联轴器(9)与叶轮转子机构相连。

6、根据权利要求1或2所述的透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，其特征在于：所述叶片(15)为等截面直叶片或等截面扭叶片或变截面直叶片或变截面扭叶片。

7、根据权利要求5所述的透平自带阻尼结构叶片的减振实验系统，其特征在于：所述叶片(15)为等截面直叶片或等截面扭叶片或变截面直叶片或变截面扭叶片。

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