CN102410916B - 汽轮机动叶片振动特性实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种汽轮机动叶片振动特性实验装置及方法，包括条形弹性体和第一架台，第一磁铁、电磁铁、交流信号发生器和开关，第二架台、第二磁铁和第三磁铁，条形弹性体的振动参数采集装置和频谱测量装置；条形弹性体首端连接在第一架台上部；所述第一磁铁连接在条形弹性体上；所述电磁铁上的线圈通过开关连接交流信号发生器；电磁铁对应置于所述第一磁铁下方；所述第三磁铁连接在第二架台的上部；所述第二磁铁连接在条形弹性体的尾端；所述条形弹性体的尾端指向所述第三磁铁；所述条形弹性体的振动参数采集装置采集条形弹性体的振动参数后，再传给频谱测量装置；所述第一磁铁和第二磁铁的重量和小于使条形弹性体产生形变的力。用条形弹性体模拟汽轮机叶片振动。
Description
技术领域
本发明是一种模拟旋转离心力对汽轮机动叶片振动的固有频率、振型影响的实验装置和方法，属于叶轮旋转机械振动技术领域。
技术背景
汽轮机动叶片是汽轮机的重要部件，承担着将蒸汽的热能和流动动能转换为汽轮机转子旋转机械能输出的重要任务。在汽轮机工作过程中，汽流的周期性激励使叶片产生强迫振动，当汽流的激励频率与叶片自振固有频率相等时，引发共振，振幅急剧加大，交变应力急剧增加，叶片的动应力超过许用耐振强度，最终导致叶片的疲劳断裂。因此，在新叶片的开发和实际生产的安全分析中，需要全面了解动叶片的振动特性，从而为减小动叶片的动应力、避免动叶片疲劳断裂事故发生等提供优化设计依据。
周期性变化横向汽流力对动叶片产生的振动，有弯曲振动和扭转振动两种。由于一般动叶片的最大主惯性轴与轮周方向的夹角较小，所以将动叶片绕截面最小主惯性轴(亦即在最大主惯性轴轴平面内)的弯曲振动称为切向振动，而绕截面最大主惯性轴(即在最小主惯性轴平面内)的弯曲振动成为轴向振动。又由于动叶片绕截面最小主惯性轴的抗弯刚度低于最大主惯性轴，因此，切向振动的频率低于轴向振动。
弹性体的振动固有频率和振型，决定于弹性体的刚度与质量分布和端部固定条件。但对于调整旋转的汽轮机动叶片，离心力虽然不会引起动叶片振动，但垂直于动叶片截面的离心力，减弱了动叶片的弯曲和扭转变形，因而对动叶片的弯曲振动和扭转振动的固有频率及振型产生影响。通常将动叶片静止状态下的振动固有频率称为静频率，而将动叶片旋转状态下的振动固有频率称为动频率。
叶片振动的静频率，采用锤击等激振法很容易检测，但因动叶片振动的动频率与转速有关，必须在旋转状态下检测。在以往的研究中，一般通过搭建复杂的专用实验台，通过动叶片上粘贴应变片的方式检测弯曲振动信号，并采用无线射频技术传输信号。基于应变片的信号测量和射频无线信号传输，需用电源供电，应变片在高速旋转时因离心力很容易脱落，需用特殊粘贴技术。因此，检测汽轮机动叶片的动频率是一项非常复杂技术，且费用很高，教学实验是无法实现的。
发明内容
技术问题：本发明针对概念抽象的叶片振动固有频率和振型及离心力对固有频率的影响的问题，基于弹性体振动原理，提供了一套便携式、可随时演示汽轮机叶片振动特性的装置及方法。
技术方案：本发明基于弹性体振动原理，设计了一套便携式、可随时演示汽轮机叶片振动特性的装置，通过改变激励频率，展现出叶片振动的振型、固有频率测量方法、离心力对固有频率的影响等。
一种汽轮机动叶片振动特性实验装置，包括：
悬臂梁模型：包括条形弹性体和第一架台；条形弹性体首端连接在第一架台上部；
叶片振动激励器：包括第一磁铁、电磁铁、交流信号发生器和开关；所述第一磁铁连接在条形弹性体上；所述电磁铁上的线圈通过开关连接交流信号发生器；电磁铁对应置于所述第一磁铁下方；
离心力模拟器：包括第二架台、第二磁铁和第三磁铁；所述第三磁铁连接在第二架台的上部；所述第二磁铁连接在条形弹性体的尾端；所述条形弹性体的尾端指向所述第三磁铁；
信号采集/处理单元：包括条形弹性体的振动参数采集装置和频谱测量装置；所述条形弹性体的振动参数采集装置采集条形弹性体的振动参数后，再传给频谱测量装置；
所述第一磁铁和第二磁铁的重量和小于使条形弹性体产生形变的力。
作为改进，所述条形弹性体的振动参数采集装置是加速度传感器和数据采集器；所述加速度传感器采集条形弹性体的振动加速度，加速度传感器的数据输出端连接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端连接频谱测量装置。
一种采用上述实验装置进行演示的方法，用条形弹性体模拟汽轮机叶片振动，
a.模拟汽轮机叶片振动的振型：
撤除第二铁架台、第二磁铁、第三磁铁，撤除加速度传感器和NI数据采集器，在条形弹性体上表面撒上薄薄的一层粉状物，闭合开关，调节交流信号发生器的频率，通过观察粉状物的分布情况判断节点个数，从而得到在不同激励力频率下条形弹性体的振型；
b.模拟离心力对叶片自振频率的影响：
b-1，在a的基础上，装上加速度传感器、数据采集器，开启频谱测量装置，闭合开关，待条形弹性体振动起来，打开开关，通过频谱测量装置测得条形弹性体自振频率；
b-2，在b-1基础上，装上第二磁铁、第三磁铁，搬来第二铁架台，闭合开关，待条形弹性体振动起来，即打开开关，移动第二铁架台3，改变其与条形弹性体的距离，通过频谱测量装置测得条形弹性体受到不同大小的轴向力时的自振频率。
有益效果：本发明具有如下的特色及优点：
本发明用电磁铁、频率可变的交流信号发生器、开关构成的回路来制作频率可调的叶片振动激励器，可以实现模拟叶片在不同频率下的强迫振动；
通过调节叶片振动激励器的频率，演示出模拟叶片的不同振型；
基于非接触磁性力耦合原理，制作作用力大小可调的离心力模拟器，很好地模拟了真实叶片在旋转力场中离心力对其固有频率的影响，通过建立转速和离心力之间的模型将不同大小的离心力转换为与之对应的转速，从而可以研究转速对动叶片自振频率的影响；
基于加速度振动传感器、NI数据采集器和频谱测量系统，该系统实现起来简单可靠。
该装置体积小，制作方便，非常适合教学演示实验用。
附图说明
图1是汽轮机动叶片振动特性实验装置的示意图。
图中有：条形弹性体(模拟叶片)1，固定条形弹性体的第一铁架台2，第二铁架台3，第二磁铁4，第三磁铁5，加速度传感器6，第一磁铁7，电磁铁8、交流信号发生器9，开关10。
具体实施方式
下面参照图1，具体说明本发明的具体实施例。
一种汽轮机动叶片振动特性实验装置及方法，该装置包括用于模拟叶片的条形弹性体、固定条形弹性体以模拟悬臂梁力学模型的铁架台、作用力大小可调的离心力模拟器、频率可调的叶片振动激励器、加速度振动传感器和NI数据采集器等。
在研究汽轮机叶片振动时，将叶片当作连续质量分布的弹性悬臂梁，因此本装置将条形弹性体固定在铁架台的上端(可以用螺栓或者焊接的固定方式实现)，从而构造叶片振动的悬臂梁模型。
在测量条形弹性体自振频率以及观察其振型的时候，必须要有外界激励力的作用，本发明利用非接触磁性力耦合原理和电磁铁磁化原理设计出频率、大小可调的叶片振动激励器。具体实现办法为：在条形弹性体的下表面吸附一块微型磁铁，用微型磁铁是为了使磁铁的惯性质量对锯条自振频率的影响尽可能小；然后用电磁铁、交流信号发生器、开关构成的回路使电磁铁具有磁性，放置在吸附在条形弹性体下表面的微型磁铁的正下方；由于电磁铁线圈里流动的是交流电，因此电磁铁两端的极性不断发生变化，电磁铁对微型磁铁的作用力也不断地在吸引力和排斥力两者中切换，从而对条形弹性体施以激励力。
本装置用沿条形弹性体的轴向力模拟为叶片在旋转力场中受到离心力，具体实现办法为：在条形弹性体轴向端面吸附一块微型磁铁，在条形弹性体右边用吸附在铁架台上的较大的磁铁正对着微型磁铁，这样大磁铁对微型磁铁的吸引力方向沿条形弹性体轴向，在条形弹性体小角度振动范围内，将此轴向力近似为条形弹性体在旋转力场中受到的离心力，从而可用于研究离心力对叶片自振频率的影响，通过建立转速和离心力之间的模型将不同大小的离心力转换为与之对应的转速，从而可以研究转速对动叶片自振频率的影响。
具体实验方法如下：
a.撤除第二铁架台3、第二磁铁4、第三磁铁5，撤除加速度传感器6和NI数据采集器，在条形弹性体上表面撒上薄薄的一层粉状物，闭合开关，调节交流信号发生器的频率，通过观察粉状物的分布情况判断节点个数，从而得到在不同激励力频率下条形弹性体的振型；
b.装上加速度传感器6、NI数据采集器，开启频谱测定软件，闭合开关10，待条形弹性体振动起来，打开开关10，通过频谱测定软件测得锯条自振频率；
c.装上第二磁铁4、第三磁铁5，搬来第二铁架台3，闭合开关10，待条形弹性体振动起来，即打开开关，移动第二铁架台3，改变其与条形弹性体的距离，通过频谱测定软件测得条形弹性体受到不同大小的轴向力时的自振频率。
原理说明如下：
撤除第二铁架台3、第二磁铁4、第三磁铁5，撤除加速度传感器6和NI数据采集器，在条形弹性体上表面撒上薄薄的一层粉状物，闭合开关10，调节交流信号发生器9的频率控制激励力的频率，从而控制条形弹性体强迫振动的频率。通过观察粉状物的分布情况判断节点个数，粉状物位移没有发生任何改变的地方说明是一个节点，从而得到在不同激励力频率下条形弹性体的振型。装上加速度传感器6、NI数据采集器，开启频谱测定软件，闭合开关10，待条形弹性体振动起来，即打开开关10，让其自由振动，此时通过频谱测定软件测得条形弹性体自振频率。装上第二磁铁4、第三磁铁5，搬来第二铁架台3，闭合开关10，待条形弹性体振动起来，即打开开关10，让其自由振动，移动第二铁架台3，改变其与条形弹性体的距离，从而改变条形弹性体所受到的轴向力的大小，通过频谱测定软件测得条形弹性体受到不同大小的轴向力时的自振频率，通过建立转速和离心力之间的模型将不同大小的离心力转换为与之对应的转速，从而可以研究转速对动叶片自振频率的影响。这就是本发明汽轮机动叶片振动特性实验的整个流程。
Claims (5)
1.一种汽轮机动叶片振动特性实验装置，其特征在于包括：
悬臂梁模型：包括条形弹性体和第一架台；条形弹性体首端连接在第一架台上部；
叶片振动激励器：包括第一磁铁、电磁铁、交流信号发生器和开关；所述第一磁铁连接在条形弹性体上；所述电磁铁上的线圈通过开关连接交流信号发生器；电磁铁对应置于所述第一磁铁下方；
离心力模拟器：包括第二架台、第二磁铁和第三磁铁；所述第三磁铁连接在第二架台的上部；所述第二磁铁连接在条形弹性体的尾端；所述条形弹性体的尾端指向所述第三磁铁；
信号采集/处理单元：包括条形弹性体的振动参数采集装置和频谱测量装置；所述条形弹性体的振动参数采集装置采集条形弹性体的振动参数后，再传给频谱测量装置；
所述第一磁铁和第二磁铁的重量和小于使条形弹性体产生形变的力。
2.根据权利要求1所述实验装置，其特征是所述条形弹性体的振动参数采集装置是加速度传感器和数据采集器；所述加速度传感器采集条形弹性体的振动加速度，加速度传感器的数据输出端连接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端连接频谱测量装置。
3.根据权利要求1或2所述实验装置，其特征是所述条形弹性体是锯条。
4.一种采用权利要求1～3任一所述实验装置进行演示的方法，其特征在于，用条形弹性体模拟汽轮机叶片振动，
模拟汽轮机叶片振动的振型：
撤除第二铁架台、第二磁铁、第三磁铁，撤除加速度传感器和数据采集器，在锯条上表面撒上薄薄的一层粉状物，闭合开关，调节交流信号发生器的频率，通过观察粉状物的分布情况判断节点个数从而得到在不同激励力频率下条形弹性体的振型。
5.一种采用权利要求1～3任一所述实验装置进行演示的方法，其特征在于，
模拟离心力对叶片自振频率的影响：
设，a、模拟汽轮机叶片振动的振型：
撤除第二铁架台、第二磁铁、第三磁铁，撤除加速度传感器和数据采集器，在锯条上表面撒上薄薄的一层粉状物，闭合开关，调节交流信号发生器的频率，通过观察粉状物的分布情况判断节点个数从而得到在不同激励力频率下条形弹性体的振型；
b-1，在a的基础上，装上加速度传感器、数据采集器，开启频谱测量软件，闭合开关，待条形弹性体振动起来，打开开关，通过频谱测量装置测得条形弹性体自振频率；
b-2，在b-1技术上，装上第二磁铁、第三磁铁，搬来第二铁架台，闭合开关，待条形弹性体振动起来，即打开开关，移动第二铁架台3，改变其与条形弹性体的距离，通过频谱测量装置测得条形弹性体受到不同大小的轴向力时的自振频率。
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