CN105928676B - 具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有阻尼块结构阻尼失谐叶片‑轮盘的振动测试装置，轮盘固定装置固定在基础台架的底板中心；叶根固定装置通过调整螺母来增加预紧力，将自身固定在轮盘轮缘和叶片叶根之间；离心力加载装置一端连接在叶片围带的阻尼块上，另一端绕过整圈滑杆后垂直放置，用于控制叶片阻尼块的离心力失谐；激振发生装置固定在基础台架的激振板上；测量装置安装在激振板内外，通过螺栓固定在基础台架底板上；可用来模拟在实际运行工况下，测量具有非线性干摩擦阻尼块结构的阻尼失谐叶片‑轮盘系统的振动特性，为高性能发动机、燃气轮机和透平的叶片‑轮盘的设计及故障分析提供参考依据。

Description

具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置

技术领域

本发明涉及实验装置技术领域，具体涉及一种具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置。

背景技术

叶片作为透平机械中最重要的零部件之一，其工作环境极为复杂恶劣，由巨大的振动应力导致的高周疲劳是叶片损坏的主要原因。实际叶片由于加工制造的误差和使用中的磨损，导致在整圈叶片上存在物理和几何的微小差别，也就是失谐叶片。失谐叶片-轮盘会产生振动局部化现象，使得局部叶片振动比谐调时有很大增加，一般可能达到2-4倍，失谐现象对叶片振动安全造成很大威胁。

由于失谐导致周期对称丧失，失谐叶片的研究就必须建立在整圈高保真模拟上。对于自由失谐叶片-轮盘结构的研究已经很多，但对具有复杂干摩擦阻尼的阻尼失谐叶片-轮盘的研究却很少。在真实旋转状态下对叶片的阻尼失谐振动特性进行测试难度大，并且费用高。目前对于具有摩擦阻尼结构的失谐叶片-轮盘研究主要是通过数值模拟来实现，但干摩擦阻尼具有很强的非线性，没有一种模型能够准确的描述所有的阻尼特性，通过建立高保真整圈阻尼失谐叶片-轮盘实验台来分析失谐现象具有重要的研究价值。

基于以上原因，对阻尼失谐叶片-轮盘相关的研究尤其是机理性研究还很不充分，对于在实际运行工况下的性能更是了解甚少。因此，开展模拟实际运行状态下具有阻尼块叶片的阻尼失谐叶片-轮盘的振动特性研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对目前透平机械的阻尼失谐叶片-轮盘试验研究的不足，尤其是对模拟运行状态下阻尼失谐叶片-轮盘振动特性的研究不足，提供了一种具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置，其可以用来模拟测量实际运行工况下具有阻尼块阻尼失谐的叶片-轮盘结构，为进一步研究透平叶盘阻尼失谐现象提供有力工具。

本发明的技术方案是这样实现的：

包括基础台架、轮盘固定装置、叶根固定装置、离心力加载装置、激振发生装置和测量装置，轮盘固定装置固定在基础台架的底板中心，叶根固定装置固定在轮盘轮缘和叶片叶根之间，离心力加载装置一端连接在叶片围带的阻尼块上，另一端绕过整圈滑杆后悬空放置，激振发生装置固定在基础台架的激振板上，测量装置固定在基础台架底板上。

基础台架包括底板和底板上的圆柱台、激振板和整圈滑杆，圆柱台固定在底板中心，其上表面中心还开有螺栓孔，圆柱台外依次是激振板和整圈滑杆，激振板下连接有六个对称分布的支撑杆，支撑杆下连接的底板固定到底板，整圈滑杆下也连接有六个对称分布的支撑杆，支撑杆下的环形平板固定在底板上。

轮盘固定装置固定在基础台架的底板上，包括轮盘、夹紧轮盘用的圆板和大内六角螺栓，轮盘中心开有螺栓通过的圆形通孔，轮盘外部开有轮槽，轮槽具有与叶片叶根对应轮廓的轮缘齿面，圆板设置在轮盘上方，中心同样开有螺栓通过的通孔，轮盘被圆板和圆柱台通过内六角螺栓夹紧。

叶根固定装置包括上弓形板、下弓形板和对应弓形板两端的两个螺杆，上弓形板、下弓形板两端均开有螺杆通过的槽孔，在槽孔两侧的螺杆上设置有对应的两个螺母，通过调整螺母来控制弓形板之间的距离和夹紧力。

离心力加载装置包括钢丝、静态力传感器、秤盘和质量块。钢丝一端穿入开有小孔的阻尼块并固定，另一端穿过秤盘中心并固定，钢丝中间连有静态力传感器，不同质量的质量块加载在秤盘上，用于模拟不同叶片阻尼块的离心力。

激振发生装置包括激振器套筒、固定螺栓和非接触式激振器，激振器套筒固定在非接触式激振器上，非接触式激振器通过激振板上开的槽孔，通过激振板外侧设置的固定螺栓来固定套筒，非接触式激振器垂直对应叶片叶身70％～80％叶高截面的中间位置。

测量装置包括传感器支架竖杆和传感器倾斜杆，传感器支架竖杆下端固定在基础台架的底板上，传感器倾斜杆设置在传感器支架竖杆上，每一个传感器倾斜杆末端设置有一个用于测量透平叶片振幅的电涡流位移传感器，传感器垂直对应叶片80～90％和50～60％两处叶高位置。

套筒在非接触式激振器上的位置上下移动，非接触式电磁激振器为整圈布置，通过控制系统来对整圈激振器的激振大小和相位进行控制。

叶根固定装置的上弓形板和下弓形板中间还设有分别对应叶根和轮缘位置的凸台。

整圈滑杆可以支撑连接秤盘的钢丝，起到滑轮结构的作用，滑杆下部的支撑杆和滑杆平面的夹角为70度，防止支撑杆阻挡住秤盘位置。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明一种具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置，针对具有阻尼块结构的透平叶盘，提供了一种真实情况下测试阻尼失谐对叶片-轮盘振动影响的方法，能够解决实验条件下叶片旋转状态不方便测量的问题；(2)该装置能模拟真实情况下的阻尼块离心力，离心力载荷连续可调；(3)通过调整阻尼块形状、表面粗糙度等还可以模拟阻尼接触刚度失谐现象；(4)本装置测量原理还可以应用到阻尼块在叶根平台叶片甚至多个复杂阻尼块结构叶片；(5)采用的叶根固定装置结构简单，方便可靠，可以模拟工作状态下叶片叶根固定在轮盘上的现象。

综上所述，本发明实现了在非旋转情况下模拟具有阻尼块结构叶片-轮盘的实际运行状态，可以测量影响阻尼刚度失谐的各因素变化，本实验方法操作方便，为研究具有阻尼块结构的叶片-轮盘失谐振动提供了重要参数。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是具有阻尼块结构的阻尼叶片示意图；

图3是基础台架的结构示意图；

图4是轮盘固定装置的结构示意图；

图5是叶根固定装置的结构示意图；

图6是离心力加载装置的结构示意图；

图7是激振发生装置的结构示意图；

图8(a)是测量装置的结构示意图；

图8(b)是激振器激振示意图。

图中代号含义：1-底板；2-圆柱台；3-激振板；4-激振板支撑杆；5-激振板底板；6-整圈滑杆；7-滑杆支撑；8-环形平板；9-围带；10-阻尼块；11-叶身；12-叶根；13-轮盘；14-夹紧圆盘；15-大内六角螺栓；16-上弓形板；17-下弓形板；18-螺杆；19-螺母；20-凸台；21-钢丝；22-静态力传感器；23-秤盘；24-质量块；25-非接触式电磁激振器；26套筒；27-螺栓；28-激振器线；29-传感器支架竖杆；30-传感器倾斜杆；31-支架竖杆底板；32-螺栓；33-电涡流位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明一种具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置，包括基础台架、轮盘固定装置、叶根固定装置、离心力加载装置、激振发生装置和测量装置。

参见图2，首先对试验中的透平叶片进行介绍。透平叶片由围带9、阻尼块10、叶身11和叶根12组成。在工作状态下由于离心力的作用，一方面，叶片叶根12和轮盘13对应轮槽齿面紧密接触并压紧；另一方面，叶身11发生扭转恢复，使得相邻叶片围带9之间接触并压紧。在气流激振力的作用下，相邻叶片围带9接触面之间产生相对滑移，干摩擦阻尼通过摩擦作用将叶片结构振动能转换为热能进行耗散，以达到降低透平叶片振动水平的目的。

参见图3，基础台架由底板1和固定于底板上的圆柱台2、激振板3和整圈滑杆6组成，圆柱台2中心开有固定轮盘13的螺栓孔，圆柱台2外布置有整圈环形的激振板3，激振板3上有布置非接触式电磁激振器25通过的槽孔，激振板3下部通过支撑杆4连接到底部的底板5上，底板5通过螺栓固定在基础台架的底板1上。激振板3外布置有整圈滑杆6，用作离心力加载装置的滑轮结构，整圈滑杆6下部同样设置有支撑杆7，支撑杆7与滑杆6平面之间呈60～70度的夹角，支撑杆7下部设置有固定在基础台架底板1上的环形平板8。

参见图4，轮盘固定装置由轮盘13、夹紧轮盘的圆盘14和大内六角螺栓15组成，轮盘13和圆盘14中心均开有和螺栓15尺寸大小对应的通孔，轮盘13安放在圆柱台2上，通过拧紧内六角螺栓15来对轮盘13进行对位和夹紧。

参见图5，叶根固定装置由上弓形板16、下弓形板17、弓形板两侧的螺杆18和固定弓形板位置的螺母19组成，上弓形板16和下弓形板17中间位置均有一个凸台20，用于分别对叶片叶根12和轮盘轮缘中心加载力，弓形板两侧开有通孔，螺杆18穿过通孔并通过弓形板通孔两侧的螺母19来对上下弓形板之间的距离进行调节，从而达到叶片叶根12固定在轮盘13上的目的。弓形板的弓形结构还可以避免叶片意外掉落摔坏。

参见图6，离心力加载装置包括阻尼块10、钢丝21、静态力传感器22、秤盘23和质量块24组成，阻尼块10上开有小孔，钢丝21的一端固定在阻尼块10上，钢丝21另一端通过整圈滑杆6垂直向下连接到秤盘23上，钢丝21中间还有显示加载离心力大小的静态力传感器22，在秤盘23上加载不同大小的质量块24模拟阻尼块离心力，通过改变质量块24大小和分布可以模拟阻尼整圈失谐的影响。

参见图7，激振装置包括非接触式电磁激振器25、套在激振器上的套筒26和固定套筒的内六角螺栓27组成，激振板3上设有一定倾斜角度的激振器25通过的通孔，激振板3外侧开有螺栓孔通到激振板3的通孔，套筒26套在激振器25上并安装在激振板3的通孔位置通过螺栓27拧紧固定。激振器25垂直对准叶片约75％叶身高度位置，套筒26和激振板3通孔之间有一定间隙，以方便激振器25激振方向可以实现微调。

参见图8(a)和(b)，测振装置包括传感器支架竖杆29、传感器倾斜杆30、电涡流位移传感器33和螺栓32组成，传感器支架竖杆29焊接在底部竖杆底板31上，竖杆底板31通过螺栓32固定在基础台架底板1上，传感器倾斜杆30焊接在传感器支架竖杆29上，并与支架竖杆29呈一定角度，角度大小与竖直支架29长度和叶片叶身11曲线有关。电涡流位移传感器33固定在传感器倾斜杆30上，与叶片叶身保持0.5mm距离。传感器支架竖杆29分别对应叶身90％和50％叶高的位置。

为了对本发明一种具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置进一步了解，现对其操作步骤做一说明。

首先，将叶片的轮盘13固定在轮盘固定装置上，拧紧上部的螺栓15通过圆盘14固定住轮盘位置；其次，将叶片放置在轮盘对应的轮槽位置，按照预紧力要求调整叶根固定装置的螺母19来将叶片叶根与轮盘夹紧；接着，安装调整非接触式电磁激振器25，将其调节到合理的高度和角度并拧紧激振板外侧的螺栓27，安装调整好测振装置；然后，调整阻尼块离心加载装置，将钢丝21连接好阻尼块10、静态力传感器22和秤盘23，然后拉伸放置到整圈滑杆6上；然后，重复第2到4步，依次安装好整圈叶片及其对应的激振装置、测振装置和离心力加载装置；最后，加载质量不同的质量块24并开始激振透平叶片，通过调整质量块24的不同布置方式和激振器25激振的大小及相位，测量叶片响应并分析阻尼失谐对整圈叶片振动特性的影响，为研究和设计具有阻尼块结构的阻尼减振叶片-轮盘提供重要参考数据。

Claims (4)

1.一种具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置，其特征在于，包括基础台架、轮盘固定装置、叶根固定装置、离心力加载装置、激振发生装置和测量装置；其中，轮盘固定装置固定在基础台架的底板中心，叶根固定装置固定在轮盘轮缘和叶片叶根之间，离心力加载装置一端连接在叶片围带的阻尼块上，另一端绕过整圈滑杆后悬空放置，激振发生装置固定在基础台架的激振板上，测量装置固定在基础台架底板上；

基础台架包括底板(1)和底板上的圆柱台(2)、激振板(3)和整圈滑杆(6)，圆柱台(2)固定在底板中心(1)，其上表面中心还开有螺栓孔，圆柱台外依次是激振板(3)和整圈滑杆(6)，激振板(3)下连接有六个对称分布的支撑杆(4)，支撑杆(4)下连接的底板(5)固定到底板(1)，整圈滑杆(6)下也连接有六个对称分布的支撑杆(7)，支撑杆(7)下的环形平板(8)固定在底板(1)上；

轮盘固定装置固定在基础台架的底板(1)上，包括轮盘(13)、夹紧轮盘用的圆板(14)和大内六角螺栓(15)，轮盘(13)中心开有螺栓通过的圆形通孔，轮盘外部开有轮槽，轮槽具有与叶片叶根(12)对应轮廓的轮缘齿面，圆板(14)设置在轮盘上方，中心同样开有螺栓通过的通孔，轮盘(13)被圆板(14)和圆柱台(2)通过内六角螺栓(15)夹紧；

叶根固定装置包括上弓形板(16)、下弓形板(17)和对应弓形板两端的两个螺杆(18)，上弓形板(16)、下弓形板(17)两端均开有螺杆(18)通过的槽孔，在槽孔两侧的螺杆(18)上设置有对应的两个螺母(19)，通过调整螺母(19)来控制弓形板之间的距离和夹紧力；

离心力加载装置包括钢丝(21)、静态力传感器(22)、秤盘(23)和质量块(24)；钢丝(21)一端穿入开有小孔的阻尼块(10)并固定，另一端穿过秤盘(23)中心并固定，钢丝(21)中间连有静态力传感器(22)，不同质量的质量块(24)加载在秤盘(23)上，用于模拟不同叶片阻尼块的离心力；

激振发生装置包括激振器套筒(26)、固定螺栓(27)和非接触式激振器(25)，激振器套筒(26)固定在非接触式激振器(25)上，非接触式激振器(25)通过激振板(3)上开的槽孔，通过激振板(3)外侧设置的固定螺栓(27)来固定套筒(26)，非接触式激振器(25)垂直对应叶片叶身70％～80％叶高截面的中间位置；

测量装置包括传感器支架竖杆(29)和传感器倾斜杆(30)，传感器支架竖杆(29)下端固定在基础台架的底板(1)上，传感器倾斜杆(30)设置在传感器支架竖杆(29)上，每一个传感器倾斜杆(30)末端设置有一个用于测量汽轮机叶片振幅的电涡流位移传感器(33)，传感器垂直对应叶片80～90％和50～60％两处叶高位置。

2.根据权利要求1所述的一种具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置，其特征在于，套筒(26)在非接触式激振器(25)上的位置上下移动，非接触式电磁激振器(25)为整圈布置，通过控制系统来对整圈激振器的激振大小和相位进行控制。

3.根据权利要求1所述的一种具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置，其特征在于，叶根固定装置的上弓形板(16)和下弓形板(17)中间还设有分别对应叶根和轮缘位置的凸台(20)。

4.根据权利要求1所述的一种具有阻尼块结构的阻尼失谐叶片-轮盘的振动测试装置，其特征在于，整圈滑杆(6)可以支撑连接秤盘(23)的钢丝(21)，起到滑轮结构的作用，整圈滑杆(6)下部的支撑杆(7)和整圈滑杆平面的夹角为70度，防止支撑杆(7)阻挡住秤盘(23)位置。