CN108915797A - 一种舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，包括加载装置和测量装置，加载装置包括依次连接的函数信号发生器、功率放大器、电磁激振器和激振力加载器，且激振力加载器的一侧设有压簧,并与电磁激振器的输出端螺纹固定，另一侧通过加载法兰与待测量的叶片的型面中心位置连接固定；测量装置包括安装在激振力加载器上的动态力传感器，与动力传感器连接的数据采集器、计算机。本发明，能对阻尼叶片持续稳定地施加和测量一定频率和幅值的激振力载荷，还能在各种叶型的叶片振动特性试验测试中使用；可通过调整使激振力加载方向与实际情况一致；大幅降低激振力加载过程对叶片产生的干扰；保证传递到叶片上激振力波形的真实性和稳定性。

Description

一种舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置
技术领域
本发明涉及舰船汽轮机阻尼叶片振动特性测试，具体涉及一种舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置。
背景技术
叶片是舰船汽轮机的核心热功转换部件，其在气流激振力的作用下发生机械振动，由巨大的振动应力导致的高周疲劳是叶片失效的主要原因之一。在对大功率舰船汽轮机低压级长叶片开展摩擦阻尼振动机理性试验研究过程中，叶片横截面的大小和扭转方向沿叶片高度变化很大，叶片叶身部分具有空间三维变截面扭转的几何特征，这使得在振动特性试验测试过程中，对叶片施加持续稳定的激振力载荷具有相当难度。目前激振力的施加方式主要分为非接触式和接触式两类，其中非接触式激振力的施加主要通过电涡流激振器来实现，其优点是激振时与叶片不接触，无附加质量和附加刚度的影响，缺点是涡流传感器头与叶片表面间距离很难控制，距离大则激振效果差，距离小则会与叶片产生碰撞，这使得其在叶片振动特性测试中应用范围十分有限。接触式激振力的施加主要通过电磁激振器来实现，通过固定在激振器与叶片之间的连杆将激振力传递到叶片上，其中连杆引起的叶片附加刚度大小和连杆传递到叶片上的激振力的方向、波形的持续稳定性是影响激振力持续稳定施加的关键问题。
针对上述问题，目前试验中的解决方案是：一方面，将连杆安装至叶片尾缘叶型线变化相对平缓的位置，使连杆端面与叶片表面能够较好的贴合，保证激振力的施加方向；另一方面，大幅度缩小连杆中间部位横截面直径，使连杆具有“两头较粗、中间极细”的结构特点，从而降低作用在叶片上的附加侧向干扰力。目前解决措施能够在一定程度上降低叶片附加刚度并减小激振力施加方向的偏差程度，但仍存在连杆柔性过大导致的临界失稳压力过小、连杆与叶片贴合不严密导致的振动过程中激振力方向不稳定、激振力施加位置与叶片截面形心距离较远导致叶片受到附加扭转力矩影响等不足之处，使振动测试中不可避免的出现输入激振力信号波形失真的现象，严重影响测量结果的有效性。
因此，针对目前叶片振动特性测量过程中激振力施加措施的不足之处，开发一种附加影响小、施加方向和大小稳定的汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，是十分迫切和必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置存在测量结果有效性低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，包括：
加载装置，包括依次连接的函数信号发生器、功率放大器、电磁激振器和激振力加载器，且所述激振力加载器的一侧设有压簧,并与所述电磁激振器的输出端螺纹固定，另一侧通过加载法兰与待测量的叶片的型面中心位置连接固定；
测量装置，包括安装在所述激振力加载器上的动态力传感器，与所述动力传感器连接的数据采集器、计算机。
在另一个优选的实施例中，所述激振力加载器包括依次连接的激振连杆、所述压簧、传感器连杆和所述加载法兰，所述动态力传感器的两侧分别通过螺纹与所述传感器连杆、所述加载法兰连接，所述加载法兰上设有连接螺栓。
在另一个优选的实施例中，所述激振连杆和所述传感器连杆的相对的内侧面上均设有椭圆状凸台，所述压簧的两端分别抵靠在对应的所述椭圆状凸台上，所述激振连杆的外端设有螺纹，并与所述电磁激振器的输出端螺纹固定。
在另一个优选的实施例中，所述叶片的叶型截面中间位置设有铣出的圆形平台，且所述圆形平台沿其圆周方向均匀钻出6个螺纹孔。
在另一个优选的实施例中，所述圆形平台的最大深度小于5mm。
在另一个优选的实施例中，所述动态力传感器采用压电式。
在另一个优选的实施例中，试验时，将所述电磁激振器固定安装在试验平台上，所述函数信号发生器产生的激励信号经过所述功率放大器传递至所述电磁激振器的输入端，所述电磁激振器的输出端与所述激振力加载器连接，将所述激振力传递至所述叶片的截面中间位置处，通过所述动态力传感器实时将激振力信号传递给所述数据采集器与所述计算机，实现激振力的测量。
在另一个优选的实施例中，所述压簧的刚度大于所述叶片的横向弯曲刚度，且小于由所述传感器连杆、所述动态力传感器和所述加载法兰组成的整体结构的轴向刚度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)能够解决阻尼叶片振动试验时激振力难以持续稳定加载及测量的问题；
2)激振力加载和测量过程与汽轮机叶片类型无关，适用范围广；
3)可通过对叶片的位置和与加载法兰的连接方式进行调整，使激振力加载方向与实际情况完全一致；
4)与加载法兰的连接位置可设置为叶片截面形心位置基本重合，可大幅降低激振力加载过程对叶片产生的附加扭转力，大幅降低激振力加载过程对叶片产生的干扰；
5)利用压簧对叶片实施激振力加载，可有效降低激振力加载器对叶片产生的附加刚度影响，保证传递到叶片上激振力波形的真实性和稳定性。
附图说明
图1为本发明的工作原理图；
图2为本发明的激振力加载器；
图3为本发明的汽轮机阻尼叶片激振力加载的三维视图；
图4为本发明的激振连杆；
图5为本发明的传感器连杆；
图6为本发明的加载法兰；
图7为本发明的叶片的安装截面。
具体实施方式
本发明提供了一种舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，与汽轮机叶片类型无关，适用范围广，利用压簧对叶片实施激振力加载，可有效降低激振力加载器对叶片产生的附加刚度影响，保证传递到叶片上激振力波形的真实性和稳定性。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，包括加载装置和测量装置。
加载装置包括依次连接的函数信号发生器3、功率放大器4、电磁激振器5和激振力加载器6，且激振力加载器6的一侧设有压簧9，并与电磁激振器5的输出端相连，另一侧通过加载法兰12与待测量的叶片7的型面中心位置连接固定。测量装置包括安装在激振力加载器6上的动态力传感器11，与动力传感器11连接的数据采集器2、计算机1。
激振力加载器6包括依次连接的激振连杆8、压簧9、传感器连杆10和加载法兰12，动态力传感器11的两侧分别通过螺纹与传感器连杆10、加载法兰12连接，加载法兰12上设有连接螺栓14。
本发明的发生原理为：
试验时，将电磁激振器5固定安装在试验平台上，函数信号发生器3产生的激励信号经过功率放大器4传递至电磁激振器5的输入端，电磁激振器5的输出端与激振力加载器6连接，将激振力传递至叶片7的截面中间位置处，通过动态力传感器11实时将激振力信号传递给数据采集器2与计算机1，实现激振力的测量。
激振连杆8和传感器连杆10的相对的内侧面上均设有椭圆状凸台13，压簧9的两端分别抵靠在对应的椭圆状凸台13上，激振连杆8的外端设有螺纹，并与电磁激振器5的输出端螺纹固定，使压簧99在受到压缩时不会产生滑动。
叶片7的叶型截面中间位置设有铣出的圆形平台15，且圆形平台15沿其圆周方向均匀钻出6个螺纹孔。叶片7叶型圆形平台15加工时，其法向方向可以根据实际激振力作用方向进行调整，可使激振力加载方向与实际情况完全一致。
圆形平台15的最大深度小于5mm。动态力传感器11采用压电式。
为了兼顾激振力传递过程中幅值衰减程度和附加横向刚度的不利影响，压簧9的刚度大于叶片7横向弯曲刚度且小于由传感器11连杆10、动态力传感器11、加载法兰12组成的整体结构的轴向刚度。
以下为本发明的具体的发生原理：
先通过函数信号发生器3产生特定波形的激励电信号，比如以正弦波信号为例(还可以是余弦波、三角波、方波等，具体以实际叶片7振动试验的需求为准)，其可以表示为V0＝A0sin(ωt)，V0为激励电信号，A0为激励幅值，ω为激励频率，t为时间；其次采用功率放大器4对V0进行幅值增益，激励电信号由V0变为V＝Asin(ωt)，其中A＝A0хM，其中M为幅值放大倍数；进一步通过电磁激振器5将增益后的电信号V转变为初始激振力Fa＝Basin(ωt)，其中Fa为激振器5输出端的初始激振力，Ba为初始激振力幅值；最后通过激振力加载器6将初始激振力传递至叶片7上。
其中，通过动态力传感器11对施加在叶片7上的激振力F进行实时测量，F＝Bsin(ωt)，B为激振力幅值，由于压簧9的影响，F和Fa的幅值存在一定的差别，但通过对压簧9刚度的合理选取可以使二者差距控制在一定范围内，保证激振力传递的有效性；动态力传感器11的信号通过数据采集器2传递至计算机1的采集软件中进行处理和分析，实现激振力的实时采集与显示。
为了对本发明提供的一种汽轮机阻尼叶片7的激振力持续稳定加载及测量装置进一步了解，现对其工作过程进行说明：
首先，将电磁激振器5放置在试验平台专门的支撑架上，不进行紧固连接，该支撑架与叶片7振动试验台架相隔离，避免相互影响；
其次，将激振连杆8、压簧9、传感器连杆10、压电式动态力传感器11和加载法兰12依次串联装配，组成激振力加载器6，并将激振力加载器6的左端与电磁激振器5的输出端通过螺纹连接；进一步，调整电磁激振器5相对位置，使激振力加载器6的右端与叶片7的圆形平台15的表面相贴合，通过螺栓将激振力加载器6与叶片7相连接，并将电磁激振器5固死在支撑架上；
进而，通过数据线依次将函数信号发生器3与功率放大器4、功率放大器4与电磁激振器5、压电式动态力传感器11与信号采集器、信号采集器与计算机1进行连接；
最后，开启各个设备，对汽轮机阻尼叶片7持续稳定的加载一定幅值和一定频率的激振力，通过计算机1采集软件进行实时测量和显示，通过函数信号发生器3和功率放大器4对激振力幅值和频率进行调整，满足试验测量时各种工况的实际激振需求。
本发明，不仅能对舰船汽轮机阻尼叶片持续稳定的施加和测量一定频率和幅值的激振力载荷，还具有很好的适应能力，能在各种不同叶型的叶片振动特性试验测试中使用。相对于现有技术，本发明的优点在于：
1)能够解决阻尼叶片振动试验时激振力难以持续稳定加载及测量的问题；
2)激振力加载和测量过程与汽轮机叶片类型无关，适用范围广；
3)可通过对叶片的位置和与加载法兰的连接方式进行调整，使激振力加载方向与实际情况完全一致；
4)与加载法兰的连接位置可设置为叶片截面形心位置基本重合，可大幅降低激振力加载过程对叶片产生的附加扭转力，大幅降低激振力加载过程对叶片产生的干扰；
5)利用压簧对叶片实施激振力加载，可有效降低激振力加载器对叶片产生的附加刚度影响，保证传递到叶片上激振力波形的真实性和稳定性。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，其特征在于，包括：
加载装置，包括依次连接的函数信号发生器、功率放大器、电磁激振器和激振力加载器，且所述激振力加载器的一侧设有压簧,并与所述电磁激振器的输出端螺纹固定，另一侧通过加载法兰与待测量的叶片的型面中心位置连接固定；
测量装置，包括安装在所述激振力加载器上的动态力传感器，与所述动力传感器连接的数据采集器、计算机。
2.根据权利要求1所述的舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，其特征在于，所述激振力加载器包括依次连接的激振连杆、所述压簧、传感器连杆和所述加载法兰，所述动态力传感器的两侧分别通过螺栓与所述传感器连杆、所述加载法兰连接，所述加载法兰上设有连接螺栓。
3.根据权利要求2所述的舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，其特征在于，所述激振连杆和所述传感器连杆的相对的内侧面上均设有椭圆状凸台，所述压簧的两端分别抵靠在对应的所述椭圆状凸台上，所述激振连杆的外端设有螺纹，并与所述电磁激振器的输出端螺纹固定。
4.根据权利要求1所述的舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，其特征在于，所述叶片的叶型截面中间位置设有铣出的圆形平台，且所述圆形平台沿其圆周方向均匀钻出6个螺纹孔。
5.根据权利要求4所述的舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，其特征在于，所述圆形平台的最大深度小于5mm。
6.根据权利要求1所述的舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，其特征在于，所述动态力传感器采用压电式。
7.根据权利要求1所述的舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，其特征在于，试验时，将所述电磁激振器固定安装在试验平台上，所述函数信号发生器产生的激励信号经过所述功率放大器传递至所述电磁激振器的输入端，所述电磁激振器的输出端与所述激振力加载器连接，将所述激振力传递至所述叶片的截面中间位置处，通过所述动态力传感器实时将激振力信号传递给所述数据采集器与所述计算机，实现激振力的测量。
8.根据权利要求2所述的舰船汽轮机阻尼叶片激振力加载及测量装置，其特征在于，所述压簧的刚度大于所述叶片的横向弯曲刚度，且小于由所述传感器连杆、所述动态力传感器和所述加载法兰组成的整体结构的轴向刚度。
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