CN109387345A - 一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘及测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘及测试装置和方法，包括：旋转轴转动设置于摆架上，失谐叶盘固定设置在旋转轴上，驱动装置的输出端通过传动装置与旋转轴相连接，信息采集装置的信号输出端与信息显示与分析装置的信号接收端相连接；失谐叶盘的每个叶片的内端均固定设置在轮盘上，每个叶片的外端均固定设置有围带，相邻叶片的围带通过弹簧块连接。本发明的干摩擦阻尼结构可控制失谐叶盘的振动，降低叶片的振动水平。本发明的测试装置及方法，能够对含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘系统进行振动响应测试，分析含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘系统的振动特性。

Description

一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘及测试装置和方法

技术领域

本发明属于振动响应测试装置技术领域，涉及一种失谐叶盘系统的振动响应测试装置，特别涉及一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘及测试装置和方法。

背景技术

燃气轮机、汽轮机等大型动力装配是国家工业装备中最为关键及核心的设备之一，广泛应用于冶金、石化、船舶、钢铁和电力等行业，在国民经济尤其是重工业体系中占有十分重要的地位。叶片是大型旋转机械中实现能量转换的关键部件，由于其工作环境恶劣，结构复杂，叶片故障约已成为大型旋转机械设备中最为常见的故障之一。由于受加工误差、运行磨损以及材料性质差异等多种人为因素或随机因素的影响，叶盘中各扇区间的几何参数或物理性质不可避免的存在一定的偏差，会造成叶盘系统的失谐。尽管偏差量通常仅在5％以下，却使得原本具有循环对称性的结构系统产生局部化现象，由于模态振型不是广延到整个结构而是集中在某一个或某几个扇区中，使这几个少数的扇区振幅非常大而其它的大多数扇区中的振幅都较小，振动能量在少数叶片上的集中使叶片非常容易产生疲劳损伤或断裂，对整个叶盘结构的正常运行构成严重威胁。因此如何采取有效措施减小失谐引起的振动局部化现象,具有重要实际意义。为降低叶片的高周疲劳失效、延长叶片服役寿命，采用干摩擦阻尼结构增加叶片系统的结构阻尼是一种简单且行之有效方法。干摩擦阻尼具有阻尼效果好、不受温度限制、容易实施、成本低等优点，是目前较为普遍的增加叶片阻尼的方式。由于干摩擦阻尼结构的存在，原本就复杂的叶片系统成为变刚度、变阻尼的非线性动力学系统，这给阻尼结构叶片系统的振动特性研究及其减振机理研究增加了许多实际困难。此外，摩擦阻尼器的安装、运行中的磨损等因素会导致不同的叶片干摩擦力产生随机失谐(即各个叶片的干摩擦力不再一致)，这更使得摩擦阻尼器的结构优化设计困难重重。

旋转叶轮振动测试技术为叶轮机械设计提供重要的试验数据依据，是叶轮设计及试验技术领域的关键技术之一。随着叶轮振动与结构强度设计技术的发展及对叶轮振动安全性研究的不断深入，对旋转叶轮振动测试系统工作的安全性、可靠性和准确性提出了更高要求。原本旋转状态下失谐叶盘系统振动的测试方法就比较复杂，增加了干摩擦阻尼结构后的失谐叶盘系统由于受“叶盘失谐”、“干摩擦接触”、“摩擦失谐”等众多因素的影响，其振动测试就更为复杂，目前亟需一种新型的能够模拟不同失谐形式、不同失谐强度、且摩擦接触可调控的失谐叶盘振动响应测试装置以适应日益复杂的摩擦约束叶片系统的动力特性研究和结构优化设计，缩短阻尼叶片的设计周期。在进行透平机械设计阶段就考虑失谐问题，包括叶盘本身的失谐问题以及在运行过程中由摩擦阻尼附产生的干摩擦力失谐问题，对失谐叶盘系统振动特性的研究己成为正确设计和评估高性能燃气轮机、汽轮机叶片-轮盘系统的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘及测试装置和方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘，在失谐叶盘系统中加入可调控的干摩擦阻尼结构，通过干摩擦阻尼结构控制失谐叶盘的振动，降低叶片的局部化振动水平，延长叶片的服役寿命。本发明的测试装置及方法，能够对含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘系统进行振动响应测试，通过调节叶片围带间的干摩擦阻尼结构参数，对不同形式、不同失谐强度下的失谐叶盘的振动特性进行分析，研究不同失谐形式的耦合作用、干摩擦阻尼结构参数的敏感性，获得完整的含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘系统的动态振动特性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘，包括：轮盘、若干叶片和围带结构：每支叶片的叶根均固定设置在轮盘上，每支叶片的叶顶均固定设置有围带结构，所有叶片沿轮盘周向均布，相邻叶片的围带通过弹簧块连接，通过改变弹簧块的刚度系数能够调节整个叶盘的刚度失谐强度。

进一步的，每支叶片上均设置有多个附加质量块安装孔，用于安装附加质量块；通过改变附加质量块的位置和重量能够调节整个叶盘的质量失谐强度。

进一步的，每个围带上均设置有摩擦槽，摩擦槽内均安装有可置换的干摩擦阻尼块，干摩擦阻尼块与相邻的围带上的弹簧块相连接。

进一步的，摩擦槽为长方体形或圆柱形。

一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘的振动响应测试装置，包括：失谐叶盘、摆架、旋转轴、驱动装置、信息采集装置和信息显示与分析装置。旋转轴设置于摆架上，失谐叶盘固定设置在旋转轴上，驱动装置的输出端通过传动装置与旋转轴相连接，信息采集装置的采集端能够采集失谐叶盘的转速和振幅，信息采集装置的信号输出端与信息显示与分析装置的信号接收端相连接。

进一步的，还包括：真空测试腔；摆架固定设置于真空测试腔内，失谐叶盘位于真空测试腔内。

进一步的，信息采集装置包括：转速传感器和激光传感器；转速传感器通过第一传感器支架设置在旋转轴左侧齿轮端附近，通过转速传感器测量旋转轴的转速，即叶盘的工作转速；激光传感器通过第二传感器支架设置在失谐叶盘附近，通过激光传感器能够测量失谐叶盘的振幅。

进一步的，信息显示与分析装置包括：数据采集仪、数据记录仪、叶尖定时振动分析仪和转速表；数据采集仪的信号接收端与信息采集装置的信号输出端相连接，数据采集仪的信号输出端分别与数据记录仪和转速表的信号接收端相连接，数据记录仪的信号输出端与叶尖定时振动分析仪的信号接收端相连接。

进一步的，还包括：温度记录仪；信息采集装置包括：温度传感器；温度传感器通过第三传感器支架设置在失谐叶盘的工作区间内，通过温度传感器能够测量失谐叶盘的工况温度，温度传感器的信号输出端与温度记录仪的信号接收端相连接。

一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘的振动响应测试方法，具体步骤包括：

步骤1，将旋转轴、失谐叶盘移动至工作区间内，调节叶盘的刚度失谐强度或质量失谐强度，准备进行叶盘的动频测试；

步骤2，在叶片上安装应变片以及接收天线，在工作区间安装气流激励喷嘴，将旋转轴连接驱动电机；

步骤3，将所述工作区间抽真空；

步骤4，在预设工作转速范围内选定一组测试转速，通过驱动电机，升速至测试转速，测量得到动频值；

步骤5，从测试转速开始降速，伴随气流激励，记录叶盘上应变片测试点信号；

步骤6，对步骤5获得的测试数据进行分析；

步骤7，调节叶盘围带间干摩擦阻尼结构，进行对照试验。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘，通过选用不同刚度系数的弹簧块，调节叶盘的刚度失谐强度。

进一步的，通过安装孔在叶片不同位置安装不同大小、不同密度的质量块，可改变叶盘的质量失谐强度。

进一步的，叶片的摩擦槽内设置有干摩擦阻尼块，叶盘旋转过程中，会形成干摩擦阻尼力消耗叶片振动能量，从而降低叶片的振动幅值。通过替换不同表面粗糙度的干摩擦阻尼快或改变摩擦阻尼块的连接刚度，可调节围带间的摩擦接触状态，可调节围带接触面上的干摩擦力大小。进一步的，可通过在叶片的摩擦槽内安装不同形式、不同结构参数的干摩擦阻尼块，实现干摩擦失谐的模拟，从而进行“双重”失谐叶盘系统的特性研究。

本发明的振动响应测试装置，通过驱动装置驱动失谐叶盘转动，通过信息采集装置采集失谐叶盘在转动过程中的转速和振幅参数，并将数据信息传递给信息显示与分析装置，通过信息显示与分析装置将获得的数据进行显示和分析计算，从而可以完成含干摩擦阻尼结构失谐叶盘系统的振动测试。本发明的测试装置采用非接触式叶片振动测量方法，能够测量失谐叶盘中每只叶片的振动响应，进而可分析失谐叶盘的振动形式，评估失谐叶盘的局部化振动水平，能够为叶盘设计定型及安全运行提供技术支撑和理论指导，为叶盘的设计校核和安全性评价提供试验数据。

进一步的，通过温度传感器测量真空舱内的温度，以保证被测试原件始终处于工作温度范围。测试时应保持真空舱内温度恒定，保证发射器工作的可靠性；真空舱内真空度也需要维持不变，使舱内空气对叶片的影响降至最低，保证试验的准确性。

本发明的振动响应测试方法，可模拟不同转速(不同工况)下、质量失谐叶盘系统、刚度失谐叶盘系统和双重失谐叶盘系统的固有频率及振型，获得完整的含干摩擦阻尼结构失谐叶盘系统的动态信息，可为失谐叶盘系统的排布优化组合及加工、检修提供指导。

附图说明

图1是本发明的一种含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘的整体结构示意图；

图2是图1中围带连接处弹簧块连接的局部放大结构示意图；

图3是图1中围带连接处干摩擦阻尼块连接的剖视放大结构示意图；

图4是本发明的一种含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘系统的振动响应测试装置的整体结构示意图；

图5是图4中叶盘保护罩的侧视结构示意图；

图6是本发明的振动响应测试中使用的附加质量块的正视结构示意图；

图7是图6的左视结构示意图；

图1至图7中，1、被测失谐叶盘；2、旋转轴；3、前置摆架；4、后置摆架；5、摆架导轨；6、真空测试腔；7、叶盘保护罩；8、驱动电机；9、保护罩支架；10、激光传感器；11、温度传感器；12、转速传感器；13、第一传感器支架；14、齿轮；15、安装孔；16、弹簧块；17、引线孔；18、数据采集仪；19、数据记录仪；20、叶尖定时振动分析仪；21、转速表；22、温度记录仪；23、保护罩螺栓；24、叶片；25、围带；26、引线；27、联轴器；28、附加质量块；29、干摩擦阻尼块；30、摩擦槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参考图1至图3，本发明的一种干摩擦阻尼失谐叶盘，包括：轮盘和若干叶片24；每个叶片24的内端即叶根均通过叶根结构与轮盘相连接，叶根结构包括楔型叶根，燕尾形叶根、T型叶根等；每个叶片24的外端即叶顶均固定设置有围带25，所有叶片24沿轮盘的周向均布，相邻叶片24的围带25通过弹簧块16连接，通过调节弹簧块16的刚度系数能够调节叶盘的刚度失谐强度，进而可改变叶盘整体的振动水平。

每个叶片24上均设置有附加质量块28安装孔15，用于安装附加质量块28；具体为每只叶片24上均设置有两个螺纹小孔，螺纹小孔一个位于叶片24顶部即内端附近，另一个位于叶片24靠近叶根即外端位置。螺纹小孔用于安装不同质量的附加质量块28，失谐叶盘通过附加质量块28的质量和位置的改变，可实现失谐叶盘质量失谐量的调节。

每个围带25上均设置有摩擦槽30，摩擦槽30内安装有干摩擦阻尼块29，干摩擦阻尼块29与相邻的围带25上的弹簧块16相连接。叶片24的围带25上设置摩擦槽30，内部安装有干摩擦阻尼块29与弹簧块16连接，可消耗叶片24振动能量，能够降低叶片24振幅。摩擦槽30为长方形槽或者圆柱形槽，干摩擦阻尼块29为相应的长方形或圆柱形。

参考图4至图7，本发明的一种含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘的振动响应测试装置，包括：真空测试腔6、被测失谐叶盘1、摆架、旋转轴2、驱动装置、信息采集装置和信息显示与分析装置。

摆架固定设置于真空测试腔6内，失谐叶盘位于真空测试腔6内；旋转轴2转动设置于摆架上，被测失谐叶盘1固定设置在旋转轴2上，驱动装置的输出端通过传动装置与旋转轴2相连接，信息采集装置的采集端能够采集被测失谐叶盘1的转速和振幅，信息采集装置的信号输出端与信息显示与分析装置的信号接收端相连接。具体为：真空测试腔6为真空舱体，真空舱体内固定设置有摆架导轨5；摆架包括前置摆架3和后置摆架4，前置摆架3和后置摆架4通过焊接或螺栓等方式固定设置在摆架导轨5上；旋转轴2通过轴承可转动地水平设置在前置摆架3和后置摆架4上，旋转轴2的两端分别通出前置摆架3和后置摆架4，旋转轴2的一端通过联轴器27等传动装置与设置在真空舱体外的驱动电机8的输出轴相连，旋转轴2的另一端固定设置有齿轮14；被测失谐叶盘1通过键等连接方式固定设置在旋转轴2上，被测失谐叶盘1位于前置摆架3和后置摆架4之间；叶盘保护罩7设置在被测失谐叶盘1的四周，用于保护叶盘，叶盘保护罩7通过保护罩支架9安装在摆架导轨5上。叶盘保护罩7采用透明的玻璃钢材质或者塑料材质，分为上、下两部分，上下两部分的两端通过保护罩螺栓23等连接方式安装固定，方便被测失谐叶盘1的整体安装与拆卸。

信息采集装置包括：转速传感器12、激光传感器10和温度传感器11；转速传感器12通过第一传感器支架13设置在旋转轴2的设置有齿轮14的一端的附近，通过转速传感器12能够测量旋转轴2的实时转速；叶盘保护罩7上嵌有3-4个激光传感器10和1个温度传感器11，用于测量被测失谐叶盘1的振动振幅和温度。

真空舱体外设置有温度记录仪22、数据采集仪18、数据记录仪19、叶尖定时振动分析仪20和转速表21。转速传感器12、激光传感器10的信号输出端与数据采集仪18的信号接收端相连接，数据采集仪18的信号输出端分别连接数据记录仪19和转速表21的信号接收端，数据记录仪19的信号输出端连接叶尖定时测振分析仪的信号接收端，用来测量叶盘上每只叶片24的振动响应，并综合分析叶盘整体的振动状态；转速表21用于监测失谐叶盘的实时转速。温度传感器11设置在失谐叶盘附近，通过温度传感器11能够测量失谐叶盘的温度，温度传感器11的信号输出端与温度记录仪22的信号接收端相连接；用于实时监测整个测试过程中被测失谐叶盘1附近的温度变化，防止温度过高损坏试验设备。

信息采集装置与信息显示与分析装置通过有线或者无线的形式进行数据传输。采用有线数据传输时，真空测试腔6的侧壁上开有引线孔17，引线孔17设置有密封装置，信息采集装置与信息显示与分析装置通过引线26连接，所有真空测试腔6内的引线26均通过引线孔17引出。

本发明的振动响应测试装置填补了失谐叶盘振动调节测试的空白，其通过附加质量块28调整叶片24的质量，通过调节围带25上弹簧块16的刚度系数，可改变叶盘整体质量失谐强度和刚度失谐强度；通过在叶片24上增加干摩擦阻尼块29，降低叶片24振动水平，改善叶盘的振动状态。

工作原理：

本发明的含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘采用在叶片24上安装附加质量块28的方法改变叶盘的附加质量，选择不同大小、不同密度的质量块，改变叶盘的质量失谐强度；通过调节围带25上弹簧块16的刚度系数，改变叶盘的刚度失谐强度。在每只叶片24的围带25上设置长方形槽或者圆柱形槽，安装方形或者圆柱形干摩擦阻尼块29，干摩擦阻尼块29固定连接弹簧块16相连接，在叶盘旋转过程中，干摩擦阻尼块29受离心力的作用，摩擦槽30上表面接触形成摩擦接触面，干摩擦阻尼块29摩擦消耗叶片24振动能量，降低叶片24振幅。

本发明的振动响应测试装置解决了具有干摩擦阻尼结构失谐叶盘振动测量困难的问题，提供了一种旋转状态下含干摩擦阻尼结构的失谐叶盘的振动测试方法，适用于各种旋转失谐叶盘的振动测试，可系统地研究干摩擦阻尼结构对协调叶盘系统、失谐叶盘系统振动的控制作用以及摩擦阻尼失谐对失谐叶盘系统产生的二次影响，能够为叶盘设计定型、安全运行提供技术支撑，可广泛应用于叶盘的振动测试中，以提高叶轮的安全性。

本发明的振动响应测试装置的工作过程：

工作时，利用转速传感器12、激光传感器10和叶尖定时测振分析仪对叶盘中每只叶片24的振动响应进行振动数据采集和分析，获得失谐叶盘整体的振动状态。通过调整每只叶片24的附加质量和围带25的弹簧块16刚度的方法改变叶盘的质量失谐强度和刚度失谐强度，进而改变整个叶盘的振动状态。通过调整叶片24的围带25间摩擦接触的状态来改变摩擦力的大小，进而降低叶盘的振动幅值，为叶盘的设计校核和安全性评价提供试验数据。本发明的测试装置及测试方法，通过调整附加质量和围带25的弹簧块16刚度系数，来改变叶盘整体质量失谐强度和刚度失谐强度；通过增加叶片24干摩擦阻尼，降低叶片24振动水平，改善叶盘的振动状态。失谐叶盘的激励装置采用气体喷嘴激励，气体激励喷嘴设置于失谐叶盘的工作区间内，且靠近失谐叶盘。

本发明的一种干摩擦阻尼失谐叶盘的振动响应测试方法，基于本发明的测试装置，具体步骤包括：

步骤1，将旋转轴2、失谐叶盘移动至真空舱内，调节叶盘的刚度失谐强度或质量失谐强度，准备进行叶盘的动频测试；

步骤2，叶片24上安装应变片；安装1个接收天线，安装1个气流激励喷嘴在失谐叶盘周围，将旋转轴2与驱动电机8的输出轴相连接；

步骤3，关闭真空舱，抽真空；

步骤4，在预设工作转速范围内选定一组测试转速，通过驱动电机8，升速至测试转速，测量得到动频值。

步骤5，从测试转速开始降速，伴随气流激励，记录叶盘上测试点信号(应变片处)；

步骤6，对测试数据进行分析；数据包括动频值等。

步骤7，调节叶盘围带25间干摩擦阻尼结构进行对照试验，研究控制能力。

具体的，在测试时应保持真空舱内温度恒定，保证发射器工作的可靠性；真空舱内真空度也需要维持不变，使舱内空气对叶片24的影响降至最低，保证试验的准确性。

Claims (10)

1.一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘，其特征在于，包括：轮盘、若干叶片(24)和围带(25)结构：

每支叶片(24)的叶根均固定设置在轮盘上，每支叶片(24)的叶顶均固定设置有围带(25)结构，所有叶片(24)沿轮盘周向均布，相邻叶片(24)的围带(25)通过弹簧块(16)连接，通过改变弹簧块(16)的刚度系数能够调节整个叶盘的刚度失谐强度。

2.根据权利要求1所述的一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘，其特征在于，每支叶片(24)上均设置有多个附加质量块(28)的安装孔(15)，用于安装附加质量块(28)；通过改变附加质量块(28)的位置和重量能够调节整个叶盘的质量失谐强度。

3.根据权利要求1所述的一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘，其特征在于，每个围带(25)上均设置有摩擦槽(30)，摩擦槽(30)内均安装有可置换的干摩擦阻尼块(29)，干摩擦阻尼块(29)与相邻的围带(25)上的弹簧块(16)相连接。

4.根据权利要求3所述的一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘，其特征在于，摩擦槽(30)为长方体形或圆柱形。

5.一种权利要求1至4中任一项所述的含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘的振动响应测试装置，其特征在于，包括：失谐叶盘、摆架、旋转轴(2)、驱动装置、信息采集装置和信息显示与分析装置；

旋转轴(2)设置于摆架上，失谐叶盘固定设置在旋转轴(2)上，驱动装置的输出端通过传动装置与旋转轴(2)相连接，信息采集装置的采集端能够采集失谐叶盘的转速和振幅，信息采集装置的信号输出端与信息显示与分析装置的信号接收端相连接。

6.根据权利要求5所述的一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘的振动响应测试装置，其特征在于，还包括：真空测试腔(6)；摆架固定设置于真空测试腔(6)内，失谐叶盘位于真空测试腔(6)内。

7.根据权利要求5所述的一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘的振动响应测试装置，其特征在于，信息采集装置包括：转速传感器(12)和激光传感器(10)；转速传感器(12)通过第一传感器支架(13)设置在旋转轴(2)左侧齿轮(14)端附近，通过转速传感器(12)测量旋转轴(2)的转速即叶盘的工作转速；激光传感器(10)通过第二传感器支架设置在失谐叶盘附近，通过激光传感器(10)能够测量失谐叶盘的振幅。

8.根据权利要求5所述的一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘的振动响应测试装置，其特征在于，信息显示与分析装置包括：数据采集仪(18)、数据记录仪(19)、叶尖定时振动分析仪(20)和转速表(21)；数据采集仪(18)的信号接收端与信息采集装置的信号输出端相连接，数据采集仪(18)的信号输出端分别与数据记录仪(19)和转速表(21)的信号接收端相连接，数据记录仪(19)的信号输出端与叶尖定时振动分析仪(20)的信号接收端相连接。

9.根据权利要求5所述的一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘的振动响应测试装置，其特征在于，还包括：温度记录仪(22)；

信息采集装置包括：温度传感器(11)；温度传感器(11)通过第三传感器支架设置在失谐叶盘的工作区间内，通过温度传感器(11)能够测量失谐叶盘的工况温度，温度传感器(11)的信号输出端与温度记录仪(22)的信号接收端相连接。

10.一种含干摩擦阻尼结构的模拟失谐叶盘的振动响应测试方法，其特征在于，基于权利要求5至9中任一项所述的振动响应测试装置，具体步骤包括：

步骤1，将旋转轴(2)、失谐叶盘移动至工作区间内，调节叶盘的刚度失谐强度或质量失谐强度，准备进行叶盘的动频测试；

步骤2，在叶片(24)上安装应变片以及接收天线，在工作区间安装气流激励喷嘴，将旋转轴(2)连接驱动电机(8)；

步骤3，将所述工作区间抽真空；

步骤4，在预设工作转速范围内选定一组测试转速，通过驱动电机(8)，升速至测试转速，测量得到动频值；

步骤5，从测试转速开始降速，伴随气流激励，记录叶盘上应变片测试点信号；

步骤6，对步骤5获得的测试数据进行分析；

步骤7，调节叶盘的围带(25)间干摩擦阻尼结构，进行对照试验。