CN110529201A - 一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，包括叶盘系统、激振力测量装置和气流激振发生装置等；叶盘系统的叶片铰接于相对轮盘位置固定的夹块上，铰轴安装方向与叶片一阶弯曲振动方向垂直，铰接处通过抛光、润滑削减摩擦作用从而降低动态气流激振力的测量误差。沿叶高方向引入动态拉压力传感器，动态拉压力传感器沿叶片一阶弯曲振动方向安装，其背离叶片侧固定在刚性测杆上、靠近叶片侧通过柔性杆与叶片相连，最终测得动态气流激振力的幅值和作用位置的动态过程。本发明测得的激振力载荷有助于完善叶片振动数值分析模型和叶片非接触式振动测量方法等。本发明通过改变气流速度、叶片型式等，能够对不同的透平机组进行研究，具有普遍适用性。

Description

一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置

技术领域

本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置。

背景技术

透平叶片常工作在极其恶劣复杂的条件下，易在气流冲击下产生受迫振动。实践表明，叶片因气流激振而产生的受迫振动是导致叶片高周疲劳失效的主要原因。为了对这种受迫振动现象进行研究，有必要探究激振力的作用特点，从而为高寿命透平叶片的设计提供依据。

在旋转透平叶片振动实验中，在叶片上引入激振力的常用方法是通过电磁铁或者气流作用到叶片，在叶片旋转过程中产生具有激振动态变化的周期作用力，然而这些激振方法无法准确获得作用到叶片上的激振力位置和幅值。以气流激振为例，仅能获得喷管出口处的气流流量和方向等数据，但叶片旋转过程是一个动态变化过程，无法准确地得出一个周期内施加到旋转叶片上的气流激振力大小和作用位置，这使得叶片振动特性分析中数值和实验结果无法进行有效的相互验证。以往关于叶片激振力的施加和测量方法仅适用于非旋转叶片振动的探究，难以对实际旋转叶片在气流作用下的受迫振动现象进行分析。

基于以上原因，有必要建立一种对旋转叶片所受动态气流激振力的大小和作用位置进行测量的装置，从而为更真实的气流激振力载荷的建立提供参考数据，为旋转叶片非接触式振动测量结果提供验证。

发明内容

本发明的目的在于针对目前旋转叶片所受气流激振力测定方法的不足，提供了一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置。其不仅能够实时测量动态激振力的大小，还能够得到动态激振力的等效作用位置。通过改变安装参数，比如叶片形状、气流导管等的安装角度等，能够对不同的透平系统进行模拟，因此具有一定普遍适用性。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，包括叶盘系统、驱动装置、气流激振发生装置、激振力测量装置、叶尖定时测振装置和基础台架；其中，

叶盘系统、驱动装置、激振力测量装置、数据采集装置和叶尖定时测振装置均安装在基础台架上，驱动装置以及数据采集装置安装于叶盘系统的同一侧，气流激振发生装置安装于另一侧；

驱动装置用于传递扭矩带动叶盘系统旋转，包括动力源、联轴器以及主轴，动力源的输出端通过联轴器与主轴连接，主轴的两端活动连接在基础台架上；

叶盘系统包括叶片和轮盘，轮盘套装在主轴上，叶片通过铰链以铰接的方式与轮盘两侧的夹块连接，夹块固定于轮盘上，铰链铰轴的安装方向与叶片一阶弯曲振动方向垂直，铰轴穿过铰链的铰座设置；

激振力测量装置包括测杆和动态拉压力传感器，测杆的底部安装在叶片背离气流激振侧的夹块上，测杆与叶片之间沿叶高方向安装有两个动态拉压力传感器，动态拉压力传感器安装方向与铰链安装方向相互垂直，与叶片上一阶弯曲振动方向平行；

叶尖定时测振装置包括四个电涡流位移传感器以及一个转速电涡流位移传感器，其中在叶片上方沿周向安装有四个电涡流位移传感器，在叶盘系统靠驱动装置一侧的主轴上开有一键槽，正对轴上键槽安装有转速电涡流位移传感器；动态拉压力传感器、电涡流位移传感器和转速电涡流位移传感器输出端均与数据采集装置的数据采集器连接，实现数据传输；

气流激振发生装置包括压缩机和导管，气流激振发生装置利用压缩机压缩气流沿导管喷出冲击旋转中的叶片，形成气流激振力。

本发明进一步的改进在于，动力源采用伺服电机，伺服电机通过联轴器带动主轴转动从而传递扭矩。

本发明进一步的改进在于，驱动装置还包括胀紧套，轮盘通过胀紧套套装在主轴上。

本发明进一步的改进在于，在铰座外侧均设有螺母，铰链各接触副材料选取巴氏合金，表面粗糙度Ra值按GB1031-1983标准抛光至0.03及以下，呈镜状光泽表面；铰座侧面设有滴油孔，运行前通入润滑油充分润滑接触副表面；铰链铰轴与铰座采用基孔制配合，公差带代号为Φ10H8。

本发明进一步的改进在于，动态拉压力传感器与测杆之间连接方式为刚性螺纹连接，其靠叶片侧利用柔性杆与叶片上的焊接螺母连接。

本发明进一步的改进在于，基础台架包括固定在地面上的底座以及安装在底座上电机安装台、轴承座和轴承座安装台，动力源安装在电机安装台上，叶盘系统两侧各安装有一轴承座，轴承座通过螺栓固定于轴承座安装台之上，主轴的两端分别套装在两个轴承座上。

本发明进一步的改进在于，数据采集装置还包括套装在主轴上的导电滑环，数据采集装置将动态拉压力传感器引出线与导电滑环相连，导电滑环转子侧与主轴一同转动；动态拉压力传感器引出线连接至导电滑环转子侧，导电滑环定子侧引出接线与数据采集器连接，实现数据传输。

本发明进一步的改进在于，铰链铰轴的安装方向与叶片一阶弯曲振动方向垂直，动态拉压力传感器安装方向与叶片一阶弯曲振动方向平行，联立求解以下力平衡方程与力矩平衡方程，

f_eτ＝f_1τ+f_2τ

f_eτl＝f_1τl₁+f_2τl₂

式中f_1τ与f_2τ分别为两动态力传感器在τ时刻测得的气流激振力大小，l、l₁与l₂为相应的激振力作用叶高和两个传感器安装叶高位置，由此得到τ时刻作用于叶片上的气流激振力沿叶片一阶弯曲振动方向的分量大小f_eτ以及其作用位置。

与现有技术相比，本发明提供的一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，具有如下有益的技术效果：

(1)本发明利用叶片的铰接结构，通过添加润滑油以及控制接触副表面的粗糙度Ra值至0.03或更低，最大程度地削减铰链处的摩擦作用，获得真实的叶片动态受力；(2)利用两个动态拉压力传感器，根据它们的测量结果对叶片建立受力平衡方程以及力矩平衡方程，能够得到动态气流激振力的大小和作用位置；(3)通过动态拉压力传感器可测得叶片受力旋转周期内的动态激振力过程，并且将其与不添加气流激振力时的结果相对比，能够获得完整且准确的气流激振载荷曲线；(4)通过在叶片两侧分别设置测量装置和气流激振发生装置，能够最大程度避免测量装置对气流流场的影响，提高测量结果准确性；(5)传感器靠叶片侧采用柔性杆连接、伺服电机转速可以控制在60转/分钟，能够避免叶片离心力作用产生的径向拉伸对传感器测量结果的影响。

综上所述，本发明在考虑实际旋转叶片在叶片振动测量时无法获得激振力载荷数据的问题的基础上，提出了一种测量旋转叶片所受实际气流激振力的实验装置，能够有效且较准确地测得作用于叶片上振动方向的气流激振力大小及其等效作用位置，同时避免测量装置对气流流场产生扰动影响测量结果准确性。此外，通过将测得的激振力载荷结果施加到叶片有限元振动特性分析模型上，可以分析获得叶片振动频响曲线，和整圈叶片的非接触式振动测量结果相互验证，进一步完善叶片振动数值分析理论模型和叶片非接触式振动测量方法。同时，通过改变诸如气流冲击角度、叶片型式等参数，能够模拟不同透平机组的工况，具有一定普适性。

附图说明

图1是本发明结构整体示意图；

图2是本发明叶盘系统结构示意图；

图3是本发明激振力测量装置示意图；

图4时本发明激振力测量原理示意图；

图5是本发明叶尖定时测振装置示意图；

图6是本发明测得叶片旋转一周周期内气流激振力幅值变化示意图。

附图标记说明：

1-叶片；2-轮盘；3-铰链；4-夹块；5-测杆；6-动态拉压力传感器；7-柔性杆；8-焊接螺母；9-伺服电机；10-联轴器；11-主轴；12-胀紧套；13-电机安装台；14-轴承座；15-轴承座安装台；16-底座；17-电涡流位移传感器；18-转速电涡流位移传感器；19-数据采集器；20-压缩机；21-导管；22-导电滑环。

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，本发明提供的一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，包括叶盘系统、驱动装置、气流激振发生装置、激振力测量与数据采集装置、叶尖定时测振装置和基础台架。驱动装置中伺服电机9通过联轴器10以60转/分钟的转速驱动主轴11转动，主轴11以及轮盘2间利用胀紧套12传递扭矩。主轴11通过两轴承座14支撑，伺服电机9和轴承座14分别安装于电机安装台13以及轴承座安装台15上，两安装台固定于底座16上。当需要引入气流激振力时，打开压缩机20，气流沿导管21喷出冲击到叶盘系统的叶片1上，模拟实际叶片1所受的气流冲击。传感器测得的数据通过导电滑环22传输至数据采集器19。

参见图2，首先对装置中的叶盘系统结构进行介绍。叶盘系统包括叶片1以及轮盘2。为对激振力进行测量，叶片1通过铰链3铰接于夹块4上，轮盘2两侧的夹块4均通过螺栓固定。铰链3通轴的两侧均安装有螺母，限制其沿安装方向的相对滑动。为保证测量结果的精确性，通轴与轴承座之间、轴承座与螺母之间加入润滑油充分润滑，为此轴承座侧面开有滴油孔。铰链3的材料均选用耐磨性较好的巴氏合金，并且接触面均抛光至粗糙度Ra值为0.03或更低，，最大程度地降低铰链的摩擦作用，获得准确的动态气流激振力。铰轴与铰座采用基孔制配合，公差带代号Φ10H8。

参见图3，为装置中的激振力测量装置。动态气流激振力测量系统包括测杆5、动态拉压力传感器6和柔性杆7。工作时，气流作用于叶片1上；另一侧的两个动态拉压力传感器6通过一柔性杆7连接至焊接在叶片1上的焊接螺母8，一方面能够测得垂直于铰链安装方向上的激振力大小，另一方面柔性杆7也能一定程度上防止径向的形变对测量结果的精确性产生影响。动态拉压力传感器6另一端通过螺母固定在安装于夹块4上的测杆5上，下端的接头引出线连接至数据采集装置。测杆5采用铝合金制造、传感器与测杆采用螺纹刚性连接，从而保证获得真实的动态气流激振力。

参见图4，为本发明激振力测量原理示意图。以叶片为分析对象，其于τ时刻在一阶弯曲振动方向上受气流激振力f_eτ以及传感器反作用力f_1τ和f_2τ，沿叶高作用位置分别为l、l₁和l₂，建立力平衡方程以及力矩平衡方程如下：

f_eτ＝f_1τ+f_2τ

f_eτl＝f_1τl₁+f_2τl₂

由此得到τ时刻的气流激振力大小f_eτ及其作用位置l。

参见图5，为装置中的叶尖定时测振装置。对于由同一阻尼围带叶片组成的整圈叶盘系统，正对主轴键槽的位置安装有一转速电涡流位移传感器18，以键槽为标记，转速电涡流位移传感器18发射的激光照射到键槽处便会探测到系统的转速频率信号；而沿周向叶片上方排列有四个电涡流位移传感器17，通过对因叶片1振动产生的信号的超前与滞后进行分析，最终能够得到旋转叶片的振动参数。将测得的激振力载荷施加到叶片有限元振动特性分析模型，进而计算出叶片振动响应位移，将叶尖定时测得振动参数与数值分析结果相对比，验证并完善叶片利用叶尖定时技术处理测量数据的方法。

气流激振发生装置利用压缩机20压缩气流使其沿气流导管21喷出并冲击旋转叶片1，从而使选旋转中的叶片1产生受迫振动；通过改变导管21的出口角度、气流出口速度或是导管形状，能够对具有不同形式的气流激振力进行探究。

为了对本发明一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置进一步了解，现对其操作步骤做一说明。

首先，在完成整个装置的安装后，导管21不通气流，伺服电机9以较低转速驱动轮盘2转动，通过动态拉压力传感器6、导电滑环22和数据采集器19得到数个周期内激振力-时间曲线并取平均值，得到无气流激振力作用时一个周期的激振力-时间曲线。然后打开压缩机20，向导管21中通入气流，利用多个周期的结果平均得到气流作用下旋转叶片一个周期内的气流激振力-时间曲线。将两幅激振力-时间曲线相减能够在一定程度上消除系统误差，由此得到单个周期内的气流激振力-时间关系曲线。进一步，在本发明装置的基础上，将激振力载荷数据施加到叶片振动有限元分析模型，可分析得到实验条件下叶片振动的响应结果。然后换上整圈的叶盘模型，打开伺服电机9以及压缩机20，电机转速、气流流速均与前面步骤相同，利用叶尖定时技术得到整圈叶片的振动参数，通过对比两种结果，进一步完善叶片振动数值分析理论模型和叶片非接触式振动测量方法。

参见图6，由叶片旋转一周周期内气流激振力幅值变化图，通过利用谐波函数拟合的方式得到将该曲线表示为多谐波项之和，得到气流激振力的数值模型。进一步，通过傅里叶变换将多项式由时域转换到频域中，利用谐波平衡法可用于实际叶片的受迫振动有限元数值分析。

Claims (8)

1.一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，其特征在于，包括叶盘系统、驱动装置、气流激振发生装置、激振力测量装置、叶尖定时测振装置和基础台架；其中，

叶盘系统、驱动装置、激振力测量装置、数据采集装置和叶尖定时测振装置均安装在基础台架上，驱动装置以及数据采集装置安装于叶盘系统的同一侧，气流激振发生装置安装于另一侧；

驱动装置用于传递扭矩带动叶盘系统旋转，包括动力源、联轴器(10)以及主轴(11)，动力源的输出端通过联轴器(10)与主轴(11)连接，主轴(11)的两端活动连接在基础台架上；

叶盘系统包括叶片(1)和轮盘(2)，轮盘(2)套装在主轴(11)上，叶片(1)通过铰链(3)以铰接的方式与轮盘(2)两侧的夹块(4)连接，夹块(4)固定于轮盘(2)上，铰链(3)铰轴的安装方向与叶片一阶弯曲振动方向垂直，铰轴穿过铰链(3)的铰座设置；

激振力测量装置包括测杆(5)和动态拉压力传感器(6)，测杆(5)的底部安装在叶片背离气流激振侧的夹块(4)上，测杆(5)与叶片(1)之间沿叶高方向安装有两个动态拉压力传感器(6)，动态拉压力传感器(6)安装方向与铰链(3)安装方向相互垂直，与叶片(1)上一阶弯曲振动方向平行；

叶尖定时测振装置包括四个电涡流位移传感器(17)以及一个转速电涡流位移传感器(18)，其中在叶片(1)上方沿周向安装有四个电涡流位移传感器(17)，在叶盘系统靠驱动装置一侧的主轴(11)上开有一键槽，正对轴上键槽安装有转速电涡流位移传感器(18)；动态拉压力传感器(6)、电涡流位移传感器(17)和转速电涡流位移传感器(18)输出端均与数据采集装置的数据采集器(19)连接，实现数据传输；

气流激振发生装置包括压缩机(20)和导管(21)，气流激振发生装置利用压缩机(20)压缩气流沿导管(21)喷出冲击旋转中的叶片(1)，形成气流激振力。

2.根据权利要求1所述的一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，其特征在于，动力源采用伺服电机(9)，伺服电机(9)通过联轴器(10)带动主轴(11)转动从而传递扭矩。

3.根据权利要求1所述的一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，其特征在于，驱动装置还包括胀紧套(12)，轮盘(2)通过胀紧套(12)套装在主轴(11)上。

4.根据权利要求1所述的一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，其特征在于，在铰座外侧均设有螺母，铰链(3)各接触副材料选取巴氏合金，表面粗糙度Ra值按GB1031-1983标准抛光至0.03及以下，呈镜状光泽表面；铰座侧面设有滴油孔，运行前通入润滑油充分润滑接触副表面；铰链(3)铰轴与铰座采用基孔制配合，公差带代号为Φ10H8。

5.根据权利要求1所述的一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，其特征在于，动态拉压力传感器(6)与测杆(5)之间连接方式为刚性螺纹连接，其靠叶片侧利用柔性杆(7)与叶片(1)上的焊接螺母(8)连接。

6.根据权利要求1所述的一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，其特征在于，基础台架包括固定在地面上的底座(16)以及安装在底座(16)上电机安装台(13)、轴承座(14)和轴承座安装台(15)，动力源安装在电机安装台(13)上，叶盘系统两侧各安装有一轴承座(14)，轴承座(14)通过螺栓固定于轴承座安装台(15)之上，主轴(11)的两端分别套装在两个轴承座(14)上。

7.根据权利要求1所述的一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，其特征在于，数据采集装置还包括套装在主轴(11)上的导电滑环(22)，数据采集装置将动态拉压力传感器(6)引出线与导电滑环(22)相连，导电滑环(22)转子侧与主轴(11)一同转动；动态拉压力传感器(6)引出线连接至导电滑环(22)转子侧，导电滑环(22)定子侧引出接线与数据采集器(19)连接，实现数据传输。

8.根据权利要求1所述的一种透平叶片旋转动态气流激振力测量装置，其特征在于，铰链(3)铰轴的安装方向与叶片一阶弯曲振动方向垂直，动态拉压力传感器(6)安装方向与叶片一阶弯曲振动方向平行，联立求解以下力平衡方程与力矩平衡方程，

f_eτ＝f_1τ+f_2τ

f_eτl＝f_1τl₁+f_2τl₂

式中f_1τ与f_2τ分别为两动态力传感器在τ时刻测得的气流激振力大小，l、l₁与l₂为相应的激振力作用叶高和两个传感器安装叶高位置，由此得到τ时刻作用于叶片上的气流激振力沿叶片一阶弯曲振动方向的分量大小f_eτ以及其作用位置。