CN110672292B - 一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，包括阻尼叶盘系统、电磁激振装置和测振装置等；不同于传统直板叶片，本发明提供的阻尼叶盘系统的叶片由实际阻尼叶片按照相似准则模化而来，改变电磁激振装置安装个数和加载电流方式，对不同节径数进行轮系振动；为避免阻尼叶片叶顶的阻尼围带对测量结果造成干扰，调整位移传感器安装位置，并通过数据计算获得真实振动特征参数。本发明所测结果能够较准确地反映真实阻尼叶片的振动特性，并且能够对具有不同阻尼结构、不同形状、不同参数的阻尼叶片进行测量，为进一步研究阻尼叶片的模态特性以及阻尼减振特性提供有力工具。

Description

一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置
技术领域
本发明属于试验装置技术领域，具体涉及一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置。
背景技术
透平机械是一种通过旋转叶片与流体相互作用来进行能量转换的动力机械，其旋转叶片易在气流冲击下产生受迫振动，在某些特定频率的气流冲击下叶片共振幅值较大，易引发叶片高周疲劳失效甚至断裂，威胁到整个透平机组的安全。为了对这种叶片受迫振动现象进行研究，设计人员常利用旋转叶片试验台对透平叶片的振动参数进行测量，从而对叶片的振动特性、模态特性等进行研究，为设计具有更佳减振性能的透平叶片提供试验参考数据。
为削减透平叶片的共振幅值，提升设备安全性，工程实际中设计人员常使用诸如缘板阻尼、阻尼围带等各类摩擦阻尼件来削减叶片振动幅值，这些阻尼结构的非线性特性使得本就复杂的叶片振动研究更加困难。并且以往的旋转叶片振动测量试验台多为直板叶片试验台，不具备对这种具有复杂阻尼结构的阻尼叶片振动进行测量的结构和方法，获得的实验数据参考价值有限。此外，由于阻尼围带的存在，在目标频率区间内传统的用于旋转叶片振动测量的叶尖定时测振方法也难以测得明显的阻尼叶片振动信号。因此，有必要设计一种能够有效测得实际旋转阻尼叶片的振动信号的装置以及测振方法，为实际阻尼叶片振动研究以及数值计算提供参考，有利于进一步验证并完善阻尼叶片振动理论。
发明内容
本发明的目的在于针对目前实际旋转阻尼叶片振动信号测定试验装置的缺乏，提供了一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，其激振方式为永磁铁激振，通过安装的光纤传感器监测叶片振动以及转速变化情况。以叶尖定时测振算法为基础，最终能够有效测得实际旋转阻尼叶片的模态及阻尼减振特性，为进一步研究实际阻尼叶片的振动特性提供有力工具。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，包括基础台架、驱动与传动装置、阻尼叶盘系统、测量台架、电磁激振装置以及测振装置；其中，
驱动与传动装置和测量台架在基础台架上，驱动与传动装置用于带动阻尼叶盘系统旋转；电磁激振装置和测振装置安装在测量台架上；
阻尼叶盘系统包括阻尼叶片、缘板阻尼块和轮盘，阻尼叶片顶部设置有阻尼围带，叶根为枞树形，采用导磁材料制成；阻尼叶片沿轴向安装到轮盘上，轮盘上开槽，槽内在每相邻两个阻尼叶片之间安装有缘板阻尼块；轮盘中心部分开设有圆台状的安装孔，用以将轮盘安装在驱动与传动装置的输出端上；
测量台架包括测量架和刻度盘，测量架安装在基础台架上，刻度盘安装在测量架上，其上的刻度确定各器件的安装角度，刻度盘上开设有螺孔，用于安装电磁激振装置，刻度盘上开设有螺孔，用于安装电磁激振装置；
电磁激振装置和测振装置均安装在测量架上，电磁激振装置由一绕有线圈的永磁铁构成，在线圈中通入直流电能够强化磁场永磁铁产生的磁场，进而对旋转叶片产生作用力；
测振装置包括通过传感器安装架固定在测量架上的多个光纤位移传感器以及1个转速光纤位移传感器，转速光纤位移传感器用于测定驱动与传动装置的输出端转速，多个光纤位移传感器用于测量叶片到达时间。
本发明进一步的改进在于，基础台架包括底部支架、试验平台、电机座、轴承座以及安装在外部的防护罩，试验平台安装在底部支架，试验平台上开设有槽孔，用于安装电机座、轴承座以及防护罩。
本发明进一步的改进在于，驱动与传动装置包括伺服电机、联轴器、主轴和径向轴承；伺服电机通过联轴器传递扭矩带动主轴转动，主轴由安装在轴承座上的两个径向轴承支撑，主轴远离伺服电机侧轴端悬空放置，为输出端。
本发明进一步的改进在于，阻尼叶片首先采用几何相似方法由一实际阻尼围带叶片近似模化，叶片各部分对应长度比值为常数ml，对应角度相等；对于叶盘系统，有振动方程：
Figure BDA0002229898800000031
式中M、C、K分别为系统的质量矩阵、粘性阻尼矩阵和刚度矩阵；
Figure BDA0002229898800000035
为作用于围带、缘板阻尼块摩擦阻尼件处的非线性摩擦力项；f(t)为外部激振力项；将该式通过傅里叶变换离散为以下谐波项系数之和的形式：
(Mω2r2+Cωr+K)A+G＝F (2)
式中ω为系统旋转角速度；r为谐波阶次，对于特定的谐波项其为一常数；A为振动位移幅值向量；将摩擦力系数向量F与激振力系数向量G合并为一项E，则方程中每一项都满足下关系式：
A＝f(m,c,k,ω,E) (3)
根据泊金汉Π原理，选取m,ω,E作为重复变量，得到以下量纲为一的表示式：
Figure BDA0002229898800000032
根据动力相似准则，对于模型与实际叶片这两个量纲为一的组合量应该分别相等，即：
Figure BDA0002229898800000033
下标m表示模型叶片的参数，p表示实际叶片的参数；另外考虑到
Figure BDA0002229898800000034
由此得到转速ω、阻尼系数c、刚度系数k、密度ρ、激振力大小f与尺寸比例常数ml之间的关系。
本发明进一步的改进在于，叶片激振方法为：假设需要测量叶片的m节径的振动特性，则在整圈测量架上安装m个永磁铁，设当前叶片转速为n，则永磁铁对叶片产生的激振基频为n/60Hz，则整圈m个永磁铁对叶片的激振频率为nj/60Hz，通过扫频实现对叶片m节径振动特性的测量。
本发明进一步的改进在于，主轴的输出端开始有键槽，转速光纤位移传感器正对主轴上的键槽设置；
传感器安装架具有不同的型式，针对具有阻尼围带的叶片，利用可拆卸的侧面安装架安装光纤位移传感器；对于没有叶顶围带的阻尼叶片，则将光纤位移传感器安装在传感器安装架上；传感器安装架能够在一定范围内任意改变安装角度，适应不同的测量需求；侧面安装架上刻有刻度，便于确定安装在侧面的光纤位移传感器在同一径向高度上；测得叶片振动位移的修正方法为：假设叶片弯曲振动方向与叶盘周向的夹角为θ1，光纤位移传感器测量振动方向即偏向于与叶片弯曲振动相垂直的方向与叶盘轴向的夹角为θ2，则实际测得振动位移L1与叶片真实位移L2的关系由三角形正弦定理可得：
Figure BDA0002229898800000041
本发明进一步的改进在于，防护罩在位于伺服电机侧的防护板能够拆卸，两侧及顶部防护板上安装有防弹玻璃。
本发明进一步的改进在于，主轴上有一圆台状的叶盘安装台，用于安装阻尼叶盘；在主轴叶盘安装侧轴端处开设有螺纹，用于旋入螺母以固定叶盘并使得主轴与叶盘之间能够顺利传递扭矩；在主轴靠径向轴承侧开设有键槽，用于测定主轴转速，提供参考信号。
本发明进一步的改进在于，测振装置还包括数据采集器，光纤位移传感器以及转速光纤位移传感器采集到的信号输出至外部的数据采集器，利用叶尖定时测振原理分析阻尼叶片振动信号。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，其优点在于：
(1)本发明的阻尼叶片按照几何相似原则由实际阻尼叶片模化而来，能够对实际阻尼叶片的振动特性进行有效探究；(2)通过在阻尼叶盘侧面安装光纤位移传感器，本发明能够有效规避传统叶尖定时测振法难以测得明显的阻尼围带叶片振动信号的缺点，提高测量结果准确性；(3)通过改变电磁激振装置安装的数目，能够模拟叶盘系统产生的不同节径数的振动；(4)通过改变光纤位移传感器沿径向的安装位置或者在一个侧面安装架上同时安装多个光纤位移传感器，能够测量阻尼叶片上不同叶高各点的振动信号，即能够对阻尼叶片的高阶弯曲振动进行测量。
综上所述，本发明在考虑目前实际旋转阻尼叶片振动信号测定试验装置的匮乏的问题的基础上，提出了一种考虑缘板阻尼和阻尼围带的旋转阻尼叶片模化试验装置，能够有效且较准确地测得实际阻尼叶片的振动信号，并且可以对处于不同整圈叶盘振型下的阻尼叶片振动特点进行探究，有助于进一步验证并完善阻尼叶片振动理论，为进一步研究实际阻尼叶片的振动特性提供有力工具。
附图说明
图1是本发明结构整体示意图；
图2是本发明驱动与传动装置结构示意图；
图3时本发明阻尼叶盘系统结构示意图；
图4是本发明缘板阻尼块安装示意图；
图5是本发明测量台架、电磁激振装置以及测振装置安装示意图。
附图标记说明：
1-底部支架；2-试验平台；3-电机座；4-轴承座；5-防护罩；6-槽孔；7-伺服电机；8-联轴器；9-主轴；10-径向轴承；11-阻尼叶片；12-缘板阻尼块；13-轮盘；14-阻尼围带；15-安装孔；16-测量架；17-刻度盘；18-螺孔；19-永磁铁；20-光纤位移传感器；21-转速光纤位移传感器；22-传感器安装架；23-侧面安装架；24-防护板；25-防弹玻璃；26-叶盘安装台；27-螺纹；28-键槽；29-磁铁安装架。
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，本发明提供的一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，针对具有阻尼围带、缘板阻尼等复杂阻尼结构的扭转阻尼叶片，采用本发明中的激振及测振方式获得阻尼叶片振动参数，包括基础台架、驱动与传动装置、阻尼叶盘系统、测量台架、电磁激振装置以及测振装置。其中，基础台架包括底部支架1、试验平台2、电机座3、轴承座4以及防护罩5。试验平台2安装在底部支架1上，试验平台2上开设有槽孔6，电机座3、轴承座4、防护罩5均利用安装在槽孔6处的螺母与螺栓固定在试验平台2上，同时防护罩5靠电机侧安装有一可拆卸的防护板24，保证安全的同时便于安装调整器件。防护罩5两侧及顶部装有防弹玻璃25，用于实时监测装置运行情况。
参见图2，为本发明驱动与传动装置结构示意图。装置主要包括伺服电机7、联轴器8以及主轴9。安装在电机座3上的伺服电机7通过联轴器8直联驱动主轴9旋转，主轴9由安装在轴承座4上的两个径向轴承10支撑，主轴9远离伺服电机7侧轴端悬空放置，主轴9上有一圆台状的叶盘安装台26，安装时轮盘13由轴端处装入并固定在叶盘安装台26上。主轴9在叶盘安装台26外侧开设有螺纹27，从此处旋进螺母来固定轮盘13；另一侧在径向轴承10与轮盘13之间开设有键槽28，用于监测主轴9的转速，进而为叶片振动测量提供参考信号。
参见图3，为本发明阻尼叶盘系统结构示意图。系统主要由轮盘13、阻尼叶片11以及缘板阻尼块12构成。阻尼叶片11顶部设置有阻尼围带14，叶根为枞树形，采用导磁材料制成。阻尼叶片11采用几何相似方法由一实际阻尼围带叶片近似模化，设结构尺寸比例常数为ml。轮盘上开设有圆台状的安装孔15，与叶盘安装台26配合传递扭矩。整圈共装有20个阻尼叶片11，参见图4，在每两个阻尼叶片11之间安装有一个缘板阻尼块12，静止时阻尼叶片11与缘板阻尼块12之间不接触，当系统运转时，阻尼叶片11发生变形，两者之间产生干摩擦阻尼作用，耗散振动能量进而削减叶片振动幅值。每个阻尼叶片11顶部都装有阻尼围带14，静止时阻尼围带14彼此之间不发生接触，运行时阻尼叶片11在离心力作用下产生的扭转恢复作用使得摩擦面相互接触，同样产生干摩擦阻尼作用削减叶片振幅。
其中，阻尼叶片11首先采用几何相似方法由一实际阻尼围带叶片近似模化，叶片各部分对应长度比值为常数ml，对应角度相等；对于叶盘系统，有振动方程：
Figure BDA0002229898800000071
式中M、C、K分别为系统的质量矩阵、粘性阻尼矩阵和刚度矩阵；
Figure BDA0002229898800000075
为作用于围带、缘板阻尼块摩擦阻尼件处的非线性摩擦力项；f(t)为外部激振力项；将该式通过傅里叶变换离散为以下谐波项系数之和的形式：
(Mω2r2+Cωr+K)A+G＝F (2)
式中ω为系统旋转角速度；r为谐波阶次，对于特定的谐波项其为一常数；A为振动位移幅值向量；将摩擦力系数向量F与激振力系数向量G合并为一项E，则方程中每一项都满足下关系式：
A＝f(m,c,k,ω,E) (3)
根据泊金汉Π原理，选取m,ω,E作为重复变量，得到以下量纲为一的表示式：
Figure BDA0002229898800000072
根据动力相似准则，对于模型与实际叶片这两个量纲为一的组合量应该分别相等，即：
Figure BDA0002229898800000073
下标m表示模型叶片的参数，p表示实际叶片的参数。另外考虑到
Figure BDA0002229898800000074
由此得到转速ω、阻尼系数c、刚度系数k、密度ρ、激振力大小f与尺寸比例常数ml之间的关系。当实际情况下无法实现严格的完全相似时，可视具体情况选择部分主要准则数相等，即按照部分相似的原则进行叶片模化。
参见图5，为本发明测量台架、电磁激振装置以及测振装置安装示意图。电磁激振装置、测振装置均利用螺母、螺栓以及相应安装架固定在测量台架上，其安装位置能够在一定范围内适当调整。
测量台架主要包含测量架16以及刻度盘17。测量架16利用螺母及螺栓固定在试验平台2的槽孔6上，刻度盘17安装在测量架16靠近轮盘13一侧，上开设有用于安装电磁激振装置的螺孔18，测量架16以及刻度盘17上开设有环形槽，便于改变传感器的安装位置。
电磁激振装置包括永磁铁19以及磁铁安装架29。永磁铁19利用螺母和螺栓固定在磁铁安装架29上，磁铁安装架29固定在测量架16上。永磁铁19前段绕有线圈，运行时线圈通入电流大小稳定的直流电，增强永磁铁19产生的磁场作用力。叶片激振方法为：假设需要测量叶片的m节径的振动特性，则需要在整圈测量架16上安装m个永磁铁19，设当前叶片转速为n，则永磁铁19对叶片产生的激振基频为n/60Hz，则整圈m个永磁铁19对叶片的激振频率为nj/60Hz，通过扫频实现对叶片m节径振动特性的测量。
测振装置结构共包含4个光纤位移传感器20以及一个转速光纤位移传感器21。转速光纤位移传感器21安装在叶片顶部，正对主轴9上的键槽27，用于监测主轴转速；考虑到叶顶设置有阻尼围带14，光纤位移传感器20利用侧面安装架23安装在测量架16外侧，用于监测叶片振动信号，其安装高度可调。对于某个叶片，利用由主轴9转速计算出的应到时间与由光纤位移传感器20监测到的实际到达时间之差，结合叶尖定时算法进行计算进而得到阻尼叶片的振动特性、模态特性以及阻尼减振特性或其他感兴趣的特征。测得叶片振动位移的修正方法为：假设叶片弯曲振动方向与叶盘周向的夹角为θ1，光纤位移传感器21测量振动方向(即偏向于与叶片弯曲振动相垂直的方向)与叶盘轴向的夹角为θ2，则实际测得振动位移L1与叶片真实位移L2的关系由三角形正弦定理可得：
Figure BDA0002229898800000091
光纤位移传感器20以及转速光纤位移传感器21采集到的信号输出至外部的数据采集器，利用叶尖定时测振原理分析阻尼叶片振动信号。
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，将试验平台2安装固定在底部支架1上，并利用螺母与螺栓安装防护罩5、电机座3、轴承座4。然后装上伺服电机7，通过联轴器8联结主轴9并利用径向轴承10固定，再套入轮盘13并拧紧螺母。在轮盘13上按照嵌入阻尼叶片11、安装缘板阻尼块12、再嵌入下一个阻尼叶片11的方式完成20个阻尼叶片11和缘板阻尼块12的安装，并从轴上螺纹27侧旋入螺母固定住整个叶盘系统。然后安装测量架16，并安装上测振装置以及电磁激振装置。对于测振装置，固定在传感器安装架22上的转速光纤位移传感器21需正对轴上键槽28；考虑到叶顶阻尼围带对测量会产生干扰，光纤位移传感器20通过侧面安装架23固定在阻尼叶盘系统侧面以监测叶片振动。完成安装后盖上防护罩5并打开伺服电机7带动主轴9与阻尼叶盘系统转动，待转速稳定启动电磁激振装置，阻尼叶片11在激振装置作用下产生振动。利用光纤位移传感器20测得的各阻尼叶片11到达时间，再结合转速光纤位移传感器21测得的应到时间，利用叶尖定时算法处理数据即可得到阻尼叶片11振动参数。

Claims (6)

1.一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，其特征在于，包括基础台架、驱动与传动装置、阻尼叶盘系统、测量台架、电磁激振装置以及测振装置；其中，
驱动与传动装置和测量台架在基础台架上，驱动与传动装置用于带动阻尼叶盘系统旋转；电磁激振装置和测振装置安装在测量台架上；
阻尼叶盘系统包括阻尼叶片(11)、缘板阻尼块(12)和轮盘(13)，阻尼叶片(11)顶部设置有阻尼围带(14)，叶根为枞树形，采用导磁材料制成；阻尼叶片(11)沿轴向安装到轮盘(13)上，轮盘(13)上开槽，槽内在每相邻两个阻尼叶片(11)之间安装有缘板阻尼块(12)；轮盘(13)中心部分开设有圆台状的安装孔(15)，用以将轮盘(13)安装在驱动与传动装置的输出端上；
测量台架包括测量架(16)和刻度盘(17)，测量架(16)安装在基础台架上，刻度盘(17)安装在测量架(16)上，其上的刻度确定各器件的安装角度，刻度盘(17)上开设有螺孔(18)，用于安装电磁激振装置；
电磁激振装置和测振装置均安装在测量架(16)上，电磁激振装置由一绕有线圈的永磁铁(19)构成，在线圈中通入直流电能够强化磁场永磁铁(19)产生的磁场，进而对旋转叶片产生作用力；
测振装置包括通过传感器安装架(22)固定在测量架(16)上的多个光纤位移传感器(20)以及1个转速光纤位移传感器(21)，转速光纤位移传感器(21)用于测定驱动与传动装置的输出端转速，多个光纤位移传感器(20)用于测量叶片到达时间；
基础台架包括底部支架(1)、试验平台(2)、电机座(3)、轴承座(4)以及安装在外部的防护罩(5)，试验平台(2)安装在底部支架(1)，试验平台(2)上开设有槽孔(6)，用于安装电机座(3)、轴承座(4)以及防护罩(5)；
驱动与传动装置包括伺服电机(7)、联轴器(8)、主轴(9)和径向轴承(10)；伺服电机(7)通过联轴器(8)传递扭矩带动主轴(9)转动，主轴(9)由安装在轴承座(4)上的两个径向轴承(10)支撑，主轴(9)远离伺服电机(7)侧轴端悬空放置，为输出端；
主轴(9)的输出端开始有键槽，转速光纤位移传感器(21)正对主轴(9)上的键槽设置；传感器安装架(22)具有不同的型式，针对具有阻尼围带的叶片，利用可拆卸的侧面安装架(23)安装光纤位移传感器(21)；对于没有叶顶围带的阻尼叶片，则将光纤位移传感器(20)安装在传感器安装架(22)上；传感器安装架(22)能够在一定范围内任意改变安装角度，适应不同的测量需求；侧面安装架(23)上刻有刻度，便于确定安装在侧面的光纤位移传感器(20)在同一径向高度上；测得叶片振动位移的修正方法为：假设叶片弯曲振动方向与叶盘周向的夹角为θ1，光纤位移传感器(21)测量振动方向即偏向于与叶片弯曲振动相垂直的方向与叶盘轴向的夹角为θ2，则实际测得振动位移L1与叶片真实位移L2的关系由三角形正弦定理可得：
Figure FDA0002692700680000021
2.根据权利要求1所述的一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，其特征在于，阻尼叶片(11)首先采用几何相似方法由一实际阻尼围带叶片近似模化，叶片各部分对应长度比值为常数ml，对应角度相等；对于叶盘系统，有振动方程：
Figure FDA0002692700680000022
式中M、C、K分别为系统的质量矩阵、粘性阻尼矩阵和刚度矩阵；
Figure FDA0002692700680000023
为作用于围带、缘板阻尼块摩擦阻尼件处的非线性摩擦力项；f(t)为外部激振力项；将该式通过傅里叶变换离散为以下谐波项系数之和的形式：
(Mω2r2+Cωr+K)A+G＝F (3)
式中ω为系统旋转角速度；r为谐波阶次，对于特定的谐波项其为一常数；A为振动位移幅值向量；将摩擦力系数向量F与激振力系数向量G合并为一项E，则方程中每一项都满足下关系式：
A＝f(m,c,k,ω,E) (4)
根据泊金汉Π原理，选取m,ω,E作为重复变量，得到以下量纲为一的表示式：
Figure FDA0002692700680000031
根据动力相似准则，对于模型与实际叶片这两个量纲为一的组合量应该分别相等，即：
Figure FDA0002692700680000032
下标m表示模型叶片的参数，p表示实际叶片的参数；另外考虑到
Figure FDA0002692700680000033
由此得到转速ω、阻尼系数c、刚度系数k、密度ρ、激振力大小f与尺寸比例常数ml之间的关系。
3.根据权利要求1所述的一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，其特征在于，叶片激振方法为：假设需要测量叶片的m节径的振动特性，则在整圈测量架(16)上安装m个永磁铁(19)，设当前叶片转速为n，则永磁铁(19)对叶片产生的激振基频为n/60Hz，则整圈m个永磁铁(19)对叶片的激振频率为nj/60Hz，通过扫频实现对叶片m节径振动特性的测量。
4.根据权利要求1所述的一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，其特征在于，防护罩(5)在位于伺服电机(7)侧的防护板(24)能够拆卸，两侧及顶部防护板(24)上安装有防弹玻璃(25)。
5.根据权利要求1所述的一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，其特征在于，主轴(9)上有一圆台状的叶盘安装台(26)，用于安装阻尼叶盘；在主轴(9)叶盘安装侧轴端处开设有螺纹(27)，用于旋入螺母以固定叶盘并使得主轴(9)与叶盘之间能够顺利传递扭矩；在主轴(9)靠径向轴承(10)侧开设有键槽(28)，用于测定主轴(9)转速，提供参考信号。
6.根据权利要求1所述的一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置，其特征在于，测振装置还包括数据采集器，光纤位移传感器(20)以及转速光纤位移传感器(21)采集到的信号输出至外部的数据采集器，利用叶尖定时测振原理分析阻尼叶片振动信号。
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