CN113588188B - 涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，包括阻尼叶片模拟及夹持子系统、扭转作动子系统、振动激励子系统。阻尼叶片模拟及夹持子系统包括整圈分布的摇杆、叶身模拟件和围带；叶身模拟件一端固定围带，另一端与摇杆垂直连接；扭转作动子系统包括旋转中心轴、旋转盘和外伸拨动杆，外伸拨动杆用于在旋转盘旋转时拨动摇杆，进而带动叶身模拟件扭转，相邻叶身模拟件之间的接触力形成反向扭矩与外伸拨动杆的力矩相平衡；振动激励子系统与围带连接，用于向围带输入振动激励，使得与围带相连的整圈叶身模拟件振动。本发明可以对涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性进行模拟。

Description

涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置

技术领域

本发明属于涡轮机阻尼叶片结构特性设计研究领域，更具体地，涉及一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置。

背景技术

涡轮机叶片振动是现代大型涡轮机运行过程中常见的现象，也是导致叶片失效和涡轮机故障的重要原因之一。涡轮机叶片越长，其刚性越差，越容易发生失控振动。

为了抑制叶片的振动幅值，一般将叶片上的拉筋或者围带设计成某种摩擦阻尼结构，叶片在振动时相邻阻尼结构通过挤压摩擦的方式消耗振动能量，从而降低甚至消除振动幅值。

带有一定阻尼结构的叶片已经广泛应用于涡轮机，但是其阻尼特性以及整圈振动特性与阻尼之间的关系还处于边实践、边研究的阶段，由于非线性问题和影响因素较多，还有很多未知的地方。比如对于扭叶片，其在高速旋转时导致的离心力将迫使叶片产生恢复为直叶片的趋势，使扭叶片拉筋和围带间挤压力更强，这二者之间的估算方法还不清楚；另外，叶片制造和安装过程中难以保证所有叶片均处于理想位置且每一个叶片外形完全一致，制造、安装导致的偏差以及长期运行后磨损导致的非均匀间隙分布等因素给叶片振动阻尼效应的影响等仍然存在有待进一步研究的地方；同时，因为围带阻尼对、拉筋阻尼对或者拉筋与拉筋孔壁之间的接触、碰撞和挤压运动并不是线性的问题，具有复杂的非线性特性；对于整圈叶片而言，众多的接触对也给采用数值分析方式分析研究带来不利影响；最后，是实际涡轮机造价昂贵、验费用高，目前在旋转状态下测量叶片与叶片之间的作用力在技术上也存在较大的困难。

目前的阻尼叶片研究中，理论方面的研究主要注重机理性，难以考虑叶片制造公差等实际因素；实验方面的研究主要集中于单支或者两支叶片之间，难以设置合理的接近工程实际条件的边界条件，难以模拟一个阻尼接触对对周围其它阻尼接触对的影响。

由此可见，现有相关研究存在难以对涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性进行模拟、实验费用高、操作过程复杂的技术问题。

发明内容

针对现有以上技术方面的缺陷，本发明提供了一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，可由此解决现有技术存在难以对涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性进行模拟、实验费用高、操作过程复杂的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，包括：阻尼叶片模拟及夹持子系统、扭转作动子系统、振动激励子系统；

所述阻尼叶片模拟及夹持子系统包括：整圈分布的摇杆、叶身模拟件和围带；所述叶身模拟件一端穿过围带上的通孔并固定，另一端与摇杆垂直连接，所述叶身模拟件可模拟涡轮机叶片叶身部分刚度、质量分布；

所述扭转作动子系统包括旋转中心轴、旋转盘和外伸拨动杆，所述旋转盘与旋转中心轴相互固定，所述外伸拨动杆与旋转盘固定，并均布在旋转盘外端周向，摇杆上部固定于相邻外伸拨动杆之间，所述外伸拨动杆用于在旋转盘旋转时拨动摇杆，从而带动叶身模拟件扭转，相邻叶身模拟件之间的接触作用力形成反向扭矩与外伸拨动杆的力矩相平衡；

所述振动激励子系统与围带连接，用于向围带输入振动激励，使得与围带相连的整圈叶身模拟件振动。

进一步地，所述阻尼叶片模拟及夹持子系统还包括：内侧弹簧、外侧弹簧、内侧拉筋和外侧拉筋，所述内侧弹簧、内侧拉筋、外侧弹簧和外侧拉筋从靠近摇杆一端至靠近围带一端依次分布在叶身模拟件上，用于模拟涡轮机实际运行时内侧拉筋和外侧拉筋产生的离心力。

进一步地，所述阻尼叶片及夹持模拟子系统还包括：限位柱，所述限位柱位于叶身模拟件上，用于限定叶身模拟件的轴向移动。

进一步地，所述装置还包括基座平台，用于固定阻尼叶片模拟及夹持子系统和扭转作动子系统。

进一步地，所述基座平台包括主基座和固定孔座，

所述固定孔座位于主基座上部，所述主基座内部为空心结构，外形为六面体或者圆柱体，其顶面中心和底面中心具有通孔，用于安装旋转中心轴；固定孔座是圆筒形结构，其侧壁圆周方向布置有通孔，用于安装叶身模拟件，限定叶身模拟件移动。

进一步地，所述基座平台还包括可动孔座，

所述可动孔座位于固定孔座上方，可动孔座盖装在叶身模拟件上部，夹在内侧拉筋和外侧弹簧之间，将外侧弹簧的弹力通过可动孔座传递至固定孔座上。

进一步地，所述内侧弹簧位于固定孔座通孔和内侧拉筋之间。

进一步地，所述装置还包括电涡流位移传感器和信号采集器，

所述电涡流位移传感器与围带连接，用于检测叶片整圈的振动状态，输出模拟电信号；

所述信号采集器，用于采集模拟电信号后进行数字化处理，输出数字信号。

进一步地，所述振动激励子系统包括激振器和功率放大器。

所述功率放大器，用于将电信号放大后，驱动激振器；

所述激振器与围带连接，用于向围带输入振动激励，使得与围带相连的整圈叶身模拟件振动。

进一步地，所述装置还包括处理器，所述处理器用于连接采集器获取数字信号及处理，并生成振动激励信号输出给功率放大器，控制功率放大器按照预定的频率和幅值放大电信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明中将叶身模拟件作为模化后的涡轮机叶片，且叶片是整圈分布的，叶片阻尼产生作用主要原因是相邻叶片形成的接触面(包括围带和拉筋)在压紧力作用下的摩擦滑动耗能效应。其中，压紧力主要来自于高速旋转的扭叶片在自身离心力作用下扭转变形，为抵抗这种变形而产生了接触面相互作用。这种接触面相互作用具有整圈互锁的特性，一个接触对出现磨损间隙变大，则该接触对所属叶片会在一定程度自由变形，会使得附近数个接触对接触力发生松弛。单一叶片是难以模拟整圈的效应和影响因素的，而本发明装置可以模拟整圈叶片振动特性和阻尼特性。按照力学理论，1kg质量在1m半径下每分钟3000转的转速将产生约1000kg的离心力，现有技术采用重物模拟离心力具有相当的操作难度。本发明中外伸拨动杆用于在旋转盘旋转时拨动摇杆，从而带动叶身模拟件直接扭转，采用加载叶片扭矩的方式模拟离心力产生的叶片变形恢复力，更加方便操作。

(2)本发明中叶身模拟件上依次分布内侧弹簧、外侧弹簧、内侧拉筋和外侧拉筋，用于模拟涡轮机实际运行时内侧拉筋和外侧拉筋产生的离心力，能够在实验室较好模拟涡轮机带阻尼拉筋对叶片整圈振动特性和阻尼特性的影响，为探究涡轮机拉筋间接触力、拉筋与叶身模拟件、预扭力与振动特性等现象之间联系和相互影响机理研究提供实验支持，有效避免在真实涡轮机转子转动条件下做整圈预扭叶栅实验的高成本、高难度等问题。本发明采用弹簧对穿孔阻尼拉筋进行研究；扭矩是对离心力导致的叶片变形本身的模拟。与现有技术中采用钢丝拉载荷的方式模拟离心力不同，采用钢丝不适合穿孔阻尼拉筋。

(3)本发明基座平台除了固定和支撑作用，还具有限定叶身模拟件移动的功能，可动孔座盖装在叶身模拟件上部，夹在内侧拉筋和外侧弹簧之间，将外侧弹簧的弹力通过可动孔座传递至固定孔座上，内侧弹簧位于固定孔座通孔和内侧拉筋之间，用以模拟涡轮机实际运行时内侧拉筋产生的离心力，实现叶片不同部分质量离心力效果的探究。

(4)本发明中激振器可作为激励源激发工作件的振动，功率放大器可以驱动激振器，电涡流位移传感器可以检测工作件的振动状态，信号采集器可以将信号数字化，便于处理器识别，处理器还可以控制功率放大器按照预定的频率和幅值放大电信号，因此，本发明中振动激励子系统可以输入不同的振动激励，从而得到不同输入频率和幅值下围带的整圈叶片振动特性，这也说明本发明在模拟过程中能够方便快速地改变实验条件。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置的等轴视图；

图2是本发明实施例提供的基座平台的等轴视图；

图3是本发明实施例提供的基座平台的正视剖面图；

图4是本发明实施例提供的阻尼叶片模拟及夹持子系统的等轴视图；

图5是本发明实施例提供的扭转作动装置模块的等轴视图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为基座平台，2为主基座，3为固定孔座，4为固定孔座通孔，5为可动孔座，6为扭转作动子系统，7为旋转中心轴，8为旋转盘，9为外伸拨动杆，10为阻尼叶片模拟及夹持子系统，11为摇杆，12为叶身模拟件，13为限位柱，14为内侧弹簧，15为外侧弹簧，16为内侧拉筋，17为外侧拉筋，18为围带，19为振动激励子系统，20为激振器，21为副基座连接板，22为副基座，23为数据采集子系统，24为电涡流位移传感器，25为功率放大器，26为信号采集器，27为处理器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置由基座平台1、阻尼叶片模拟及夹持子系统10、扭转作动子系统6、振动激励子系统19、数据采集子系统23等几个部分组成。

如图2和3所示，基座平台1包括主基座2、固定孔座3、可动孔座5。可动孔座5与固定孔座3通过一般机械方式平面固定，使可动孔座5能够实现自动定心。主基座2上部安装有固定孔座3，主基座2和固定孔座3之间通过一般紧固方式(如销钉或卡槽)相互水平面内限定、垂直方向可拆除；所述主基座2内部为空心结构，外形为六面体或者圆柱体，其顶面中心和底面中心具有通孔，用于安装旋转中心轴7；固定孔座3是圆筒形结构，其侧壁圆周方向布置有通孔，用于安装和限定阻尼叶片移动；固定孔座3上方固定有可动孔座5，二者之间也通过一般紧固方式(如销钉或卡槽)水平面内限定、垂直方向可拆除，可动孔座5侧壁圆周方向布置有半开口的通孔，便于垂直方向拆除；所述主基座2、固定孔座3和可动孔座中心线重合。

如图4所示，阻尼叶片模拟及夹持子系统10可用于实现围带小角度的扭转，进而产生围带间和拉筋与拉筋孔间的接触作用力，从而研究不同挤压力对围带与叶身模拟件振动响应的影响。阻尼叶片模拟及夹持子系统10由摇杆11、限位柱13、一头设计有螺纹和方形接口的叶身模拟件12、内侧弹簧14、外侧弹簧15、内侧拉筋16、外侧拉筋17、围带18组成。摇杆11垂直固定在叶身模拟件12位于固定孔座内部的一端，这一端将穿过并通过孔座侧壁圆孔固定，摇杆可以叶身模拟件12为轴进行一定角度的转动。限位柱13固定在叶身模拟件12位于固定孔座通孔4的内侧，二者之间是固定孔座侧壁，用于限定叶身模拟件的轴向位移。叶身模拟件12带螺纹的一端穿过围带18上的通孔并通过一般连接方式(如螺纹和方形接口)固定，另一端与摇杆11垂直连接。叶身模拟件12在这里代表模化后的涡轮机叶片，其扭刚度分布、质量的分布与实际叶片一致。内侧弹簧14套在叶身模拟件12外部，夹在固定孔座通孔4和内侧拉筋16之间，用以模拟涡轮机实际运行时内侧拉筋产生的离心力。外侧弹簧15也套在叶身模拟件12外部，夹在可动孔座5外部和外侧拉筋17之间，用以模拟涡轮机实际运行时外侧拉筋17产生的离心力。可动孔座5盖装在叶身模拟件上部，夹在内侧拉筋14和外侧弹簧15之间，将外侧弹簧15的弹力通过可动孔座5传递至固定孔座3上，实现外侧拉筋17的离心力效果。内侧拉筋16位于内侧弹簧14和可动孔座5之间，外侧拉筋17位于外侧弹簧15和围带18之间，均穿过叶身模拟件12上的通孔并与实际涡轮机扭叶片上的拉筋类似。摇杆11在绕叶身模拟件12轴线摆动时可带动围带18旋转微小角度，进而与相邻围带18产生不同大小的挤压力，便于实验研究。内侧拉筋16和外侧拉筋17均可根据阻尼拉筋实际结构进行加工。若实际阻尼拉筋为与叶片一体式拉筋，则无需考虑离心力的影响，而需根据估算叶片扭矩分布大小，可与阻尼围带的方式一样进行实验。本发明可以方便地改变叶片扭转恢复力大小，以改变阻尼接触对(包括围带阻尼对或与加工于叶片上的拉筋阻尼对)之间的挤压力，模拟不同转速下叶片恢复变形导致的接触对挤压力；并且可以更换弹簧用以改变拉筋与叶片上拉筋孔壁之间的接触力。

振动激励子系统19由副基座22、副基座连接板21、激振器20、功率放大器25、处理器27组成，激振器20通过副基座连接板安装在副基座22上，与功率放大器25、处理器27相连，可以调节输入信号的类型和功率。

数据采集子系统23包括电涡流位移传感器24和信号采集器26。

激振器20、功率放大器25、处理器27、电涡流位移传感器24、信号采集器26，均为普通商用电子器件。其中激振器20通过电能输入产生一定功率和频率的振动，可作为激励源激发工作件的振动；功率放大器25将小的电信号输入进行放大，驱动激振器；电涡流位移传感器24可以检测工作件的振动状态，以模拟电信号输出；信号采集器26可以接受模拟信号进行一定频率的采集和数字化，按照处理器27可以识别的输出；处理器27可以获取信号采集器26输出的信号，进行存储和分析，同时可以按照指定的频率和幅值给出标准周期性信号，提供给功率放大器25。

如图5所示，扭转作动子系统6包括旋转中心轴7、旋转盘8、外伸拨动杆9，扭转作动子系统6的旋转中心轴7安装在主基座2上，并且旋转中心轴7可自由转动。旋转盘8与旋转中心轴7相互固定，外伸拨动杆9与旋转盘8固定，并均布在旋转盘周向，用以拨动摇杆11的上部，使之上侧产生绕叶身模拟件12轴线的摆动，摇杆11上侧卡在外伸拨动杆9之间，在旋转盘8旋转时，摇杆11可产生一定角度转动，从而带动叶身模拟件12旋转，将不同大小的扭矩加至阻尼围带18或内、外侧阻尼拉筋上，使阻尼围带18或内、外侧阻尼拉筋的接触对之间产生挤压力。改变弹簧刚度和变形量也可影响阻尼拉筋刚度的接触特性。由于阻尼围带(或者阻尼拉筋)相互嵌合，因此相邻围带及内侧拉筋和外侧拉筋与叶片孔的接触面之间产生挤压力从而形成反向扭矩与外伸拨动杆的力矩相平衡。

实验装置安装完成后，通过旋转盘8将一定的挤压力施加至阻尼结构上，固定旋转盘角度位置后可保持该挤压力，然后通过激振器输入振动信号，让叶栅发生振动。保持不同扭转力矩，可研究其振动特性和阻尼特性与其之间的关系，比如接触力的变化对振动响应和阻尼的影响；改变内侧弹簧和外侧弹簧的刚度系数或压缩量，可研究离心载荷下阻尼拉筋对振动和阻尼特性的影响。

本发明装置的具体安装操作叙述于下：(1)具体使用时先组装好阻尼模拟叶片及夹持子系统，将整圈摇杆、弹簧、拉筋、围带组装好安装至固定孔座中。(2)将可动孔座开孔槽夹在内侧弹簧与外侧拉筋之间，通过固定孔座和可动孔座相对应的楔形槽使可动孔座自动定心，再将摇杆放至轮盘固定把手相应的卡槽中。(3)将激振器通过螺栓固定在副基座上，并调整激振器到合适位置，然后将电涡流传位移感器安装在合适位置，与振动数据采集模块的其他设备相连，激振器与信号输入系统的其他设备相连。

本发明的具体实验操作叙述于下：实验时通过手动或其它动力旋转方式扭动旋转盘，将不同的挤压力施加至围带接触位置，也可以更换不同的弹簧型号改变拉筋刚度，不同围带接触力和弹簧型号将导致振动阻尼特性发生改变，进而影响到给定激振幅值和频率下的叶栅振动幅值和频率，经传感器检测叶栅围带振动参数的变化，为探索围带碰摩规律提供实验数据和依据。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，包括：阻尼叶片模拟及夹持子系统、扭转作动子系统、振动激励子系统；

所述阻尼叶片模拟及夹持子系统包括：整圈分布的摇杆(11)、叶身模拟件(12)和围带(18)；所述叶身模拟件(12)一端穿过围带(18)上的通孔并固定，另一端与摇杆(11)垂直连接，所述叶身模拟件(12)代表模化后的涡轮机叶片；

所述扭转作动子系统包括旋转中心轴(7)、旋转盘(8)和外伸拨动杆(9)，所述旋转盘(8)与旋转中心轴(7)相互固定，所述外伸拨动杆(9)与旋转盘(8)固定，并均布在旋转盘外端周向，摇杆(11)上部固定于相邻外伸拨动杆(9)之间，所述外伸拨动杆(9)用于在旋转盘(8)旋转时拨动摇杆(11)，从而带动叶身模拟件(12)扭转，相邻叶身模拟件(12)之间的接触力形成反向扭矩与外伸拨动杆(9)的力矩相平衡；

所述振动激励子系统与围带(18)连接，用于向围带(18)输入振动激励，使得与围带相连的整圈叶身模拟件(12)振动。

2.如权利要求1所述的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，所述阻尼叶片模拟及夹持子系统还包括：内侧弹簧(14)、外侧弹簧(15)、内侧拉筋(16)和外侧拉筋(17)，所述内侧弹簧(14)、内侧拉筋(16)、外侧弹簧(15)和外侧拉筋(17)从靠近摇杆(11)一端至靠近围带(18)一端依次分布在叶身模拟件(12)上，用于模拟涡轮机实际运行时内侧拉筋和外侧拉筋所受到的离心力。

3.如权利要求1或2所述的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，所述阻尼叶片模拟及夹持子系统还包括：限位柱(13)，所述限位柱(13)位于叶身模拟件(12)上，用于限定叶身模拟件(12)的轴向移动。

4.如权利要求2所述的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，所述装置还包括一个基座平台，用于固定和支撑阻尼叶片模拟及夹持子系统和扭转作动子系统。

5.如权利要求4所述的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，所述基座平台包括主基座(2)和固定孔座(3)，

所述固定孔座(3)位于主基座(2)上部，所述主基座(2)内部为空心结构，外形为六面体或者圆柱体，其顶面中心和底面中心具有通孔，用于安装旋转中心轴(7)；固定孔座(3)是圆筒形结构，其侧壁圆周方向布置有通孔，用于安装叶身模拟件(12)，限定叶身模拟件移动。

6.如权利要求5所述的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，所述基座平台还包括可动孔座(5)，

所述可动孔座(5)位于固定孔座(3)上方，可动孔座盖装在叶身模拟件(12)上部，夹在内侧拉筋(16)和外侧弹簧(15)之间，将外侧弹簧的弹力通过可动孔座传递至固定孔座上。

7.如权利要求6所述的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，所述内侧弹簧(14)位于固定孔座(3)通孔和内侧拉筋(16)之间。

8.如权利要求1或2所述的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，所述装置还包括电涡流位移传感器(24)和信号采集器(26)，

所述电涡流位移传感器(24)与围带(18)连接，用于检测叶片整圈的振动状态，输出模拟电信号；

所述信号采集器(26)，用于采集模拟电信号后进行数字化处理，输出数字信号。

9.如权利要求8所述的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，所述振动激励子系统包括激振器(20)和功率放大器(25)，

所述功率放大器(25)，用于将电信号放大后，驱动激振器(20)；

所述激振器(20)与围带(18)连接，用于向围带(18)输入振动激励，使得与围带(18)相连的整圈叶身模拟件(12)振动。

10.如权利要求9所述的一种涡轮机阻尼叶片整圈振动特性及阻尼特性模拟实验装置，其特征在于，所述装置还包括处理器(27)，所述处理器(27)用于从信号采集器(26)获得数字振动信号，还用于向功率放大器(25)发出控制信号，控制功率放大器按照预定的频率和幅值放大电信号。

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