CN113624381B - 一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法 - Google Patents

一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法，本发明在非接触测量获得特定参数后，通过有限元计算获得叶片在共振工况下的稳态变形量、机匣非接触探头安装点的轴向相对变化量，进一步开展叶片有限元模态分析、谐响应分析以获得叶片在特定阶模式下的共振方向或共振矢量。通过修正非接触探头安装点位置、转换非接触测量振动位移为应力计算所需的叶片共振振幅，最终再次通过有限元谐响应分析获取叶片在非接触实测共振条件下的特定阶振动模式下的振动应力。本发明能够有效评估叶片振动应力水平，进而结合振动疲劳试验结果最终获得叶片在机组整个工况范围内的振动储备裕度，定量评估叶片疲劳可靠性。

Description

一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机测量方法，具体地说是燃气轮机叶片测量方法。
背景技术
压气机动叶片是船舶燃气轮机的关键零部件类别之一，其功能为使气流加速、增压、升温，而其本身则承受了离心力、气动力、激振力、外物冲击等循环交变载荷与动载荷作用，它的工作状态、工作环境、结构行为十分复杂。其使用可靠性直接影响了燃气轮机的安全使用。压气机动叶片承受高频且超长周次的载荷使其易发生疲劳断裂事故。据统计资料表明，由振动引起的故障占机组总故障的60％以上，其中叶片振动故障占振动故障的70％以上。燃气轮机工作时，由于激振因素的复杂性，转速由起动转速至最大转速，要完全避开共振几乎是不可能的。因此在发动机研制阶段，亟需获取各级动叶片的振动疲劳储备，以判定其是否满足设计要求，及时开展设计优化工作。
在获取压气机动叶片疲劳储备时，燃气轮机机组在整个工况运行时各级叶片振动应力值是必须数据，对动叶片进行快速、准确和可靠的振动测量是整个分析过程的关键。对比接触式和非接触式测量方式，非接触式测量具有结构实施简单、使用方便，并且可以同时检测所有只叶片的振动情况，越来越多的应用于燃气轮机动叶片振动状况监测和测量。该方法通常通过获取动叶片叶顶振动位移数据，从中分析出叶片相应的振动频率、振型、振幅和相位信息，必须通过换算才能得到叶片的振动应力值。为此，必需发展船舶燃气轮机压气机动叶片动应力非接触测量计算方法，形成适合通过使用非接触方法测振的试验研究，并能够快速精准的获取叶片振动应力值的分析技术，为船舶燃气轮机压气机动叶片全面的疲劳振动储备分析提供切实可行的解决途径。
发明内容
本发明的目的在于提供能解决使用非接触式测量方法进行船舶燃气轮机压气机动叶片振动应力测量时的换算问题的一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法，其特征是：
(1)通过非接触测量方法获取叶片实际共振转速、共振频率及振动位移；
(2)通过有限元方法计算获得叶片在步骤(1)中实测共振工况下的叶片稳态变形量；
(3)通过有限元方法计算获得叶片的轴向位移、非接触探头机匣安装点的轴向位移；
(4)在步骤(2)基础上，开展叶片的预应力模态分析；
(5)在步骤(4)基础上，开展叶片的谐响应分析，获取叶片在特定阶模式下的共振方向；
(6)综合步骤(3)、步骤(5)获得叶片叶顶热态下非接触测试监测点的振动位移；
(7)综合步骤(1)、步骤(6)获得叶片叶顶非接触测试监测点的监测位移和振动位移转换关系；
(8)根据叶片叶顶非接触测试监测点的振动位移，通过谐响应计算得到叶片叶身振动应力值及分布。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)中所述获取叶片实际共振转速、共振频率及振动位移的具体位置为非接触探头距离叶片叶顶型线的前缘或尾缘为L-Δd的叶顶位置。
2、步骤(2)中所述的实测共振工况下，是由非接触测量方法测试得到的叶片共振转速N对应的机组工况，且进行叶片强度计算时考虑叶片所受离心载荷N，叶身表面温度和表面静压。
3、步骤(3)中在计算转子叶片轴向位移、非接触探头机匣安装点的轴向位移时，以同一基准进行结果提取。
4、步骤(5)中所述的特定阶模式下的共振方向，按非接触测量得到的共振模式进行谐响应分析。
5、步骤(6)中所述的叶片叶顶热态下非接触测试监测点的振动位移为当叶片共振时非接触探头对应的叶片叶顶实际位置的共振振幅。
6、步骤(7)中所述的监测位移和振动位移转换关系为非接触测量直接获取的振幅值与叶片振动应力计算时使用的振幅之间的转换关系。
本发明的优势在于：
1、本发明所提出的船舶燃气轮机轴流压气机动叶片动应力非接触测量计算方法，为非接触式测量获取压气机动叶片振动应力提供了一条快速有效的途径；通过本发明获得的压气机动叶振动应力，能够有效评估叶片振动应力水平，进而结合振动疲劳试验结果最终获得叶片在机组整个工况范围内的振动储备裕度，定量评估叶片疲劳可靠性。
2、本发明所提出的船舶燃气轮机轴流压气机动叶片动应力非接触测量计算方法，不仅局限于船舶燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机的动叶片动应力非接触测试结果转化。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明叶片非接触测量叶片振动位移的变化原理图；
图3为本发明的叶片非接触测量结果进行修正、转化的原理图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，本发明一种船舶燃气轮机轴流压气机动叶片动应力非接触测量计算方法通过以下步骤实现：
步骤一：通过非接触测量方法获取了叶片叶顶某一特定位置处的共振特性参数，包括共振转速N、共振频率f和振动位移D，特定位置是指在共振条件下，非接触探头距离叶片叶顶型线的前缘或尾缘为L-Δd的叶顶位置；
步骤二：在获取的共振转速N对应的工况下对叶片进行静强度分析。静态(初始)叶型叶顶型面或型线各构成点的原坐标点为(X，Y，Z)。提取静强度分析结果中叶片叶顶型面或型线各构成点的稳态变形量(ΔUx，ΔUy，ΔUz)，如图2所示，稳态变形后的叶顶型面或型线各构成点为(其各构成点坐标为(X+ΔUx，Y+ΔUy，Z+ΔUz))；
步骤三：在获取的共振转速N对应的工况下对转子和机匣进行位移分析，以同一基准(如机匣连接法兰端面)进行结果提取，如图3所示获取叶片叶顶非接触测量点轴向位置变化量为Δd，非接触测量点由冷态轴向位置L变换为L-Δd，即K1点；
步骤四：开展在获取的共振转速N对应的工况下叶片预应力模态分析；
步骤五：开展叶片的谐响应分析，获取叶片在特定阶模式下的共振方向、振动矢量。如图2所示叶片共振时振幅相对静态时的变形型面或型线，其构成点相对于静态(初始)叶型时的位置为如图3所示次步骤获取/>(或/>)；
步骤六：获得叶片叶顶热态下非接触测试监测点的振动位移为当叶片共振时非接触探头对应的叶片叶顶实际位置的共振振幅；
步骤七：获得(或/>)和/>的位移转换关系，为非接触测量直接获取的振幅值与叶片振动应力计算时使用的振幅之间的转换关系：
步骤八：通过谐响应分析，使叶片叶顶特征点(振幅检测点)的振幅与(或/>)一致，获取叶片叶身振动应力值。
本发明提出的船舶燃气轮机轴流压气机动叶片动应力非接触测量计算方法，不仅局限于船舶燃气轮机轴流压气机，同样适用于工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机的动叶片动应力非接触测量计算。

Claims (7)

1.一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法，其特征是：
(1)通过非接触测量方法获取叶片实际共振转速、共振频率及振动位移；
(2)通过有限元方法计算获得叶片在步骤(1)中实测共振工况下的叶片稳态变形量；
(3)通过有限元方法计算获得叶片的轴向位移、非接触探头机匣安装点的轴向位移；
(4)在步骤(2)基础上，开展叶片的预应力模态分析；
(5)在步骤(4)基础上，开展叶片的谐响应分析，获取叶片在特定阶模式下的共振方向；
(6)综合步骤(3)、步骤(5)获得叶片叶顶热态下非接触测试监测点的振动位移；
(7)综合步骤(1)、步骤(6)获得叶片叶顶非接触测试监测点的监测位移和振动位移转换关系；
(8)根据叶片叶顶非接触测试监测点的振动位移，通过谐响应计算得到叶片叶身振动应力值及分布。
2.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法，其特征在于：步骤(1)中所述获取叶片实际共振转速、共振频率及振动位移的具体位置为非接触探头距离叶片叶顶型线的前缘或尾缘为L-Δd的叶顶位置。
3.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法，其特征在于：步骤(2)中所述的实测共振工况下，是由非接触测量方法测试得到的叶片共振转速N对应的机组工况，且进行叶片强度计算时考虑叶片所受离心载荷N，叶身表面温度和表面静压。
4.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法，其特征在于：步骤(3)中在计算转子叶片轴向位移、非接触探头机匣安装点的轴向位移时，以同一基准进行结果提取。
5.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法，其特征在于：步骤(5)中所述的特定阶模式下的共振方向，按非接触测量得到的共振模式进行谐响应分析。
6.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法，其特征在于：步骤(6)中所述的叶片叶顶热态下非接触测试监测点的振动位移为当叶片共振时非接触探头对应的叶片叶顶实际位置的共振振幅。
7.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机动叶片动应力非接触测量计算方法，其特征在于：步骤(7)中所述的监测位移和振动位移转换关系为非接触测量直接获取的振幅值与叶片振动应力计算时使用的振幅之间的转换关系。
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