CN113864398B - 一种叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，叶盘是在轮盘的周边设置叶片；阵列式调谐质量阻尼器是在轮盘的内表面呈环状布置调谐质量阻尼器，形成环状调谐质量阻尼器阵列；环状调谐质量阻尼器阵列是在环状支撑结构中沿圆周方向布置各调谐质量阻尼器振子；针对叶盘运行过程中振动幅值超限的被控频率范围，通过模态测试或模态分析获得与被控频率范围相应的叶盘固有频率；调谐质量阻尼器振子具有与叶盘固有频率相接近的振子固有频率；在被控频率范围中，利用调谐质量阻尼器振子吸收叶盘部分振动能量，实现叶盘减振，降低叶盘结构振动幅值，实现减振。

Description

一种叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器
技术领域
本发明涉及结构振动控制领域，更具体说涉及一种叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器。
背景技术
叶盘是航空发动机、大型压缩机、汽轮机等大型旋转机械的关键部件，具有结构紧凑、重量轻、推重比高等优点。随着技术的进步和性能的提升，通常将叶片和轮盘设计成一体式结构，省去了连接中的榫头、榫槽及锁紧装置，减少了结构重量及零件数量，消除了榫头与榫槽间的气流损失，避免了榫头和榫槽间的微动磨损，提升了发动机的可靠性与耐久性。然而，由于缺少可靠的阻尼来源，叶盘结构往往呈现低阻尼特性，只能依靠自身微弱的材料阻尼耗散能量，导致其通过共振区域时振幅过大；此外，先进的气动设计使得整体叶盘结构愈加轻薄，而航空发动机工况多变、振动形式复杂、激励频带宽，容易导致叶盘的振动问题。同时，叶盘制造误差以及服役过程中不均匀磨损会引发随机失谐现象，失谐会导致振动能量的局部化，诱发高周疲劳损伤。随着对叶盘性能要求的不断提升，叶盘的振动问题日益突出，已成为制约相关旋转机械进一步发展的瓶颈问题，叶盘结构往往工作在高温、高压、高转速等极端恶劣工况下，减振装置需要能够长期可靠地在恶劣环境中工作，现有技术中，迫切需要针对恶劣工作环境的叶盘减振。
发明内容
本发明是为避免现有技术所存在的不足，提供一种叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，通过设置与叶盘振动特性相匹配的调谐质量阻尼器阵列，降低叶盘运行中通过相应的频率范围内的振动幅值，提升叶盘长期运行的可靠性。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，所述叶盘是在轮盘的周边设置叶片；
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器的特点是：
所述阵列式调谐质量阻尼器是在轮盘的内表面呈环状布置调谐质量阻尼器，形成环状调谐质量阻尼器阵列；所述环状调谐质量阻尼器阵列是在环状支撑结构中沿圆周方向布置各调谐质量阻尼器振子；
针对叶盘运行过程中振动幅值超限的被控频率范围，通过模态测试或模态分析获得与所述被控频率范围相应的叶盘固有频率；所述调谐质量阻尼器振子具有与叶盘固有频率相同的振子固有频率；在所述被控频率范围中，利用调谐质量阻尼器振子吸收叶盘部分振动能量，实现叶盘减振。
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器的特点也在于：所述支撑结构为环形框架结构，是由内环框、外环框和隔板构成多个周向分布的容腔，调谐质量阻尼器振子设置在各容腔中；所述调谐质量阻尼器振子是由弹性梁和质量块构成，所述弹性梁一端固定连接在支撑结构的外环框上，另一端朝向环中心悬伸，悬伸的梁端固定设置质量块构成振动系统；所述弹性梁为等截面梁或非等截面梁；所述等截面梁为矩形等截面梁。
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器的特点也在于：将所述环状调谐质量阻尼器阵列中调谐质量阻尼器振子的数量记为A；将叶盘中叶片的数量记为B，则有：2<A<3B。
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器的特点也在于：设置A的值为：0.5B<A<1.5B。
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器的特点也在于：所述振子固有频率与叶盘固有频率的相对误差不大于5％。
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器的特点也在于：所述振子固有频率与叶盘固有频率的相对误差不大于2％。
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器的特点也在于：所述环状调谐质量阻尼器阵列中所有调谐质量阻尼器振子的总质量为叶盘的总质量的1％-12％。
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器的特点也在于：所述调谐质量阻尼器振子在振子固有频率处的模态阻尼不小于0.05％。
本发明叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器的特点也在于：所述环状调谐质量阻尼器阵列是以过盈配合的方式安装在轮盘的内表面，在叶盘的运行中，环状调谐质量阻尼器阵列与轮盘相贴合。
与现有技术比较，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用调谐质量阻尼器形成阵列结构，减振效果好，其安装在轮盘内侧对于叶盘的设计制造基本不产生影响；
2、本发明中阻尼器振子由高强度支撑结构固定设置，能够在恶劣环境中长期可靠运行。
3、本发明结构简单、成本低，有利于实践应用。
附图说明
图1为本发明中安装有调谐质量阻尼器阵列的叶盘结构示意图；
图2为本发明中调谐质量阻尼器阵列结构；
图3为叶盘的响应幅值随激励频率的变化曲线。
图中标号：1叶盘，1a叶片、1b轮盘，2环状调谐质量阻尼器阵列，2a环状支撑结构，2b调谐质量阻尼器振子。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例中叶盘1是在轮盘1b的周边一体化设置叶片1a；阵列式调谐质量阻尼器是在轮盘1b的内表面呈环状布置调谐质量阻尼器，形成环状调谐质量阻尼器阵列2；环状调谐质量阻尼器阵列2是在环状支撑结构2a中沿圆周方向布置各调谐质量阻尼器振子2b，环状支撑结构2a和调谐质量阻尼器振子2b焊接连接，或通过3D打印整体成型；调谐质量阻尼器阵列2安装在叶盘的轮盘内圆周面，不影响叶盘的气动性能，安装方式简单，便于实施。
通过将叶盘安装在实验台上进行测试，或者通过有限元方法进行分析，确定叶盘1运行过程中振动幅值超限的被控频率范围，针对叶盘1运行过程中振动幅值超限的被控频率范围，通过模态测试或模态分析获得与被控频率范围相应的叶盘固有频率；调谐质量阻尼器振子2b具有与叶盘固有频率相同的振子固有频率，且二者越接近，则减振效果越好，由调谐质量阻尼器阵列构成与叶盘相匹配的动力吸振器，叶盘结构在运行中通过该阶固有频率所在的频率范围时，调谐质量阻尼器振子2b的振动幅值显著增加，由此吸收叶盘的部分振动能量，使得叶盘结构上的振动能量有效减少，进而振动幅值得以降低；由此实现在被控频率范围中，利用调谐质量阻尼器振子2b吸收叶盘1部分振动能量，叶盘减振。
具体实施中，相应的技术措施也包括：
支撑结构2a为环形框架结构，是由内环框、外环框和隔板构成多个周向分布的容腔，调谐质量阻尼器振子2b设置在各容腔中；调谐质量阻尼器振子2b是由弹性梁和质量块构成，弹性梁一端固定连接在支撑结构的外环框上，另一端朝向环中心悬伸，悬伸的梁端固定设置质量块构成振动系统，悬臂梁具有较高的强度，能够在高温、高压、高转速等恶劣运行环境下长期可靠工作；实施中，对于调谐质量阻尼器振子而言，只需保证其固有频率与叶盘待减振固有频率相近，对于弹性梁的形状并没有限定，弹性梁可以为等截面梁或为非等截面梁；为便于设计和加工制造，优选等截面弹性梁，且矩形等截面梁为更佳的选择。
调谐质量阻尼器阵列结构中的调谐质量阻尼器振子的个数会显著影响减振效果，为获得较好的减振效果，需要采用多个调谐质量阻尼器振子，但调谐质量阻尼器振子的个数过多也会加大加工制造的难度，为有效设置环状调谐质量阻尼器阵列2，将环状调谐质量阻尼器阵列中调谐质量阻尼器振子2b的个数记为A；将叶盘1中叶片1a的数量记为B，B值不小于20，设置A值为：2<A<3B；更为优选的是将A的值设置为：0.5B<A<1.5B。
调谐质量阻尼器阵列是一种动力吸振器，其工作原理决定了调谐质量阻尼器阵列的固有频率与叶盘待减振固有频率越接近减振效果越好，具体实施例中设置振子固有频率与叶盘固有频率的相对误差不大于5％；更为优选的是：设置振子固有频率与叶盘固有频率的相对误差不大于2％。
调谐质量阻尼器阵列中各振子的总质量也会影响其减振效果，调谐质量阻尼器振子的总质量过小，其所能吸收的振动能量有限，减振效果也有限；调谐质量阻尼器振子的总质量过大，会显著增加叶盘的总质量，降低了叶盘的推重比，具体实施中设置环状调谐质量阻尼器阵列2中所有调谐质量阻尼器振子2b的总质量为叶盘1的总质量的1％-12％。
调谐质量阻尼器振子的阻尼会对减振效果产生影响，调谐质量阻尼器振子阻尼会消耗振子的能量，进而使得调谐质量阻尼器阵列持续吸收更多叶盘上的能量。因此，需要保证调谐质量阻尼器振子具有一定的阻尼，具体实施中设置调谐质量阻尼器振子2b在振子固有频率处的模态阻尼不小于0.05％。
调谐质量阻尼器阵列在工作中随叶盘一起高速旋转，为确保其在运行过程中不脱落，始终紧密贴合在轮盘内表面上，环状调谐质量阻尼器阵列2是以过盈配合的方式安装在轮盘1b的内表面，装配过程中的过盈量是根据叶盘的结构尺寸和转速来确定，具体实施中为实现装配，可通过将调谐质量阻尼器阵列预先浸没在液氮中降温收缩，然后安装至轮盘内表面自然升温，在叶盘1的运行中，环状调谐质量阻尼器阵列2与轮盘1b相贴合。
图1所示的叶盘结构具有33个叶片，待减振的固有频率为2557Hz，调谐质量阻尼器阵列包含有33个调谐质量阻尼器振子沿圆周方向均匀分布，将调谐质量阻尼器振子的固有频率设计值为2557Hz，模态阻尼比为0.094％，调谐质量阻尼器振子的总质量为叶盘总质量的1％。分别对单独叶盘结构和安装有调谐质量阻尼器阵列的叶盘结构进行谐响应分析，分析频率范围为2540Hz-2580Hz，两种情形下的叶片最大响应幅值随激励频率的变化曲线如图3所示。图3中曲线F1为单独叶盘结构中叶片最大响应幅值随频率的变化曲线，曲线F2为安装有调谐质量阻尼器阵列的叶盘结构中叶片最大响应幅值随频率的变化曲线。图3可见，在未安装调谐质量阻尼器阵列时，叶盘在频率范围内的最大响应幅值为3.2×10-3，安装了调谐质量阻尼器阵列后，叶盘的最大响应幅值降为1.9×10-3，减振效果显著。

Claims (8)

1.一种叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，所述叶盘(1)是在轮盘(1b)的周边设置叶片(1a)；其特征是：
所述阵列式调谐质量阻尼器是在轮盘(1b)的内表面呈环状布置调谐质量阻尼器，形成环状调谐质量阻尼器阵列(2)；所述环状调谐质量阻尼器阵列(2)是在环状支撑结构(2a)中沿圆周方向布置各调谐质量阻尼器振子(2b)；
针对叶盘(1)运行过程中振动幅值超限的被控频率范围，通过模态测试或模态分析获得与所述被控频率范围相应的叶盘固有频率；所述调谐质量阻尼器振子(2b)具有与叶盘固有频率相同的振子固有频率；在所述被控频率范围中，利用调谐质量阻尼器振子(2b)吸收叶盘(1)部分振动能量，实现叶盘减振；
所述支撑结构(2a)为环形框架结构，是由内环框、外环框和隔板构成多个周向分布的容腔，调谐质量阻尼器振子(2b)设置在各容腔中；所述调谐质量阻尼器振子(2b)是由弹性梁和质量块构成，所述弹性梁一端固定连接在支撑结构的外环框上，另一端朝向环中心悬伸，悬伸的梁端固定设置质量块构成振动系统；所述弹性梁为等截面梁或非等截面梁；所述等截面梁为矩形等截面梁。
2.根据权利要求1所述的叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，其特征是：将所述环状调谐质量阻尼器阵列(2)中调谐质量阻尼器振子(2b)的数量记为A；将叶盘(1)中叶片(1a)的数量记为B，则有：2<A<3B。
3.根据权利要求2所述的叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，其特征是：设置A的值为：0.5B<A<1.5B。
4.根据权利要求1所述的叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，其特征是：所述振子固有频率与叶盘固有频率的相对误差不大于5％。
5.根据权利要求1所述的叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，其特征是：所述振子固有频率与叶盘固有频率的相对误差不大于2％。
6.根据权利要求1所述的叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，其特征是：所述环状调谐质量阻尼器阵列(2)中所有调谐质量阻尼器振子(2b)的总质量为叶盘(1)的总质量的1％-12％。
7.根据权利要求1所述的叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，其特征是：所述调谐质量阻尼器振子(2b)在振子固有频率处的模态阻尼不小于0.05％。
8.根据权利要求1所述的叶盘减振的阵列式调谐质量阻尼器，其特征是：所述环状调谐质量阻尼器阵列(2)是以过盈配合的方式安装在轮盘(1b)的内表面，在叶盘(1)的运行中，环状调谐质量阻尼器阵列(2)与轮盘(1b)相贴合。
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