CN115076296A - 一种叶盘多模态减振的环形吸振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叶盘多模态减振的环形吸振器，其叶盘是由叶片和轮盘构成的整体结构，设置环形吸振器，是在环形支撑上、且沿环形支撑的圆周均匀设置各吸振单元；环形支撑固定安装在轮盘的内侧壁上；针对待减振的叶盘n阶模态振型，将环形吸振器中的所有吸振单元分设为n个吸振单元组，每个吸振单元组中的所有吸振单元具有相同的结构参数；将每个吸振单元组一一对应地与叶盘的相应阶数模态振型进行参数匹配，使得每个吸振单元组的振子与相应阶数的模态振型具有相同的固有频率，n个吸振单元组与叶盘的n阶模态振型一一对应，实现对叶盘的n阶模态振型的抑制。本发明有效降低叶盘在多阶模态下的共振幅值，提高叶盘结构的可靠性。

Description

一种叶盘多模态减振的环形吸振器
技术领域
本发明涉及结构振动控制领域，更具体地说是涉及一种叶盘多模态减振的环形吸振器。
背景技术
叶盘是指叶片-轮盘组合的整体结构，叶盘结构广泛应用于航空发动机、燃气轮机和汽轮机。整体叶盘将叶片与轮盘连成一体，因此，轮盘的轮缘处不需要加工出用于安装叶片的榫槽，由此可以大大减小轮缘的径向尺寸，使转子重量减轻，具有结构紧凑、部件少、气动效率高、推重比高等优势；但是，由于缺乏足够的阻尼来源，整体叶盘在运行期间往往会承受较高的振动幅值。另外，航空发动机工况多变、激励频带宽，会激励起叶盘多阶不同的模态，导致结构宽频多模态振动问题突出。再一方面，叶盘的制造误差以及运行中不均匀磨损会引发随机失谐现象，这种失谐现象难以避免且随机性强，整体叶盘对失谐敏感，微小的失谐即可引发振动局部化现象，导致部分叶片的振动幅值和应力出现显著增加，并诱发高周疲劳损伤和裂纹故障，为此需要有效的减振方法，以抑制失谐叶盘的多模态振动，由于叶盘结构往往工作在高温、高压、高转速等恶劣工况下，减振结构则需要能够在恶劣工况下长期可靠工作，这给叶盘减振方法的开发增加了难度。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，针对叶盘的多模态减振需求提供一种叶盘多模态减振的环形吸振器，通过将环形吸振器中的多组动力吸振器与叶盘多阶模态进行匹配，实现对叶盘多模态振动的抑制，以降低叶片在多阶模态下的共振幅值，提高叶盘结构的可靠性。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
本发明叶盘多模态减振的环形吸振器，其叶盘是由叶片和轮盘构成的整体结构，各叶片在轮盘的外圆周上均匀分布，其特点是：设置环形吸振器，其是在环形支撑上、且沿所述环形支撑的圆周均匀设置各吸振单元；所述环形支撑利用过盈配合固定安装在轮盘的内侧壁上；针对待减振的叶盘的n阶模态振型，将所述环形吸振器中的所有吸振单元分设为n个吸振单元组，每个吸振单元组中的所有吸振单元具有相同的结构参数；将每个吸振单元组一一对应地与叶盘的相应阶数模态振型进行参数匹配，使得每个吸振单元组的振子与相应阶数的模态振型具有相同的固有频率，n个吸振单元组与叶盘的n阶模态振型一一对应，实现对叶盘的n阶模态振型的抑制。
本发明叶盘多模态减振的环形吸振器的特点也在于：设置所述环形支撑的结构形式是：
由同心设置的内环撑和外环撑形成环形空间，在所述内环撑和外环撑之间设置各道径向撑，并以各道径向撑将所述环形空间沿环向分隔为各单元空间；
所述吸振单元设置在单元空间中，由悬梁式振子、滑块和立柱组成，悬梁振子是由支撑梁和质量块组成，支撑梁一端固定在环形支撑的外环撑上，另一端固定质量块，使质量块朝向内环撑一侧悬伸；立柱与支撑梁处在同一径向位置上，立柱的底端固定在内环撑上，立柱的上端朝向与质量块，且与质量块之间存在有间隙；滑块滑套在所述立柱上，转动的叶盘使滑块因离心力抵于质量块，且在滑块与质量块之间形成干摩擦接触，产生阻尼。
本发明叶盘多模态减振的环形吸振器的特点也在于：将吸振单元组与叶盘的模态振型进行参数匹配是按如下步骤进行：
步骤1、根据被控模态振型对应的固有频率给出吸振单元组的振子的结构参数，使得吸振单元组的振子具有与被控模态振型相同的固有频率，根据所述吸振单元组的振子的结构参数构建叶盘环形吸振器系统的有限元模型；
步骤2、利用所述叶盘环形吸振器系统的有限元模型，依次在所述吸振单元组的振子上施加一系列不同大小的正压力，分析系统振动响应，获得叶盘环形吸振器系统振动响应幅值与正压力的对应关系曲线，在所述对应关系曲线中，确定与幅值最小值相对应的正压力为最优正压力Ni；
步骤3、由式(1)计算获得被控模态振型被激励时的转速Ωi：
Ωi＝(fi×2π)/ED (1)
其中：
fi为被控模态振型对应的固有频率，ED为被控模态振型的节径数；
步骤4、由式(2)计算获得吸振单元组中滑块的质量mj：
Figure BDA0003730489570000021
其中：
r为滑块与叶盘轴线间的垂直距离。
本发明叶盘多模态减振的环形吸振器的特点也在于：所述环型吸振单元中所有振子的总质量为叶盘的总质量的1％-15％。
本发明叶盘多模态减振的环形吸振器的特点也在于：将所述环形吸振器中振子的数量记为A；将叶盘中叶片的数量记为B，则有：2<A<3B。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明通过将环形吸振器中的多组动力吸振器与叶盘多阶模态进行匹配，实现了对叶盘多模态振动的抑制，有效降低叶片在多阶模态下的共振幅值，提高叶盘结构的可靠性。
2、本发明中环形吸振器直接安装在叶盘内侧，不影响整体叶盘气动性能和设计制造流程，易于实施；
3、本发明采用适于高温复杂环境的干摩擦阻尼作为吸振器阻尼，能够在航空发动机高温、高压、高转速等极端恶劣工况下长期可靠工作。
附图说明
图1为本发明中安装有多模态减振的环形吸振器的叶盘结构示意图；
图2为本发明中多模态减振的环形吸振器结构示意图；
图3为本发明中减振单元结构示意图；
图4为本发明中安装有多模态减振的环形吸振器的叶盘有限元模型；
图5为本发明中叶盘第4阶模态的响应幅值随振子法向接触力的变化曲线；
图6为本发明中叶盘第5阶模态的响应幅值随振子法向接触力的变化曲线；
图7为本发明中第4阶模态频率范围内叶盘的响应幅值随激励频率的变化曲线；
图8为本发明中第5阶模态频率范围内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环形吸振器，2a环形支撑，2b振子，2c滑块，2d立柱。
具体实施方式
参见图1、图2、图3和图4，本实施例中叶盘多模态减振的环形吸振器，其叶盘1是由叶片1a和轮盘1b构成的整体结构，各叶片1a在轮盘1b的外圆周上均匀分布。
本实施例中设置环形吸振器2，其是在环形支撑2a上、且沿环形支撑2a的圆周均匀设置各吸振单元；环形支撑2a利用过盈配合固定安装在轮盘1b的内侧壁上，以此实现环形吸振器2在叶盘1上的固定安装。本实施例针对待减振的叶盘的n阶模态振型，将环形吸振器2中的所有吸振单元分设为n个吸振单元组，每个吸振单元组中的所有吸振单元具有相同的结构参数；将每个吸振单元组一一对应地与叶盘的相应阶数模态振型进行参数匹配，使得每个吸振单元组的振子与相应阶数的模态振型具有相同的固有频率，n个吸振单元组与叶盘的n阶模态振型一一对应，实现对叶盘的n阶模态振型的抑制。
如图3所示，本实施例中设置环形支撑2a的结构形式是：
由同心设置的内环撑和外环撑形成环形空间，在内环撑和外环撑之间设置各道径向撑，并以各道径向撑将环形空间沿环向分隔为各单元空间；吸振单元设置在单元空间中，由悬梁式振子2b、滑块2c和立柱2d组成，悬梁振子2b是由支撑梁和质量块组成，支撑梁和质量块共同构成一个振动系统，支撑梁一端固定在环形支撑2a的外环撑上，另一端固定质量块，使质量块朝向内环撑一侧悬伸；立柱2d与支撑梁处在同一径向位置上，立柱2d的底端固定在内环撑上，立柱2d的上端朝向与质量块，且与质量块之间存在有间隙；滑块2c滑套在立柱2d上，在环形吸振器2随叶盘1一起转动时，转动的叶盘使滑块2c因离心力的作用抵于质量块，紧贴于振子，二者间的正压力等于滑块2c所受的离心力，在滑块2c与质量块之间形成干摩擦接触，振子振动时，振子2b与滑块2c间会产生相对滑动，相对滑动中的干摩擦会耗散振子能量，即起到阻尼的作用；其中，立柱2d用于对滑块2c进行导向和限位，避免滑块2c滑落和脱离；这一形式结构简单可靠、减振效果明显、经济性好、对温度变化不敏感，适于高温复杂环境。
为了实现吸振单元组与叶盘的模态振型的参数匹配，按如下步骤进行操作：
步骤1、根据被控模态振型对应的固有频率给出吸振单元组的振子2b的结构参数，使得吸振单元组的振子2b具有与被控模态振型相同的固有频率，根据吸振单元组的振子2b的结构参数构建叶盘环形吸振器系统的有限元模型如图4所示。
步骤2、利用叶盘环形吸振器系统的有限元模型，依次在吸振单元组的振子2b上施加一系列不同大小的正压力，分析系统振动响应，获得叶盘环形吸振器系统振动响应幅值与正压力的对应关系曲线，在所述对应关系曲线中，确定与幅值最小值相对应的正压力为最优正压力Ni。
步骤3、由式(1)计算获得被控模态振型被激励时的转速Ωi：
Ωi＝(fi×2π)/ED (1)
其中：
fi为被控模态振型对应的固有频率，ED为被控模态振型的节径数；
步骤4、由式(2)计算获得吸振单元组中滑块(2c)的质量mj：
Figure BDA0003730489570000041
其中：
r为滑块(2c)与叶盘轴线间的垂直距离。
环形吸振器中各振子2b的总质量会影响减振效果，振子的总质量过小，所能吸收的振动能量有限，减振效果也有限；振子的总质量过大，会显著增加叶盘的总质量，降低叶盘的推重比，具体实施中设置环形吸振器中所有振子2b的总质量为叶盘1的总质量的1％-15％。
环形吸振器2中的振子的个数会对吸振效果造成显著的影响，为获得较好的减振效果，需要采用多个振子，但振子的个数过多也会加大加工制造的难度，为有效设置环形吸振器2，将环形吸振器中振子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。
图4所示的叶盘1机构具有30个叶片，环形吸振器包含有30个吸振单元沿圆周方向均匀分布，选择整体叶盘的第4和第5阶模态作为减振目标，将30个吸振单元分为两组，其中15个吸振单元匹配第4阶模态的振动，另外15个吸振单元匹配第5阶模态的振动。两种不同参数吸振单元沿圆周方向交替排列。对该模型进行有限元分析，根据该模型第4阶，第5阶模态振型对应的固有频率，对振子进行设计，使得振子具有相同的固有频率；然后在各组吸振单元的振子上施加一系列不同大小的正压力，并依次分析各正压力情况下的系统振动响应，获得系统振动响应幅值与正压力的变化曲线X1(如图5所示)和X2(如图6所示)，选取图中的幅值最低点对应的正压力为最优正压力，分别设置第4阶，第5阶法相接触力为8N，10N.针对第4和第5阶模态的吸振器与整体叶盘的质量比分别为0.41％和0.50％。
图7给出了4阶模态频率范围内没有安装环形吸振器和安装有环形吸振器的叶盘的响应振幅变化，其中C1为安装了环形吸振器的响应幅值变化，C2为未安装环形吸振器的响应幅值变化；图8给出了5阶模态频率范围内没有安装环形吸振器和安装有环形吸振器的叶盘的响应振幅变化，其中C3为安装了环形吸振器的响应幅值变化，C4为未安装吸振器的响应幅值变化；从图中可以看出，安装多模态减振的环形吸振器可以实现良好的减振性能，阻尼器中的摩擦接触进一步增强了有效性，在第4模态和第5模态下的减振效果分别达到70.4％和59.2％。减振效果显著。

Claims (5)

1.一种叶盘多模态减振的环形吸振器，其叶盘(1)是由叶片(1a)和轮盘(1b)构成的整体结构，各叶片(1a)在轮盘(1b)的外圆周上均匀分布，其特征是：设置环形吸振器(2)，其是在环形支撑(2a)上、且沿所述环形支撑(2a)的圆周均匀设置各吸振单元；所述环形支撑(2a)利用过盈配合固定安装在轮盘(1b)的内侧壁上；针对待减振的叶盘的n阶模态振型，将所述环形吸振器(2)中的所有吸振单元分设为n个吸振单元组，每个吸振单元组中的所有吸振单元具有相同的结构参数；将每个吸振单元组一一对应地与叶盘的相应阶数模态振型进行参数匹配，使得每个吸振单元组的振子与相应阶数的模态振型具有相同的固有频率，n个吸振单元组与叶盘的n阶模态振型一一对应，实现对叶盘的n阶模态振型的抑制。
2.根据权利要求1所述的叶盘多模态减振的环形吸振器，其特征是：设置所述环形支撑(2a)的结构形式是：由同心设置的内环撑和外环撑形成环形空间，在所述内环撑和外环撑之间设置各道径向撑，并以各道径向撑将所述环形空间沿环向分隔为各单元空间；所述吸振单元设置在单元空间中，由悬梁式振子(2b)、滑块(2c)和立柱(2d)组成，悬梁振子(2b)是由支撑梁和质量块组成，支撑梁一端固定在环形支撑(2a)的外环撑上，另一端固定质量块，使质量块朝向内环撑一侧悬伸；立柱(2d)与支撑梁处在同一径向位置上，立柱(2d)的底端固定在内环撑上，立柱(2d)的上端朝向与质量块，且与质量块之间存在有间隙；滑块(2c)滑套在所述立柱(2d)上，转动的叶盘使滑块(2c)因离心力抵于质量块，且在滑块(2c)与质量块之间形成干摩擦接触，产生阻尼。
3.根据权利要求2所述的叶盘多模态减振的环形吸振器，其特征是：将吸振单元组与叶盘的模态振型进行参数匹配是按如下步骤进行：
步骤1、根据被控模态振型对应的固有频率给出吸振单元组的振子(2b)的结构参数，使得吸振单元组的振子(2b)具有与被控模态振型相同的固有频率，根据所述吸振单元组的振子(2b)的结构参数构建叶盘环形吸振器系统的有限元模型；
步骤2、利用所述叶盘环形吸振器系统的有限元模型，依次在所述吸振单元组的振子(2b)上施加一系列不同大小的正压力，分析系统振动响应，获得叶盘环形吸振器系统振动响应幅值与正压力的对应关系曲线，在所述对应关系曲线中，确定与幅值最小值相对应的正压力为最优正压力Ni；
步骤3、由式(1)计算获得被控模态振型被激励时的转速Ωi：
Ωi＝(fi×2π)/ED (1)
其中：
fi为被控模态振型对应的固有频率，ED为被控模态振型的节径数；
步骤4、由式(2)计算获得吸振单元组中滑块(2c)的质量mj：
Figure FDA0003730489560000021
其中：
r为滑块(2c)与叶盘轴线间的垂直距离。
4.根据权利要求2所述的叶盘多模态减振的环形吸振器，其特征是：所述环型吸振单元(2)中所有振子(2b)的总质量为叶盘(1)的总质量的1％-15％。
5.根据权利要求1所述的叶盘多模态减振的环形吸振器，其特征是：将所述环形吸振器(2)中振子(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。
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