汽轮机叶片振动试验方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种汽轮机叶片振动试验方法及装置，方法步骤是：Ａ．分析叶片受力振动状况，建立叶片激振力数学模型；Ｂ．由振源向叶片施加一激振力，调整该激振力的频率，直到叶片与振源共振，测量叶片在该激振力作用下的振动特性参数值；Ｃ．根据测量获得的振动特性参数值，计算叶片阻尼特性参数，包括模态阻尼比、阻尼器接触刚度、叶片动应力。装置包括试验台及布置在该试验台上的叶片夹持机构、激振发生器、振动参数检测器和数据处理系统；激振发生器固定在试验台上，其激振头与叶片固定连接；振动参数检测器对应叶片，将叶片的振动信号转换成电信号，输入数据处理系统。本发明专利技术探明了阻尼叶片的振动机理，利用试验参数，建立起阻尼叶片的计算模型，终止经验设计，规范叶片设计步入科学设计轨道。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及汽轮机叶片，具体地说，涉及该叶片振动特性试验的方法及 装置。
技术介绍
汽轮机是热力发电厂和核电站中把水蒸汽的热能转化为机械能的关键设 备，叶片是汽轮机中的重要部件。汽轮机运行过程中叶片不仅承受着巨大的 离心力，稳态气流力，还承受着非稳态气流力的作用，工作环境极为恶劣， 叶片事故时有发生，振动疲劳是叶片事故的主要原因之一。采用合适的阻尼 结构以降低叶片的振动应力，从而提高其安全性，是目前汽轮机叶片设计的 趋势。在进行具有阻尼结构的汽轮机叶片设计时，必须对受阻尼器影响叶片的 固有频率和振动衰减特性进行分析，以确定最优的阻尼结构。但目前对阻尼叶片的振动机理尚不清楚，叶片设计缺乏理论指导，仍停留在经验设计阶 段。因此，有必要采用模型叶片和实物叶片进行试验研究，发现其一般规 律，获得阻尼叶片的计算模型，科学规范叶片设计。
技术实现思路
本专利技术提供一种汽轮机叶片振动试验方法及装置，可探明阻尼叶片的振 动机理，利用从试验获得的试验参数，建立阻尼叶片的计算模型。 本专利技术的技术解决方案是一种汽轮机叶片振动试验方法，包括步骤a. 分析叶片受力振动状况，建立叶片激振力数学模型，该模型如下尸-P+ii^sin (3)'■=1 《=1式中是总质量矩阵；[刮是特征向量；[A是特征值，即叶片的频率b.在分析得到叶片的频率和其特征向量以后，使用振型迭加法求得叶片随时间变化的稳态响应{ t^P^tW—") (4)(5)A = i/V(i-4')2+(2^,)2^-^(2^J(l-^)) (7) 式中《叶片的稳态响应；i为某一阶模态；《为模态阻尼比；《为某阶激振力；^U为频率比；i^为第i阶振幅放大因子； ^为振型；A为激振力幅值；狄为激振力频率；处为振动频率。 c.通过以上分析获得不同围带接触刚度《下的响应幅值A然后采用最小' 二乘法进行拟合，获得响应幅值^与阻尼围带接触刚度《关系曲线尺c ="0+^及+ / 2及2式中《是围带接触刚度；^是响应幅值；A、 A、在分别为拟合常数。把试验测得的响应幅值代入上式，得到阻尼围带的接触刚度；_计算叶片动应力，由叶片的响应值可得到叶片的动态应力，各个位移响应就是某个时刻叶 片所处的位移场，根据位移场，由下式求得各时刻叶片有限元模型各个节点 处的应力")}=[顺柳} (9) 式中^节点处的应力；Z 为弹性矩阵；万为几何矩阵。一种汽轮机叶片振动试验装置，包括试验台及布置在该试验台上的叶片夹 持机构、激振发生器、振动参数检测器和数据处理系统；所述激振发生器固定在所述试验台上，其激振头与叶片固定连接；所述振动参数检测器对应叶 片，将叶片的振动信号转换成电信号，输入数据处理系统。所述振动试验装置还设有叶片阻尼结构模拟器，该阻尼结构模拟器对应 叶片的叶冠。所述振动检测器包括力传感器和频幅传感器。所述频幅传感器采用加速度传感器，该加速度传感器布置在叶片上；所 述频幅传感器也可采用电涡流位移传感器，该电涡流位移传感器布置在试验 台上，其传感头对应叶片。所述数据处理系统包括顺序连接的输入信号转换器、数据处理器、输出 信号转换器；所述数据处理器具有激振力计算模块、模态阻尼比计算模块、 阻尼器接触刚度计算模块、动应力计算模块。本专利技术的积极意义在于探明了阻尼叶片的振动机理，建立了叶片激振 力及其与阻尼参数换算关系的数学模型，该模型对叶片振动的描述，非常接 近实际状况；由此奠定了叶片阻尼结构设计的理论基础；其次，试验方法及 装置设计合理，模拟的试验工况也非常接近叶片实际运行工况，试验数据真 实可信；再次，测量元件选配合理，精度高，试验数据准确。由此终止了经 验设计，规范叶片设计步入科学设计轨道。另外，使用本方法和装置做叶片振动试验，不必再用试验机组，大幅度 降低了试验装置的制造和运行成本；采用简单结构的模拟叶片，即可研究分 析叶片的阻尼特性，不必加工成成品叶片，降低试件成本。附图说明图l是本专利技术的方法流程、装置结构示意框图 图2是试验台平面布置图 图3是叶片夹持机构结构示意4是叶冠阻尼结构模拟示意5是检测元件布置示意6是激振器与试件的连接关系示意7是幅频曲线半功率点示意8是叶片几种类型的阻尼结构示意图，其中图8-l是斜板式叶冠阻尼 结构；图8-2是叶冠内带阻尼销40的叶冠阻尼结构；图8-3是平板式叶冠阻尼 结构。图中代号含义l一试验台；2—激振发生器；3—叶片夹持机构；4—叶 冠阻尼结构模拟器；5—检测元件；6—数据处理装置；7—试验叶片；8—加 速度传感器；9—电涡流传感器；IO—叶身；20—叶冠；30—斜面；40_阻尼 销；50~TO。具体实施方式在说明本专利技术之前，有必要先介绍叶片阻尼结构的类型，以便更好地理 解本专利技术。叶片具有叶冠，叶片组装于转子后，所有叶片的叶冠相互接触，构成环 状，称为围带。转子运转时，叶片要发生扭转和振动，相邻叶冠发生相对位移，接触面滑动， 一方面，适应叶片扭转；另一方面，产生阻尼，减轻振动。另外，位于叶片腰部的拉筋凸台类似围带结构，也能产生阻尼，但因其 位于叶片腰部，运转时线速度低，产生的阻尼很小，通常只考虑其支撑效 果，不考虑其阻尼效果。阻尼效果仍主要在叶冠结构上考虑。参见图8，叶片阻尼结构有以下三种型式图8-l是斜板式叶冠阻尼结构，图中，叶身IO、叶冠20是整体结构。相邻 叶冠的接触面是斜面30。图8-2是叶冠内带阻尼销40的叶冠阻尼结构，相邻叶冠的接触面是斜面 30，除该面产生阻尼外，阻尼销40在销孔内滑动位移，也产生阻尼。 图8-3是平板式叶冠阻尼结构，相邻叶冠的接触面是平面50。 叶片阻尼结构设计，就是指相邻叶冠接触面和附带阻尼元件的结构设计。但是，迄今为止，由于对汽轮机叶片的振动机理还不完全清楚，处于经验 设计阶段，设计人员仅凭一般性常识设计叶片阻尼结构，用不同阻尼结构的 叶片，通过试验机组应用，观察其阻尼效果，从中筛选出效果较好的定型生 产。显然，这就导致叶片研发效率低、周期长、成功率低、成本高。本专利技术首先要探明叶片振动机理，经过分析发现，汽轮机叶片在不均匀 的汽流场中转动时，所受到的汽流激振力基频可以归结为两类 一类是频率 为"，(汽轮机转速)的低频激振力， 一类是频率为Z^ (Z,为汽轮机级的喷嘴 数)的高频激振力；此外，叶片还受到基本频率倍数的激振力作用，所以其 所承受的汽流激振力不是一个简单的正弦波形，而是多个正弦(或余弦)波 的叠加。将周期性的汽流激振力^沿圆周方向按傅立叶级数展开，作用在叶 片上的激振力可以写为尸-P+力尸Ksin[K(奴—％)(1) 式中转子旋转角速度；P—作用在叶片上的汽流力按时间的平均值； 《一激振力阶次，对高频激振力代表XZ, (4为整圈喷嘴数)； 对低频激振力《，后l、 2、 3……；^一第《阶激振力幅值； 《&—激振力相位角； t一时间。 对于式(l)中各阶激振力，对叶片响应影响最大的是与叶片固有振动频率 接近的激振力，所以本专利技术采用共振法来测试叶片的振动特性，即在一定的 激振力下，调节激振信号发生器的发生频率(振幅不变)，使叶片频率与激 振频率相同，达到共振，此时，叶片检测装置所显示的便是叶片的共振频率 和共振振幅，其频率与激振频率相同而振幅却不同。基于以上认识，设计了一个模拟试验装置，参见图1至图6，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种汽轮机叶片振动试验方法，包括步骤：Ａ．分析叶片受力振动状况，建立叶片激振力数学模型；Ｂ．由振源向叶片施加一激振力，调整该激振力的频率，直到叶片与振源共振，测量叶片在该激振力作用下的振动特性参数值；Ｃ．根据测量获得的振动特性参数值，计算叶片阻尼特性参数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何东，谢永慧，卢中俊，王建录，梁小兵，徐荣冬，何斌，张荻，
申请(专利权)人：东方电气集团东方汽轮机有限公司，西安交通大学，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]