CN104568351B - 一种阻尼结构优化叶片测试实验台及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼结构优化叶片测试实验台及其实验方法，其中，该测试实验台包括基础台架、叶根固定装置、阻尼结构装置和激振加载装置；该实验方法包括以下步骤：1)依次安装叶根固定装置、待测叶片、阻尼结构装置、激振加载装置、三维激光测振仪以及连接数据采集装置；2)调整加载螺母位置，调节摩擦阻尼块与球盘之间正压力大小等；3)启动数据采集装置和激振器，启动三维激光测振仪，同时记录球盘型号、摩擦阻尼正压力、阻尼结构施加高度、激振杆高度以及激振力大小；4)改变步骤2)中设定的参数；5)分析摩擦阻尼正压力、阻尼结构施加高度、激振杆高度、激振力大小、摩擦结构接触面大小对于叶片振动特性的影响，并绘制相应曲线。

Description

一种阻尼结构优化叶片测试实验台及其实验方法

技术领域

本发明涉及实验装置技术领域，具体涉及一种具有阻尼结构的汽轮机叶片在实际运行状态下的阻尼结构优化叶片测试实验台及其实验方法。

背景技术

叶片在汽轮机中承担着把蒸汽热能转化为机械能的重要任务，是汽轮机中最重要的零部件之一。大型汽轮机中叶片数目往往多达几千片，并且在运行中承受着离心力、稳态气流力和非稳态气流力的共同作用。此外，汽轮机在各种非设计工况下工作时，还要承受负荷变化带来的交变应力以及小容积工况下的较大气流激振力等。以上各种载荷作用使得叶片的工作环境极为复杂恶劣，叶片事故时有发生，而振动疲劳是导致破坏的主要原因，干摩擦阻尼结构是抑制叶片振动的一种非常有效的方式。各个汽轮机制造厂家在叶片上尤其是在中长叶片上广泛采用阻尼围带和各种拉金型式(松拉金、凸台拉金等)，以减少叶片的振动应力。

阻尼围带和凸台拉金结构被广泛应用于现代汽轮机长叶片设计中，叶片受离心力作用变形使相邻叶片围带和拉金接触并压紧，从而通过围带和拉金接触面间的干摩擦作用来耗散振动能量，降低叶片振动应力，并使叶片呈现整圈振动改善其振动特性。国内外学者提出了多种描述接触面间干摩擦特性的数学模型，但由于接触摩擦的复杂性，很难用一种通用的模型来描述，而通过实验研究可以为理论分析提供可靠的验证依据及模型基础参数。

目前，国内外各厂家对于叶片阻尼特性测试都仅限于固定位置的围带或拉金的阻尼结构，并未考虑不同位置、不同正压力和不同接触面积对于叶片阻尼特性的影响。

虽然阻尼围带和凸台拉金结构已经在叶片上得到了广泛的使用，但是相关的研究尤其是机理研究还很不充分，对于其结构性能的优化也严重不足。所以，开展对于特定叶片在不同工况作用下的阻尼结构位置优化研究具有很大的工程应用价值。

另外，由于汽轮机朝着更大功率和更高参数发展，开发更长叶片成为必然趋势和限制汽轮机的主要原因。采用传统阻尼围带结构会导致巨大离心力，多拉金阻尼结构成为更长叶片发展的主要趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对目前叶片阻尼结构实验研究的不足，尤其是对于不同运行状态、不同结构下叶片阻尼结构优化研究的不足，提供了一种阻尼结构优化叶片测试实验台及其实验方法，为进一步发展具有多拉金及复杂阻尼结构的更长叶片奠定了基础。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案是：

一种阻尼结构优化叶片测试实验台，包括基础台架、叶根固定装置、阻尼结构装置和激振加载装置；其中，

基础台架包括底板和对称焊接在底板上的两个侧板，两个侧板的内侧对称焊接有两个垫块，且两个侧板上沿竖直方向上对称开设有若干第一直槽；

叶根固定装置包括叶根槽和紧固螺栓，叶根槽的中间开设有用于嵌入待测叶片叶根的凹槽，凹槽的下方设置有用于给叶根施加竖直向上载荷的紧固螺栓；

阻尼结构装置包括用于固定待测叶片叶身的叶片卡槽，叶片卡槽的两端分别设置有一个球盘，每个球盘分别与对称设置的两个摩擦阻尼块点接触，每个摩擦阻尼块分别设置在一个阻尼架的一端，并通过螺杆和加载螺母与设置在该阻尼架上的静态力传感器相连，每个阻尼架的另一端通过伸长杆嵌于对应侧板上的第一直槽内，能够沿第一直槽的方向上下移动，并通过螺母固定其位置；

激振加载装置包括激振器支架平板和对称设置在其两侧的两个直板，两个直板分别通过螺栓在两个侧板上，激振器支架平板上开有若干支架弧形槽，激振器固定于平板上，平板上开有第二直槽，平板上设置在激振器支架平板上，且激振器通过若干支架弧形槽调节其在水平方向的角度，通过第二直槽调节其的伸出长度；激振器和待测叶片之间通过激振杆相接触，激振杆中间放置有用于测量待测叶片激振力大小的动态力传感器。

本发明进一步的改进在于：该测试实验台包括两套阻尼结构装置。

本发明进一步的改进在于：第一直槽边缘上刻有用于调整阻尼结构装置和激振加载装置在两个侧板上位置的刻度。

本发明进一步的改进在于：两个侧板上沿竖直方向上各开设有6个第一直槽。

本发明进一步的改进在于：激振杆采用两端粗中间细的变截面结构。

一种阻尼结构优化叶片测试实验台的实验方法，包括以下步骤：

1)放置基础台架于基础平台上，根据测量需求，选择待测球盘型号和目标施加阻尼位置，依次安装叶根固定装置、待测叶片、阻尼结构装置、激振加载装置、三维激光测振仪以及连接数据采集装置；保证叶根嵌套于叶根槽内，叶身嵌套于阻尼结构装置的叶片卡槽内，激振杆顶端贴紧待测叶片表面，旋紧各处螺栓以固定试验台各零件位置；

2)调整加载螺母位置，调节摩擦阻尼块与球盘之间正压力大小，其具体数据由静态力传感器测量得到，同时保证同一叶高位置的叶片两侧球盘型号和摩擦阻尼正压力大小相等；调整激振器位置，在垂直方向上对叶片表面施加激振作用，激振力大小与激振频率由数据采集装置对激振杆中间位置的动态力传感器测量得到；

3)启动数据采集装置和激振器，待叶片振动状态稳定后，启动三维激光测振仪对叶片整体振动情况进行扫描，同时记录球盘型号、摩擦阻尼正压力、阻尼结构施加高度、激振杆高度以及激振力大小；

4)分别改变加载螺母位置、球盘型号、激振器频率、激振器支架高度以及阻尼结构装置高度，以控制摩擦阻尼正压力、摩擦阻尼接触面积、激振力大小、激振力频率、激振力施加位置以及摩擦阻尼作用施加位置的变化，重复步骤2)至步骤3)，并记录数据与相应的叶片振形图；

5)分析摩擦阻尼正压力、阻尼结构施加高度、激振杆高度、激振力大小、摩擦结构接触面大小对于叶片振动特性的影响，并绘制相应曲线。

本发明进一步的改进在于，还包括以下步骤：

6)换用较步骤1)中叶片的更长叶片模型进行试验测试，同时增加阻尼结构个数，对叶高方向多点施加摩擦阻尼作用，重复步骤1)至步骤4)，并记录数据与相应的叶片振形图；

7)分析摩擦阻尼正压力、阻尼结构施加高度、激振杆高度、激振力大小、摩擦结构接触面大小对于该叶片振动特性的影响，并绘制相应曲线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明一种阻尼结构优化叶片测试实验台：(1)本发明可以通过变化阻尼器位置模拟围带、拉金阻尼结构和多拉金阻尼结构叶片，尤其是对于开发多拉金阻尼结构的更长叶片开发具有指导性意义；(2)通过改变阻尼器数量，可以评估不同阻尼器数量对于叶片振动特性的影响；(3)各个阻尼器正压力是可变并且是可以测量的；(4)阻尼器接触面积是可变的，并且结合正压力和阻尼器几何参数可以计算得到其接触面积；(5)分别通过改变阻尼器位置、正压力和接触面积，可以从机理上实现对于叶片阻尼结构优化；(6)相比于其他叶片阻尼实验台使用的设计成型叶片，本发明实验台用叶片模型采用平板直叶片模型，主要为开发具有多拉金阻尼结构的更长叶片提供参考。

本发明一种阻尼结构优化叶片测试实验台的实验方法：(1)将先前材料特性基础研究和叶片阻尼结构研究相结合，从机理上实现对叶片阻尼结构的优化；(2)扫描叶片以叶片上位移最大点为优化参数进行叶片优化；(3)最终数据以实验为基础，结合实验数据进行优化，实时匹配数值计算结果，可以保证优化精度；(4)对实验结果进行数据拟合，能够快速准确地找出适应叶片振动特性的最优阻尼参数；(5)实验结果主要用于干摩擦阻尼结构优化，为开发具有多拉金结构的更长叶片提供依据。

综上所述，本发明采用可变位置、正压力和接触面积阻尼结构，通过改变阻尼器位置，分别模拟现有常采用阻尼围带、拉金结构叶片和更大功率更长的多拉金阻尼结构叶片。本发明分别研究了不同位置、不同正压力和不同接触面积对于叶片振动特性的影响，为新开发阻尼叶片提供依据和发展更长多拉金结构叶片指明方向。

附图说明

图1是阻尼结构优化叶片测试实验台的立体图；

图2是阻尼结构优化叶片测试实验台的主视图；

图3是基础台架示意图，其中，图3(a)为其主视图，图3(b)为其左视图；

图4是待测叶片模型示意图；

图5是叶根固定装置及载荷施加机构示意图；

图6是叶片阻尼结构示意图；

图7是激振器支架结构示意图。

图中：1-底板；2-侧板；3-垫块；4-第一直槽；5-叶根；6-叶身；7-中间槽；8-叶根槽；9-紧固螺栓；10-叶片卡槽；11-摩擦阻尼块；12-球盘；13-加载螺母；14-静态力传感器；15-阻尼架；16-激振器支架平板；17-支架弧形槽；18-直板；19-平板；20-第二直槽；21-激振器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1和图2，本发明旨在对汽轮机阻尼叶片进行阻尼结构优化性能测试，基于此目的，设计了一套由基础台架、叶根固定装置、阻尼结构装置、激振加载装置和测量装置组成的阻尼结构优化叶片测试实验台。

参见图3，首先对试验的基础台架进行介绍。试验台架由底板1和焊接在其上面的两块侧板2组成，侧板上焊接两个垫块3，用于紧固叶根固定装置。底板1放置于基础平台上，叶根槽8上表面与垫块3下表面贴紧，三维激光测振仪支架通过螺栓固定在底板1上。每个侧板2上开有第一直槽4，用来固定阻尼结构装置和激振器装置。第一直槽4边缘上刻有刻度，以方便调整阻尼结构装置和激振器支架位置。

参见图4，试验用叶片采用平板直叶片模型。叶片由叶根5和叶身6组成，中间位置开有中间槽7，围带与拉金结构由阻尼结构装置进行模拟。测试过程中，叶根5和叶根槽8紧密接触并压紧，叶根5下端受紧固螺栓9竖直方向上的载荷作用，以模拟叶片实际运行过程中受到的离心力载荷。叶身6采用平板直叶片模型，竖直方向上叶片截面均相同，阻尼结构装置能够延叶高方向上下移动；叶身6尺寸与阻尼结构中心卡槽尺寸相匹配，中间槽7尺寸与卡槽内齿一致，能够保证叶片在阻尼结构作用位置的左右方向上不产生位移。

参见图5，叶根固定装置由叶根槽8和紧固螺栓9组成。试验过程中，叶根5嵌入叶根槽8中间叶根槽内，同时叶根槽8由于受到千斤顶竖直向上力的作用，其上表面与垫块3下表面紧贴，紧固螺栓9顶紧叶根5下表面，通过其旋转能够对叶根5施加竖直向上的载荷作用，以模拟真实运转过程中叶根所受离心力作用，通过控制紧固螺栓9旋紧程度可以控制对叶根5径向载荷的大小。

参见图6，该阻尼结构能够实现对指定位置叶片施加垂直于叶片方向的摩擦阻尼作用，并且可以改变接触面积大小和正压力大小。阻尼结构由阻尼架15、静态力传感器14、加载螺母13、球盘12和摩擦阻尼块11组成，中间位置由螺栓结构固定夹板形成叶片卡槽10。在工作过程中，阻尼架15两侧伸长杆嵌于侧板2上的第一直槽4内，能够延第一直槽4的方向上下移动，通过螺母固定其位置；叶身6嵌套于叶片卡槽10内，卡槽10中间齿嵌与叶片中间槽7内，保证叶片在试验过程中，在阻尼结构位置不产生左右位移；球盘12与摩擦阻尼块11之间为点接触，球盘12设计有不同尺寸型号，在相同正压力作用下，改变球盘12型号便能够改变球盘12与摩擦阻尼块11之间接触面大小；静态力传感器14一端旋入螺杆并固定于阻尼架15上；其另一端通过另一根螺杆与摩擦阻尼块11相连，加载螺母13放置于该螺杆上，旋转加载螺母13便能够对叶片施加不同大小的垂直叶片方向的载荷作用，同时，由于螺杆已旋紧于静态力传感器14，加载螺母13的旋转便会带动螺杆产生相应的拉应力，其大小可由静态力传感器14测定。

参见图7，激振器21固定于激振器支架上，激振器支架由激振器支架平板16和垂直于叶片表面的直板18组成。试验过程中，直板18通过螺栓结构固定于侧板2上某一高度位置，一般为70％叶高位置。激振器支架平板16上开有支架弧形槽17，用于调节激振器21水平方向的角度，激振器21固定于平板19上，平板19上开有第二直槽20，用于调整激振器21的伸出长度。激振器21和叶片之间通过激振杆相连接，激振杆中间放置动态力传感器用于测量激振力大小。

本发明一种阻尼结构优化叶片测试实验台的实验方法，包括以下步骤：

1)放置基础台架于基础平台上，根据测量需求，选择待测球盘12型号和目标施加阻尼位置，依次安装叶根固定装置、待测叶片、阻尼结构装置、激振加载装置、三维激光测振仪以及连接数据采集装置；保证叶根5嵌套于叶根槽8内，叶身6嵌套于阻尼结构装置的叶片卡槽10内，激振杆顶端贴紧待测叶片表面，旋紧各处螺栓以固定试验台各零件位置；

2)调整加载螺母13位置，调节摩擦阻尼块11与球盘12之间正压力大小，其具体数据由静态力传感器14测量得到，同时保证同一叶高位置的叶片两侧球盘12型号和摩擦阻尼正压力大小相等；调整激振器21位置，在垂直方向上对叶片表面施加激振作用，激振力大小与激振频率由数据采集装置对激振杆中间位置的动态力传感器测量得到；

3)启动数据采集装置和激振器21，待叶片振动状态稳定后，启动三维激光测振仪对叶片整体振动情况进行扫描，同时记录球盘12型号、摩擦阻尼正压力、阻尼结构施加高度、激振杆高度以及激振力大小；

4)分别改变加载螺母13位置、球盘12型号、激振器21频率、激振器支架高度以及阻尼结构装置高度，以控制摩擦阻尼正压力、摩擦阻尼接触面积、激振力大小、激振力频率、激振力施加位置以及摩擦阻尼作用施加位置的变化，重复步骤2)至步骤3)，并记录数据与相应的叶片振形图；

5)分析摩擦阻尼正压力、阻尼结构施加高度、激振杆高度、激振力大小、摩擦结构接触面大小对于叶片振动特性的影响，并绘制相应曲线；

6)换用较步骤1)中叶片的更长叶片模型进行试验测试，同时增加阻尼结构个数，对叶高方向多点施加摩擦阻尼作用，重复步骤1)至步骤4)，并记录数据与相应的叶片振形图；

7)分析摩擦阻尼正压力、阻尼结构施加高度、激振杆高度、激振力大小、摩擦结构接触面大小对于该叶片振动特性的影响，并绘制相应曲线。

为了对本发明进一步了解，现对其工作原理做一说明。

本发明中待测叶片通过叶根5固定于叶根槽8中，叶根槽8受千斤顶竖直向上力的作用，其上表面与焊接于侧板上的垫块3紧贴，其下端安装紧固螺栓9，紧固螺栓9与叶根5底面直接接触，通过旋转紧固螺栓9能够改变对待测叶片竖直方向载荷大小，以模拟不同转速运转条件下，待测叶片所受离心力的变化。待测叶片采用平板直叶片模型，叶片表面中心位置开中间槽7，在阻尼施加位置，叶片固定于阻尼结构的叶片卡槽10内，以防止叶片左右移动。

在叶片叶高方向不同位置设置阻尼约束结构，以模拟围带和拉金对叶片的阻尼约束作用。阻尼结构通过紧固螺栓固定于台架侧板2上，台架侧板上开有第一直槽4，用于调节阻尼结构高度，以确定最优阻尼施加位置并且适应不同长度的叶片；叶片卡槽10左右两侧球盘12结构通过点接触与摩擦阻尼块11相连，通过旋转加载螺母13可以改变阻尼结构对叶片左右方向上的载荷大小，其正压力由螺杆传递至两侧静态力传感器14，并由静态力传感器14测定其力大小；同时，与叶片卡槽10直接相连的球盘12设有不同尺寸型号，以研究不同接触面积对于阻尼作用的影响。

激振器21通过支架固定在台架侧板2上，一般在叶片高度的70％左右位置，通过激振杆施加垂直于叶片表面的激振力，在激振杆中间位置放置动态力传感器以测定激振力大小。激振杆采用两端粗中间细的变截面结构，使细杆部分在其自身柔性作用下，能够充分消耗激振器所产生的切向载荷，保证叶片仅在垂直于叶片表面方向上振动。同阻尼结构一样，激振器的高度也是可以调节的，以适应不同长度的叶片。

叶片的振动响应通过固定于支架上的三维激光测振仪进行测量，通过数据采集系统获得叶片振动特性参数。

Claims (5)

1.一种阻尼结构优化叶片测试实验台，其特征在于：包括基础台架、叶根固定装置、阻尼结构装置和激振加载装置；其中，

基础台架包括底板(1)和对称焊接在底板(1)上的两个侧板(2)，两个侧板(2)的内侧对称焊接有两个垫块(3)，且两个侧板(2)上沿竖直方向上对称开设有若干第一直槽(4)；

叶根固定装置包括叶根槽(8)和紧固螺栓(9)，叶根槽(8)的中间开设有用于嵌入待测叶片叶根(5)的凹槽，凹槽的下方设置有用于给叶根(5)施加竖直向上载荷的紧固螺栓(9)；

阻尼结构装置包括用于固定待测叶片叶身(6)的叶片卡槽(10)，叶片卡槽(10)的两端分别设置有一个球盘(12)，每个球盘(12)分别与对称设置的两个摩擦阻尼块(11)点接触，每个摩擦阻尼块(11)分别设置在一个阻尼架(15)的一端，并通过螺杆和加载螺母(13)与设置在该阻尼架(15)上的静态力传感器(14)相连，每个阻尼架(15)的另一端通过伸长杆嵌于对应侧板(2)上的第一直槽(4)内，能够沿第一直槽(4)的方向上下移动，并通过螺母固定其位置；

激振加载装置包括激振器支架平板(16)和对称设置在其两侧的两个直板(18)，两个直板(18)分别通过螺栓固定在两个侧板(2)上，激振器支架平板(16)上开有若干支架弧形槽(17)，激振器(21)固定于平板(19)上，平板(19)上开有第二直槽(20)，平板(19)设置在激振器支架平板(16)上，且激振器(21)通过若干支架弧形槽(17)调节其在水平方向的角度，通过第二直槽(20)调节其的伸出长度；激振器(21)和待测叶片之间通过激振杆相接触，激振杆中间放置有用于测量待测叶片激振力大小的动态力传感器；

该测试实验台包括两套阻尼结构装置；

第一直槽(4)边缘上刻有用于调整阻尼结构装置和激振加载装置在两个侧板(2)上位置的刻度。

2.根据权利要求1所述的一种阻尼结构优化叶片测试实验台，其特征在于：两个侧板(2)上沿竖直方向上各开设有6个第一直槽(4)。

3.根据权利要求1所述的一种阻尼结构优化叶片测试实验台，其特征在于：激振杆采用两端粗中间细的变截面结构。

4.权利要求1至3中任一项所述的一种阻尼结构优化叶片测试实验台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)放置基础台架于基础平台上，根据测量需求，选择待测球盘(12)型号和目标施加阻尼位置，依次安装叶根固定装置、待测叶片、阻尼结构装置、激振加载装置、三维激光测振仪以及连接数据采集装置；保证叶根(5)嵌套于叶根槽(8)内，叶身(6)嵌套于阻尼结构装置的叶片卡槽(10)内，激振杆顶端贴紧待测叶片表面，旋紧各处螺栓以固定试验台各零件位置；

2)调整加载螺母(13)位置，调节摩擦阻尼块(11)与球盘(12)之间正压力大小，其具体数据由静态力传感器(14)测量得到，同时保证同一叶高位置的叶片两侧球盘(12)型号和摩擦阻尼正压力大小相等；调整激振器(21)位置，在垂直方向上对叶片表面施加激振作用，激振力大小与激振频率由数据采集装置对激振杆中间位置的动态力传感器测量得到；

3)启动数据采集装置和激振器(21)，待叶片振动状态稳定后，启动三维激光测振仪对叶片整体振动情况进行扫描，同时记录球盘(12)型号、摩擦阻尼正压力、阻尼结构装置施加高度、激振杆高度以及激振力大小；

4)分别改变加载螺母(13)位置、球盘(12)型号、激振器(21)频率、激振器支架平板高度以及阻尼结构装置高度，以控制摩擦阻尼正压力、摩擦阻尼接触面积、激振力大小、激振力频率、激振力施加位置以及摩擦阻尼作用施加位置的变化，重复步骤2)至步骤3)，并记录数据与相应的叶片振形图；

5)分析摩擦阻尼正压力、阻尼结构装置施加高度、激振杆高度、激振力大小、摩擦结构接触面大小对于叶片振动特性的影响，并绘制相应曲线。

5.根据权利要求4所述的一种阻尼结构优化叶片测试实验台的实验方法，其特征在于，还包括以下步骤：

6)换用较步骤1)中叶片的更长叶片模型进行试验测试，同时增加阻尼结构装置个数，对叶高方向多点施加摩擦阻尼作用，重复步骤1)至步骤4)，并记录数据与相应的叶片振形图；

7)分析摩擦阻尼正压力、阻尼结构装置施加高度、激振杆高度、激振力大小、摩擦结构接触面大小对于该叶片振动特性的影响，并绘制相应曲线。