一種透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統的製作方法

2023-10-19 08:55:52

專利名稱：一種透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及到大型透平機械中葉片的減振實驗系統領域，特指一種透平自帶阻 尼結構葉片的減振實驗系統。
技術背景大型透平機械是實現熱能向機械能轉換的重要設備，廣泛應用於電力、冶金、鋼鐵、 石化、船舶等行業。葉片是大型動力機械實現能量轉換的關鍵部件，處在高溫、高壓、 高腐蝕環境下工作，工作時承受著巨大的離心力、汽(氣)流作用力、汽(氣)流激振 力、腐蝕和振動以及衝蝕的共同作用。尤其是汽(氣)流通道的最後幾級葉片(特別是 末級和次末級長葉片)，在運行時受很大的離心載荷的作用，同時受到汽(氣)流的激振 力，如果葉片承受振動應力過大，會降低其壽命和運行的安全可靠性。葉片故障是大型 動力機械的常見故障之一，據有關資料統計表明，葉片振動故障佔動力機械故障的30% 40%之多。隨著動力機械(汽輪機、燃氣輪機)向大容量方向發展，葉片的安全可靠性和 保持其高效率愈顯得重要。透平機械葉片的振動斷裂長期困擾著機組運行的安全可靠性， 透平機械葉片的失效在很多情況下都可以歸因為共振應力所引起的高周疲勞。如果要延 長葉片壽命，則必須降低葉片共振動應力。在葉片設計階段，有兩種降低葉片動應力的 方案供設計者選擇，其一是調開葉片的固有頻率，使其與汽(氣)流激振頻率有一定的避開率；其二是增加或強化葉片的阻尼環節，即採用帶減振結構的葉片。生產上調開葉片的固有頻率比較複雜，設計上需要花費很大精力去研究固有頻率的精確計算，製造安 裝上要求苛刻，給機組檢修和運行工作也帶來很多麻煩。而且研究結果表明，儘管葉片 組固有頻率很多，但其相應振型的動應力大多是不危險的，甚至是微小的，只有少數振 型的共振才必須避開。為了防止動力機械葉片的大應力疲勞損壞，除避開共振外，在葉 片材料已選定的情況下，採取加裝阻尼結構(葉片凸肩結構、葉片圍帶以及拉金結構等) 是減小葉片共振應力、防止疲勞損壞的新方法，同時也是最有效的方法。阻尼葉片具有良好的減振效果，學者們分析了不同形式的阻尼葉片結構，從不同的 角度論述了汽輪機葉片阻尼結構的減振特性。但是單只葉片的研究可以應用理論計算和 數值仿真的方法來分析，而對整圈自帶阻尼結構葉片系統來說，就是一件高維數非線性 系統，採用數值仿真的難度很大，實驗研究成了解決工程實際問題的主要手段，它不僅反映單只葉片的減振效果，還可得到整個系統的減振效果。 發明內容本發明要解決的問題就在於針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構 簡單緊湊、成本低廉、適用範圍廣、自動化程度高、測試精度高的透平自帶阻尼結構葉 片的減振實驗系統。為解決上述技術問題，本發明提出的解決方案為 一種透平自帶阻尼結構葉片的減 振實驗系統，其特徵在於它包括實驗裝置系統和信號測試系統。所述實驗裝置系統包 括葉輪轉子機構、供氣機構、 一個或一個以上的噴嘴、驅動機構以及導電滑環；所述葉 輪轉子機構包括由多個葉片組成的葉輪和轉子，葉片上裝設有用來測量葉片動應力的應 變片；所述葉片的葉冠處設有可拆卸的減振機構，該減振結構由位於相鄰葉片的葉冠之 間的減振螺栓組成；所述一個或一個以上的噴嘴均勻布置於葉輪後側的圓周上；導電滑 環套設於轉子上，葉輪轉子機構與驅動機構相連，供氣機構與噴嘴相連，導電滑環與信 號測試系統相連。所述信號測試系統包括接線端子、信號調理模塊、採集卡以及計算機，導電滑環通 過接線端子與信號調理模塊相連，信號調理模塊的輸出端通過採集卡與計算機相連。所述供氣機構包括空壓機、儲氣罐以及管道系統，空壓機與儲氣罐相連，儲氣罐的 輸出端通過管道系統與噴嘴相連，所述管道系統包括輸氣管道以及裝設於輸氣管道上的 閥門和空氣過濾器。所述驅動機構包括電動機和聯軸器，電動機通過聯軸器與葉輪轉子機構相連。 所述葉片為等截面直葉片或等截面扭葉片或變截面直葉片或變截面扭葉片。 與現有技術相比，本發明的優點就在於本發明的透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，結構簡單緊湊、成本低廉、適用範圍廣、自動化程度高、測試精度高，且具有實驗工藝簡單、操作簡便、實驗費用低、可靠性高等優點，可廣泛應用於透平機械葉片減振結構的優化設計與研究。


圖1是本發明中實驗裝置系統的框架結構示意圖； 圖2是本發明中信號測試系統的框架結構示意圖； 圖3是本發明中實驗裝置系統的結構示意圖； 圖4是本發明中葉片可調間隙的原理示意圖；圖5是本發明在不同工況下葉片振動應力最大幅值隨葉冠間隙的變化示意圖。圖例說明1、空壓機2、儲氣罐3、管道系統4、噴嘴5、輸氣管道6、閥門7、空氣過濾器8、電動機9、聯軸器10、導電滑環11、接線端子12、信號調理模塊13、採集卡14、計算機15、葉片16、葉冠17、減振螺栓19、轉子20、調節螺母21、尺子22、實驗臺外殼23、轉子支架24、水泥臺具體實施方式
以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。如圖1和圖2所示，本發明的一種透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，它包括 實驗裝置系統和信號測試系統，實驗裝置系統包括葉輪轉子機構、供氣機構、 一個或一 個以上的噴嘴4、驅動機構以及導電滑環IO。葉輪轉子機構包括由多個葉片15組成的葉 輪和轉子19，葉片15上裝設有用來測量葉片15動應力的應變片，葉片15的葉冠16處 設有可拆卸的減振機構，該減振結構由位於相鄰葉片的葉冠之間的減振螺栓17組成；一 個或一個以上的噴嘴4均勻布置於葉輪後側的圓周上，導電滑環10套設於轉子19上， 參見圖2。參見圖3所示，在具體實施例中，整個實驗裝置系統安裝於實驗臺外殼22內，實驗 臺外殼22和轉子支架23固定於水泥臺24上，葉輪機構固定於轉子支架23上。葉輪轉 子機構與驅動機構相連，供氣機構與噴嘴4相連，導電滑環10與信號測試系統相連。葉 片15之間的接觸碰撞可分為兩個階段，即分離與接觸階段，在分離階段，葉片15彼此 間無相互作用力；在接觸階段，可把它當作幹摩擦阻尼模型。為了進行各種不同葉冠16 間隙的減振實驗，本實施例中葉片15的葉冠16處設有可拆卸的減振螺栓17，減振螺栓 17位於相鄰葉片15的葉冠16之間，減振螺栓17通過調節螺母20固定於葉片15上(參 見圖4)，這樣可方便的調整葉冠16之間的間隙S。間隙S的調節可採用將塞尺21放到間隙中，然後固定塞尺的厚度，擰緊減振螺栓17達到指定間隙，中間可採用添加墊片的 方法滿足。在本實施例中，葉輪由60隻葉片15構成整圈的葉片-輪盤系統。在本實施例中，信號測試系統包括接線端子11、信號調理模塊12、採集卡13以及 計算機14，導電滑環10通過接線端子11與信號調理模塊12相連，信號調理模塊12的 輸出端通過採集卡13與計算機14相連。具體實施例中，接線端子11採用TBX1328,信 號調理模塊12採用SCXI1121，採集卡13採用PCI6221。供氣機構包括空壓機1、儲氣罐 2以及管道系統3，空壓機1與儲氣罐2相連，儲氣罐2的輸出端通過管道系統3與噴嘴 4相連，管道系統3包括輸氣管道5以及裝設於輸氣管道5上的閥門6和空氣過濾器7。 驅動機構包括電動機8和聯軸器9，電動機8通過聯軸器9與葉輪機構相連。為突出實驗 的主要目的，並為理論分析提供方便的有限元模型，可將葉片15設計為等截面直葉片或 等截面扭葉片或變截面直葉片或變截面扭葉片。利用該實驗系統進行透平自帶阻尼結構 葉片減振試驗研究時，葉輪轉子機構的驅動方式可以有幾種不同的情況(1)利用空壓 機1產生的壓縮空氣從噴嘴4中噴出，直接驅動葉輪旋轉，噴嘴4數目和開度均可根據 需要設置與調整。(2)直接利用變速電動機8驅動並調整葉輪轉子機構工作轉速。(3) 利用變速電動機8驅動並調整葉輪系統工作轉速，利用噴嘴4中產生的氣流做阻尼，降 低葉片系統共振轉速，研究葉片在共振情況下的應力變化情況。在具體實施例中，利用 變速電動機8驅動並調整葉輪轉子機構工作轉速，通過多個在圓周上均勻布置的空氣噴 嘴4，產生高頻激振力，使轉子19在較低轉速下就能使葉片15產生共振，用應變片感受 葉片15的振動信號和應力信號，通過轉子19上的導電滑環10傳送至信號調理模塊12， 再經過採集13卡接入計算機14，使用葉片15動態特性監測軟體監視葉片15動頻及葉片 15振幅在不同激振力和葉冠16間隙下的變化情況，研究在共振狀態下阻尼結構的減振效 果。利用透平自帶阻尼結構葉片減振實驗系統可研究葉片結構參數與碰撞減振效果之間 的關係；透平葉片阻尼結構參數與減振效果之間的關係；新型自帶阻尼結構葉片設計準 則與方法的效果評價。具體實施方法為設計不同形式的阻尼結構，加裝於實驗葉片15頂 部，調整阻尼結構參數如接觸面壓力、間隙等，測量葉片在共振狀態下的振動情況，分 析其減振效果，對減振性能進行評價。例如，用實驗方法研究氣流激振和葉冠16間隙對減振效果的影響。實驗時，葉冠16 間隙在0 2.5ram範圍內取若干個值(其中，在0 0. 5mm範圍內取的實驗點數應該多一 些)。在整個實驗期間，測量工況的轉速應該相同。實驗轉速的選定依據是應該使葉片15在該轉速下旋轉時，噴嘴4的氣流力應該使葉片15產生共振。實驗工況可分為如下幾 種噴嘴4全關工況，噴嘴4半開工況，噴嘴4全開工況。實驗時，將葉冠16的間隙調 整到預定值，將轉子19啟動至實驗轉速，分別在噴嘴4全關、噴嘴4半開、噴嘴4全開 三種狀態下測量葉片15的振動應力幅值。實驗測得的葉片15根部的應力幅值隨葉冠16 間隙和噴嘴開度的關係見圖5 (其中，O—噴嘴全開工況；^一噴嘴半開工況；參一噴嘴 全關工況)。葉片15根部的動應力實驗數據的分析表明在相同噴嘴4開度情況下，隨 著葉冠16間間隙的減小，葉片15的振動應力幅值總體趨勢是逐漸減小，在某一個間隙 值時應力幅值取極大值；在相同葉冠16間隙情況下，噴嘴4開度越小，振動應力的幅值 越小。上述實驗結果和理論分析結果一致，這說明該實驗裝置的實驗方法和原理是正確 的，即該透平自帶阻尼結構葉片減振實驗系統可用於研究和解決葉片15接觸碰撞減振問 題。
權利要求
1、一種透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，其特徵在於它包括實驗裝置系統和信號測試系統，所述實驗裝置系統包括葉輪轉子機構、供氣機構、一個或一個以上的噴嘴(4)、驅動機構以及導電滑環(10)，所述葉輪轉子機構包括由多個葉片(15)組成的葉輪和轉子(19)，葉片(15)上裝設有用來測量葉片(15)動應力的應變片，所述葉片(15)的葉冠處設有可拆卸的減振機構，該減振機構由位於相鄰葉片的葉冠之間的減振螺栓(17)組成；所述一個或一個以上的噴嘴(4)均勻布置於葉輪後側的圓周上，導電滑環(10)套設於轉子(19)上，葉輪轉子機構與驅動機構相連，供氣機構與噴嘴(4)相連，導電滑環(10)與信號測試系統相連。
2、 根據權利要求l所述的透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，其特徵在於所 述信號測試系統包括接線端子(11)、信號調理模塊(12)、採集卡(13)以及計算機(14)， 導電滑環(10)通過接線端子(11)與信號調理模塊(12)相連，信號調理模塊(12) 的輸出端通過採集卡(13)與計算機(14)相連。
3、 根據權利要求1或2所述的透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，其特徵在於 所述供氣機構包括空壓機(1)、儲氣罐(2)以及管道系統(3)，空壓機(1)與儲氣罐(2) 相連，儲氣罐(2)的輸出端通過管道系統(3)與噴嘴(4)相連，所述管道系統(3) 包括輸氣管道(5)以及裝設於輸氣管道(5)上的閥門(6)和空氣過濾器(7)。
4、 根據權利要求1或2所述的透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，其特徵在於 所述葉片驅動機構包括電動機(8)和聯軸器(9)，電動機(8)通過聯軸器(9)與葉輪 機構相連。
5、 根據權利要求3所述的透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，其特徵在於所 述驅動機構包括電動機(8)和聯軸器(9)，電動機(8)通過聯軸器(9)與葉輪轉子機 構相連。
6、 根據權利要求1或2所述的透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，其特徵在於 所述葉片(15)為等截面直葉片或等截面扭葉片或變截面直葉片或變截面扭葉片。
7、 根據權利要求5所述的透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，其特徵在於所 述葉片(15)為等截面直葉片或等截面扭葉片或變截面直葉片或變截面扭葉片。
全文摘要
本發明公開了一種透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統，它包括實驗裝置系統和信號測試系統，所述實驗裝置系統包括葉輪轉子機構、供氣機構、一個或一個以上的噴嘴、驅動機構以及導電滑環；葉輪轉子機構包括由多個葉片組成的葉輪和轉子，葉片上裝設有用來測量葉片動應力的應變片；葉片的葉冠處設有可拆卸的減振機構，該減振結構由位於相鄰葉片的葉冠之間的減振螺栓組成；一個或一個以上的噴嘴均勻布置於葉輪後側的圓周上；導電滑環套設於轉子上，葉輪轉子機構與驅動機構相連，供氣機構與噴嘴相連，導電滑環與信號測試系統相連。本發明是一種結構簡單緊湊、成本低廉、適用範圍廣、自動化程度高、測試精度高的透平自帶阻尼結構葉片的減振實驗系統。
文檔編號G01M15/00GK101231209SQ200810030589
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月2日 優先權日2008年2月2日
發明者盧緒祥, 晉風華, 李錄平, 饒洪德 申請人:長沙理工大學