新型阻尼结构叶片振动特性试验研究

4L圣言汔粉嵌1DONGFANGTURBINE周显丁谢永慧吴君1东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000；2西安交通大学能源与动力工程学院。西安，710049摘要干摩擦阻尼结构被广泛应用于透平叶片中来降低其振动应力。文章设计并搭建了干摩擦阻尼块结构叶片振动特性测试试验台，通过测量一新型阻尼结构叶片的振动响应值，获得了不同激振力及模拟离心力转速下叶片频率响应曲线及模态阻尼比。试验结果表明当激振力较小时4N、5N和6N，叶片的共振频率随模拟离心力转速的上升而不断增加，而模态阻尼比则先增加再减小，在40模拟离心力转速工况下模态阻尼比最大，叶片减振效果最好；当激振力较大时12N、18N和24N，叶片振动更加剧烈，使得阻尼块接触刚度降低，叶片的共振频率接近自由叶片固有频率，而模态阻尼比随着模拟离心力转速的上升不断降低。关键词阻尼结构叶片；振动特性；试验研究EXPERIMENTALSTUDYONVIBRATIONCHARACTERISTICSOFBLADEWITHNEWDAMPINGSTRUCTUREZHOUXIANDING。，XIEYONGHUI，WUJUN1DONGNGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN6180002SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，XIANJIAOTONGUNIVERSITY,XIALL710049ABSTRACTDRYFRICTIONDAMPINGSTRUCTUREHADBEENWIDELYUSEDINTURBINEBLADESTODECREASETHEVIBRATIONSTRESSATESTRIGWASDESIGNEDANDBUILTTOTESTTHEVIBRATIONCHARACTERISTICSOFBLADESWITHDRYFRICTIONDAMPERSTHEVIBRATIONRESPONSEOFAREALBLADEWITHWEDGEDAMPERSWEREMEASUREDTHERESPONSECURVESANDMODALDAMPINGRATIOSOFTHEBLADEUNDERDIFFERENTEXCITATIONFORCESANDSIMULATINGCENTRIFUGALFORCEDUETODIFFERENTROTATIONALSPEEDSWEREOBTAINEDTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWEDTHATWITHTHEINCREASEOFSIMULATINGCENTRIFUGALFORCEOFROTATIONALSPEED，THERESONANCEFREQUENCYOFTHEBLADEINCREASEDANDTHEMODALDAMPINGRATIOEXPERIENCEANINCREASEPERIODFOLLOWEDBYADECREASEPERIODUNDERTHEAPPLIEDSMALLEXCITATIONFORCES4N，5NAND6NTHEMODALDAMPINGRATIOREACHEDMAXIMUMANDTHEBESTDAMPINGEFFECTWASATTAINEDASTHESIMULATINGCENTRIFUGALFORCEOFROTATIONALSPEEDIS40ITWASALSOSEENBYTHEEXPERIMENTALRESULTSTHATTHERESONANCEFREQUENCYOFTHEBLADEWASCLOSETOTHATOFTHEFREEBLADEUNDERTHEAPPLIEDBIGEXCITATIONFORCES12N，18NAND24NFORTHECONTACTSTIFFNESSOFTHEDAMPERSDECREASEDWITHEXCESSIVEVIBRATIONANDTHEMODALDAMPINGRATIODECREASEDWITHTHEINCREASEOFTHESIMULATINGCENTRIFUGALFORCEOFROTATIONALSPEEDKEYWORDSDAMPINGSTRUCTURALBLADE，VIBRATIONCHARACTERISTICS，EXPERIMENTALSTUDY汽轮机叶片在工作时不仅承受着高温、高压和较大的离心力作用，还受到周期性波动的气流作者简介周显丁1966一，男，教授级高级工程师，1989毕业于上海理工大学涡轮机专业，第一届东汽杰出科技人才奖获得者，主要从事汽轮机设计研究工作。激振力作用，当激振力频率与叶片的固有频率非常接近时，叶片就会发生共振，振动幅值突然增大，从而使叶片承受较大的动态应力。高周疲劳是透平叶片的主要失效形式之一，主要是由叶片共振时产生的较大动态应力所引起的。通过增加阻尼可以在不改变机组运行工况和叶片通流尺寸的情况下减小叶片的振动幅值，降低叶片的振动应力，提高叶片的安全可靠性和运行寿命。干摩擦阻尼结构阻尼块、凸台拉金、松拉金、阻尼围带等由于能够有效地降低叶片的振动幅值而被广泛应用于汽轮机叶片的设计中。在干摩擦阻尼透平叶片减振的理论和试验方面，国内外众多学者已经进行了大量的研究。在描述干摩擦阻尼特性的理论模型方面，提出了COULOMB摩擦模型、双线性迟滞恢复力模型H、微动滑移单杆模型和微动滑移刷式模型等。由于干摩结构强烈的非线性特性，很难用一种通用的模型来描述，因此需要通过试验研究对理论模型进行验证和完善。MENQCH和GRIMNJH等人对叶片一平台阻尼结构的振动特性进行了试验研究，SRINIVASANAV通过试验对具有凸肩阻尼结构叶片进行了研究，分析了摩擦接触面切向刚度对阻尼和响应的影响。另外，国内也有众多学者对具有缘板阻尼器、凸肩阻尼结构叶片的振动特性进行了试验研究，但大多采用较为简单的模型叶片代替真实叶片进行研究，试验结果和实际叶片振动情况存在差别。对于具有干摩擦阻尼结构的真实汽轮机叶片的研究较少，而获得真实汽轮机叶片的阻尼振动特性具有重要工程应用价值。该文针对具有新型阻尼结构的汽轮机叶片，搭建了叶片振动特性试验台，研究了不同大小激振力和模拟离心力转速工况下叶片的阻尼振动特性，分析了阻尼结构对叶片振动特性的影响规律，为合理设计叶片、改善叶片安全可靠性提供了参考。11试验方案试验对象为叶根平台楔形阻尼块及围带阻尼圣玄乞粉拔LD0NGFANGTURBLNE15块结构的汽轮机叶片如图1所示。叶根楔形阻尼块放置在相邻两个叶片的叶根平台径向面形成的空腔内，围带阻尼块放置在相邻两个叶片围带径向面形成的空腔内。工作时，在离心力的作用下，叶根楔形阻尼块和围带阻尼块分别与叶根平台径向面和围带径向面紧密贴合，在汽流激振力的作用下，叶片和阻尼块之间产生微观或宏观的相对滑移，从而耗散振动能量，产生阻尼减振效果。由于叶根楔形阻尼块和围带阻尼块位于相邻叶片之间，为了真实的模拟阻尼块结构对叶片振动特性的影响，本试验选取三只叶片进行测试，其中中间叶片两侧均按实际情况放置阻尼块，最后测量中问叶片的振动响应值。试验时，首先采用千斤顶对叶根施加紧固力以固定叶片，通过钢丝绳拉紧施力机构对叶根和围带阻尼块施加对应模拟离心力转速工况下的离心力，在某一组模拟离心力作用下，采用激振器对叶片施加一定大小和频率的激振力，使叶片产生受迫振动，随后将叶片的振动测量信号通过传感器传至动态信号分析仪中，得到该振动频率下叶片上不同测量位置的响应本试验系统中沿叶高方向布置多个电涡流位移传感器，可同时非接触测得叶片上多个位置的响应。图1某新型阻尼结构汽轮机叶片1。2试验测试系统及装置图2为试验台测试系统框图，图3为试验台主体部分实物图。叶片振动阻尼特性试验测量装置包括试验基础台架、叶片根部压力载荷施加和测量机构、围带阻尼块和叶根楔形阻尼块离心力载荷施加和测量机构、激振力施加和测量机构、叶索言汔粉揍DONGFANGTURBINEZ移响应测量机构和数据处理器。如图4所金基础台架主要由底板1和侧板2二者通过焊接连为一体。底板1固定在上，用于放置其余试验装置。侧板2台结构用于固定轮槽8，外侧的螺杆2用于施加阻尼块的离心力载荷。图2阻尼叶片振动特性测试系统框图图3试验台主体部分实物图图4试验基础台架叶片根部接触面压力载荷施加和测量机构，如图5所示，包括液压千斤顶3、垫块4、标准试件5、顶块6、叶片7以及轮槽8。液压千斤顶3放置在试验基础台架的底板1中央，垫块4放置在液压千斤顶3的上表面，用于测量压力载荷的贴有应变片的标准试件5放置在垫块4表面对应的凹槽内，对叶根施加压力载荷的顶块6放置在标准试件5的上表面，三只叶片7装在轮槽8中，如局部视图I中所示，顶块6上的凸台在液压千斤顶3的作用下对叶片7底面施加载荷，使得压力载荷传递到叶根与轮槽的接触面上，从而实现压力载荷的施加，并通过贴有应变片的标准试件5来测量所施加的压力载荷。曝A厂E一8。，II硼R【_，心_LJL13一I图5叶片根部接触面压力载荷施加和测量机构叶根楔形阻尼块和围带阻尼块离心力施加和测量机构，如图6所示，包括顶杆9、钢丝滑轮结构10、静态力传感器11、螺杆结构12。顶杆9插入轮槽8与叶片7底部的空隙中，两侧通过钢丝滑轮结构10牵拉，用螺杆结构12施加拉力载荷，自下而上将叶根楔形阻尼块拉紧，使阻尼块与叶根表面接触，而拉力可以通过钢丝滑轮结构10中的静态力传感器11测量得到，进而得到叶根楔形阻尼块所受作用力。在围带阻尼块上打孔，将钢丝绳穿入，再通过钢丝滑轮结构10和螺杆结构12对其施加径向拉力来模拟阻尼块离心力，拉力值通过其中的静态力传感器11测量得到，进而得到围带阻尼块所受作用力。图6叶根楔形阻尼块和围带阻尼块离心力载荷施加和测量机构示意图通过连杆将激振器和叶片固定连接，如图7所示。对叶片施加一定幅值和频率的激振力后，利用位移传感器测量叶片的振动位移响应值，从而获得阻尼块对叶片减振特性的影响。激振力施加和测量机构包括激振器、螺纹连杆、动态力传感器和螺母，通过螺纹连杆将激振器与叶片连接起来，在连杆上靠近叶片处连接有动态力传感器对激振力进行测量；叶片振动响应测量机构包括支架和位移传感器，支架固定在基础上保持静止，将位移传感器放置在支架上，调整支架上连杆的位置使位移传感器与叶片表面之间保持合适的测量距离。图7激振力施加和测量机构与叶片振动位移响应测量机构示意图最后通过激振器对叶片施加一定幅值和频率的激振力，并采用支架上的位移传感器测量叶片的振动位移响应，从而获得具有围带阻尼块和叶根楔形阻尼块汽轮机叶片的阻尼振动特性。索言汔粉按LDONGFANGTURBINEI121试验内容本试验测试了楔形阻尼块汽轮机叶片在五种模拟转速10、20、40、60、100工况下承受小激振力4N、5N和6N时的振动响应值；并且在较大激振力12N、18NTI24N作用下测试了楔形阻尼块汽轮机叶片在三种模拟转速40、60和100的振动响应值。22试验主要步骤221叶片的安装及固定首先通过液压千斤顶3、垫块4、贴有应变片的标准试件5、顶块6和轮槽8等机构将三只叶片7及阻尼块安放在对应的位置，然后通过液压千斤顶3对叶片7施加压力载荷，使叶片7的叶根与轮槽8的接触面紧密贴合。通过贴有应变片的标准试件5测量所施加的压力载荷。222小激振力时的测量根据模拟离心力转速某个工况所对应的阻尼块离心力，调节钢丝滑轮机构10对叶根楔形阻尼块和围带阻尼块施加对应的离心力载荷。分别对叶片施加幅值为4N、5NLI6N的正弦激振力，通过电涡流位移传感器测量叶片在某一个频率激振力作用下的振动响应，逐步增加激振力频率，最后测量得到一定幅值激振力作用下叶片的频率响应值。接着测量下一个模拟离心力转速工况下各个幅值激振力作用下叶片频率响应值。223大激振力时的测量与第2步骤中的过程类似，只是激振力的幅值变为12N、18N和24N。最后测量得到不同模拟离心力转速工况在各个幅值激振力作用下叶片的频率响应值。通过试验测量获得了小激振力和大激振力作用下各模拟离心力转速工况时叶片的频率响应。其中模拟离心力转速工况是指以工作转速3000RMIN为标准即100，其他转速换算成对应的8I百分比，根据阻尼块的质量及位置，计算相应转速下叶根楔形阻尼块和围带阻尼块受到的离心力大小，然后通过钢丝滑轮机构10对各阻尼块施加对应模拟离心力转速工况下的离心力载荷。31小激振力下叶片的阻尼振动特性通过测量获得了叶片在小激振力4N、5NLL6N作用下五种模拟离心力转速工况时的频率响应值。在4N激振力作用下，模拟离TL,力转速为20、40I1100工况时叶片的振动频响曲线如图8所示。由图8可以看出，模拟离心力转速从2040时叶片共振幅值是降低的，等于40时共振幅值达到最小，大于40后共振幅值又开始增加。因此，随着模拟离心力转速的逐渐增加，叶片的共振幅值先降低，再增大。叛翠们L图8激振力为4N时20、40和100模拟离心力转速工况下叶片的振动频响曲线表1与图9示出了小激振力作用下模拟离心力转速与叶片共振频率之间的关系。表1中代数平均共振频率是指将各激振力4N、5ND6N工况对应模拟离心力转速下的共振频率代数平均以后的值，从图9中可以更加明显的看出共振频率随模拟离心力转速的变化趋势。表1，J嘶I力工况下模拟离心力转速与共振频率的关系梗拟离心力转速图9小激振力时模拟离心力转速与共振频率的关系叶片的共振频率随楔形阻尼块模拟离心力转速由10上升到60，其数值上升明显，可见在该转速变化范围内，楔形阻尼块与围带之间的接触刚度上升明显；而楔形阻尼块模拟离心力转速由60上升到L00，其共振频率变化很小，在100模拟转速下，叶片共振频率出现了下降的趋势，主要原因来自于施加在楔形阻尼块上的拉力增大，把叶片向上拉的趋势明显，从而在一定程度上削弱了叶根的固定刚性。考虑这一因素后，叶片共振频率在模拟转速超过60以后应该是几乎不变的，也就是说楔形阻尼块与叶片围带之间的接触刚度己经达到最大。叶片和阻尼块之间承受非常大的正压力载荷，使其达到近似锁死状态，此时可以认为相邻叶片通过阻尼块连接为一个整体，即叶片呈整圈振动特性。表2与图10示出了小激振力作用下模拟离TL,力转速和叶片模态阻尼比之间的关系，表2中代数平均阻尼比是指将各激振力4N、5ND6N工况对应模拟离心转速下的模态阻尼比代数平均以后的值。从图L0中可以更加明显的看出模态阻尼比随模拟离心力转速的变化规律。表2小激振力时模拟离心力转速与模态阻尼比的关系图10小激振力时模拟离心力转速与模态阻尼比的关系叶片的模态阻尼比随楔形阻尼块模拟离心力转速由10上升到40，其数值上升明显，其后，随着模拟离心力转速的上升，叶片模态阻尼比呈现下降趋势，而当模拟转速超过60以后，叶片的模态阻尼变化较小。最大模态阻尼比出现在模拟转速40处，为00153。分析该曲线趋势的原因如下1在模拟离心力转速为10时，由于楔形阻尼块与叶片围带之间贴合得不够紧密，叶片模态阻尼比接近自由叶片的模态阻尼比；2随着模拟离心力转速的上升，楔形阻尼块与围带之间的压力逐步上升，贴合越来越紧密，其抵抗振动的摩擦力也越来越大，导致叶片的模态阻尼比上升，并且在40模拟转速下达到最大值；3随着模拟离心力转速的进一步上升，楔形阻尼块与围带之间压力进一步增加，导致阻尼块与围带之间要产生相对位移较为困难，降低了阻尼块消耗振动能量的能力，所以模态阻尼比下降；4