[实用新型]汽轮机动叶片振动特性实验装置

说明书

技术领域

本实用新型是一种模拟旋转离心力对汽轮机动叶片振动的固有频率、振型影响的实验装置和方法，属于叶轮旋转机械振动技术领域。 

技术背景

汽轮机动叶片是汽轮机的重要部件，承担着将蒸汽的热能和流动动能转换为汽轮机转子旋转机械能输出的重要任务。在汽轮机工作过程中，汽流的周期性激励使叶片产生强迫振动，当汽流的激励频率与叶片自振固有频率相等时，引发共振，振幅急剧加大，交变应力急剧增加，叶片的动应力超过许用耐振强度，最终导致叶片的疲劳断裂。因此，在新叶片的开发和实际生产的安全分析中，需要全面了解动叶片的振动特性，从而为减小动叶片的动应力、避免动叶片疲劳断裂事故发生等提供优化设计依据。 

周期性变化横向汽流力对动叶片产生的振动，有弯曲振动和扭转振动两种。由于一般动叶片的最大主惯性轴与轮周方向的夹角较小，所以将动叶片绕截面最小主惯性轴（亦即在最大主惯性轴轴平面内）的弯曲振动称为切向振动，而绕截面最大主惯性轴（即在最小主惯性轴平面内）的弯曲振动成为轴向振动。又由于动叶片绕截面最小主惯性轴的抗弯刚度低于最大主惯性轴，因此，切向振动的频率低于轴向振动。 

弹性体的振动固有频率和振型，决定于弹性体的刚度与质量分布和端部固定条件。但对于调整旋转的汽轮机动叶片，离心力虽然不会引起动叶片振动，但垂直于动叶片截面的离心力，减弱了动叶片的弯曲和扭转变形，因而对动叶片的弯曲振动和扭转振动的固有频率及振型产生影响。通常将动叶片静止状态下的振动固有频率称为静频率，而将动叶片旋转状态下的振动固有频率称为动频率。 

叶片振动的静频率，采用锤击等激振法很容易检测，但因动叶片振动的动频率与转速有关，必须在旋转状态下检测。在以往的研究中，一般通过搭建复杂的专用实验台，通过动叶片上粘贴应变片的方式检测弯曲振动信号，并采用无线射 频技术传输信号。基于应变片的信号测量和射频无线信号传输，需用电源供电，应变片在高速旋转时因离心力很容易脱落，需用特殊粘贴技术。因此，检测汽轮机动叶片的动频率是一项非常复杂技术，且费用很高，教学实验是无法实现的。 

发明内容

技术问题：本实用新型针对概念抽象的叶片振动固有频率和振型及离心力对固有频率的影响的问题，基于弹性体振动原理，提供了一套便携式、可随时演示汽轮机叶片振动特性的装置及方法。 

技术方案：本实用新型基于弹性体振动原理，设计了一套便携式、可随时演示汽轮机叶片振动特性的装置，通过改变激励频率，展现出叶片振动的振型、固有频率测量方法、离心力对固有频率的影响等。 

一种汽轮机动叶片振动特性实验装置，包括： 

悬臂梁模型：包括条形弹性体和第一架台；条形弹性体首端连接在第一架台上部； 

叶片振动激励器：包括第一磁铁、电磁铁、交流信号发生器和开关；所述第一磁铁连接在条形弹性体上；所述电磁铁上的线圈通过开关连接交流信号发生器；电磁铁对应置于所述第一磁铁下方； 

离心力模拟器：包括第二架台、第二磁铁和第三磁铁；所述第三磁铁连接在第二架台的上部；所述第二磁铁连接在条形弹性体的尾端；所述条形弹性体的尾端指向所述第三磁铁； 

信号采集/处理单元：包括条形弹性体的振动参数采集装置和频谱测量装置；所述条形弹性体的振动参数采集装置采集条形弹性体的振动参数后，再传给频谱测量装置； 

所述第一磁铁和第二磁铁的重量和小于使条形弹性体产生形变的力。 

作为改进，所述条形弹性体的振动参数采集装置是加速度传感器和数据采集器；所述加速度传感器采集条形弹性体的振动加速度，加速度传感器的数据输出端连接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端连接频谱测量装置。 

所述条形弹性体是锯条。 

一种采用上述实验装置进行演示的方法，用条形弹性体模拟汽轮机叶片振动， 

a.模拟汽轮机叶片振动的振型： 

撤除第二铁架台、第二磁铁、第三磁铁，撤除加速度传感器和NI数据采集器，在条形弹性体上表面撒上薄薄的一层粉状物，闭合开关，调节交流信号发生器的频率，通过观察粉状物的分布情况判断节点个数，从而得到在不同激励力频率下条形弹性体的振型； 

b.模拟离心力对叶片自振频率的影响： 

b-1，在a的基础上，装上加速度传感器、数据采集器，开启频谱测量装置，闭合开关，待条形弹性体振动起来，打开开关，通过频谱测量装置测得条形弹性体自振频率；