專利名稱：汽輪機動葉片振動特性實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種模擬旋轉(zhuǎn)離心力對汽輪機動葉片振動的固有頻率、振型影響的實驗裝置和方法，屬于葉輪旋轉(zhuǎn)機械振動技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
汽輪機動葉片是汽輪機的重要部件，承擔著將蒸汽的熱能和流動動能轉(zhuǎn)換為汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機械能輸出的重要任務(wù)。在汽輪機工作過程中，汽流的周期性激勵使葉片產(chǎn)生強迫振動，當汽流的激勵頻率與葉片自振固有頻率相等時，引發(fā)共振，振幅急劇加大，交變應(yīng)力急劇增加，葉片的動應(yīng)力超過許用耐振強度，最終導致葉片的疲勞斷裂。因此，在新葉片的開發(fā)和實際生產(chǎn)的安全分析中，需要全面了解動葉片的振動特性，從而為減小動葉片的動應(yīng)力、避免動葉片疲勞斷裂事故發(fā)生等提供優(yōu)化設(shè)計依據(jù)。周期性變化橫向汽流力對動葉片產(chǎn)生的振動，有彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動兩種。由于一般動葉片的最大主慣性軸與輪周方向的夾角較小，所以將動葉片繞截面最小主慣性軸(亦即在最大主慣性軸軸平面內(nèi))的彎曲振動稱為切向振動，而繞截面最大主慣性軸(即在最小主慣性軸平面內(nèi))的彎曲振動成為軸向振動。又由于動葉片繞截面最小主慣性軸的抗彎剛度低于最大主慣性軸，因此，切向振動的頻率低于軸向振動。彈性體的振動固有頻率和振型，決定于彈性體的剛度與質(zhì)量分布和端部固定條件。但對于調(diào)整旋轉(zhuǎn)的汽輪機動葉片，離心力雖然不會引起動葉片振動，但垂直于動葉片截面的離心力，減弱了動葉片的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，因而對動葉片的彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率及振型產(chǎn)生影響。通常將動葉片靜止狀態(tài)下的振動固有頻率稱為靜頻率，而將動葉片旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動固有頻率稱為動頻率。葉片振動的靜頻率，采用錘擊等激振法很容易檢測，但因動葉片振動的動頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)，必須在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下檢測。在以往的研究中，一般通過搭建復雜的專用實驗臺，通過動葉片上粘貼應(yīng)變片的方式檢測彎曲振動信號，并采用無線射頻技術(shù)傳輸信號?；趹?yīng)變片的信號測量和射頻無線信號傳輸，需用電源供電，應(yīng)變片在高速旋轉(zhuǎn)時因離心力很容易脫落，需用特殊粘貼技術(shù)。因此，檢測汽輪機動葉片的動頻率是一項非常復雜技術(shù)，且費用很高，教學實驗是無法實現(xiàn)的。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實用新型針對概念抽象的葉片振動固有頻率和振型及離心力對固有頻率的影響的問題，基于彈性體振動原理，提供了一套便攜式、可隨時演示汽輪機葉片振動特性的裝置及方法。技術(shù)方案本實用新型基于彈性體振動原理，設(shè)計了一套便攜式、可隨時演示汽輪機葉片振動特性的裝置，通過改變激勵頻率，展現(xiàn)出葉片振動的振型、固有頻率測量方法、離心力對固有頻率的影響等。一種汽輪機動葉片振動特性實驗裝置，包括[0009]懸臂梁模型包括條形彈性體和第一架臺；條形彈性體首端連接在第一架臺上部;葉片振動激勵器包括第一磁鐵、電磁鐵、交流信號發(fā)生器和開關(guān)；所述第一磁鐵連接在條形彈性體上；所述電磁鐵上的線圈通過開關(guān)連接交流信號發(fā)生器；電磁鐵對應(yīng)置于所述第一磁鐵下方；離心力模擬器包括第二架臺、第二磁鐵和第三磁鐵；所述第三磁鐵連接在第二架臺的上部；所述第二磁鐵連接在條形彈性體的尾端；所述條形彈性體的尾端指向所述第三磁鐵；信號采集/處理單元包括條形彈性體的振動參數(shù)采集裝置和頻譜測量裝置；所述條形彈性體的振動參數(shù)采集裝置采集條形彈性體的振動參數(shù)后，再傳給頻譜測量裝置； 所述第一磁鐵和第二磁鐵的重量和小于使條形彈性體產(chǎn)生形變的力。作為改進，所述條形彈性體的振動參數(shù)采集裝置是加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集器；所述加速度傳感器采集條形彈性體的振動加速度，加速度傳感器的數(shù)據(jù)輸出端連接數(shù)據(jù)采集器的輸入端，數(shù)據(jù)采集器的輸出端連接頻譜測量裝置。所述條形彈性體是鋸條。一種采用上述實驗裝置進行演示的方法，用條形彈性體模擬汽輪機葉片振動，a.模擬汽輪機葉片振動的振型撤除第二鐵架臺、第二磁鐵、第三磁鐵，撤除加速度傳感器和NI數(shù)據(jù)采集器，在條形彈性體上表面撒上薄薄的一層粉狀物，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)交流信號發(fā)生器的頻率，通過觀察粉狀物的分布情況判斷節(jié)點個數(shù)，從而得到在不同激勵力頻率下條形彈性體的振型；b.模擬離心力對葉片自振頻率的影響b_l，在a的基礎(chǔ)上，裝上加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器，開啟頻譜測量裝置，閉合開關(guān)，待條形彈性體振動起來，打開開關(guān)，通過頻譜測量裝置測得條形彈性體自振頻率；b_2，在b_l基礎(chǔ)上，裝上第二磁鐵、第三磁鐵，搬來第二鐵架臺，閉合開關(guān)，待條形彈性體振動起來，即打開開關(guān)，移動第二鐵架臺3，改變其與條形彈性體的距離，通過頻譜測量裝置測得條形彈性體受到不同大小的軸向力時的自振頻率。有益效果本實用新型具有如下的特色及優(yōu)點本實用新型用電磁鐵、頻率可變的交流信號發(fā)生器、開關(guān)構(gòu)成的回路來制作頻率可調(diào)的葉片振動激勵器，可以實現(xiàn)模擬葉片在不同頻率下的強迫振動；通過調(diào)節(jié)葉片振動激勵器的頻率，演示出模擬葉片的不同振型；基于非接觸磁性力耦合原理，制作作用力大小可調(diào)的離心力模擬器，很好地模擬了真實葉片在旋轉(zhuǎn)力場中離心力對其固有頻率的影響，通過建立轉(zhuǎn)速和離心力之間的模型將不同大小的離心力轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，從而可以研究轉(zhuǎn)速對動葉片自振頻率的影響；基于加速度振動傳感器、NI數(shù)據(jù)采集器和頻譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)起來簡單可
O該裝置體積小，制作方便，非常適合教學演示實驗用。

[0028]圖I是汽輪機動葉片振動特性實驗裝置的示意圖。圖中有條形彈性體(模擬葉片)1，固定條形彈性體的第一鐵架臺2，第二鐵架臺
3,第二磁鐵4,第三磁鐵5,加速度傳感器6,第一磁鐵7,電磁鐵8、交流信號發(fā)生器9,開關(guān)10。
具體實施方式
下面參照圖I，具體說明本實用新型的具體實施例。一種汽輪機動葉片振動特性實驗裝置及方法，該裝置包括用于模擬葉片的條形彈性體、固定條形彈性體以模擬懸臂梁力學模型的鐵架臺、作用力大小可調(diào)的離心力模擬器、頻率可調(diào)的葉片振動激勵器、加速度振動傳感器和NI數(shù)據(jù)采集器等。在研究汽輪機葉片振動時，將葉片當作連續(xù)質(zhì)量分布的彈性懸臂梁，因此本裝置將條形彈性體固定在鐵架臺的上端(可以用螺栓或者焊接的固定方式實現(xiàn))，從而構(gòu)造葉片振動的懸臂梁模型。在測量條形彈性體自振頻率以及觀察其振型的時候，必須要有外界激勵力的作用，本實用新型利用非接觸磁性力耦合原理和電磁鐵磁化原理設(shè)計出頻率、大小可調(diào)的葉片振動激勵器。具體實現(xiàn)辦法為在條形彈性體的下表面吸附一塊微型磁鐵，用微型磁鐵是為了使磁鐵的慣性質(zhì)量對鋸條自振頻率的影響盡可能??；然后用電磁鐵、交流信號發(fā)生器、開關(guān)構(gòu)成的回路使電磁鐵具有磁性，放置在吸附在條形彈性體下表面的微型磁鐵的正下方；由于電磁鐵線圈里流動的是交流電，因此電磁鐵兩端的極性不斷發(fā)生變化，電磁鐵對微型磁鐵的作用力也不斷地在吸引力和排斥力兩者中切換，從而對條形彈性體施以激勵力。本裝置用沿條形彈性體的軸向力模擬為葉片在旋轉(zhuǎn)力場中受到離心力，具體實現(xiàn)辦法為在條形彈性體軸向端面吸附一塊微型磁鐵，在條形彈性體右邊用吸附在鐵架臺上的較大的磁鐵正對著微型磁鐵，這樣大磁鐵對微型磁鐵的吸引力方向沿條形彈性體軸向，在條形彈性體小角度振動范圍內(nèi)，將此軸向力近似為條形彈性體在旋轉(zhuǎn)力場中受到的離心力，從而可用于研究離心力對葉片自振頻率的影響，通過建立轉(zhuǎn)速和離心力之間的模型將不同大小的離心力轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，從而可以研究轉(zhuǎn)速對動葉片自振頻率的影響。具體實驗方法如下a.撤除第二鐵架臺3、第二磁鐵4、第三磁鐵5，撤除加速度傳感器6和NI數(shù)據(jù)采集器，在條形彈性體上表面撒上薄薄的一層粉狀物，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)交流信號發(fā)生器的頻率，通過觀察粉狀物的分布情況判斷節(jié)點個數(shù)，從而得到在不同激勵力頻率下條形彈性體的振型；b.裝上加速度傳感器6、NI數(shù)據(jù)采集器，開啟頻譜測定軟件，閉合開關(guān)10，待條形彈性體振動起來，打開開關(guān)10，通過頻譜測定軟件測得鋸條自振頻率；c.裝上第二磁鐵4、第三磁鐵5，搬來第二鐵架臺3，閉合開關(guān)10，待條形彈性體振動起來，即打開開關(guān)，移動第二鐵架臺3，改變其與條形彈性體的距離，通過頻譜測定軟件測得條形彈性體受到不同大小的軸向力時的自振頻率。 原理說明如下撤除第二鐵架臺3、第二磁鐵4、第三磁鐵5，撤除加速度傳感器6和NI數(shù)據(jù)采集器，在條形彈性體上表面撒上薄薄的一層粉狀物，閉合開關(guān)10，調(diào)節(jié)交流信號發(fā)生器9的頻率控制激勵力的頻率，從而控制條形彈性體強迫振動的頻率。通過觀察粉狀物的分布情況判斷節(jié)點個數(shù)，粉狀物位移沒有發(fā)生任何改變的地方說明是一個節(jié)點，從而得到在不同激勵力頻率下條形彈性體的振型。裝上加速度傳感器6、NI數(shù)據(jù)采集器，開啟頻譜測定軟件，閉合開關(guān)10，待條形彈性體振動起來，即打開開關(guān)10，讓其自由振動，此時通過頻譜測定軟件測得條形彈性體自振頻率。裝上第二磁鐵4、第三磁鐵5，搬來第二鐵架臺3，閉合開關(guān)10，待條形彈性體振動起來，即打開開關(guān)10，讓其自由振動，移動第二鐵架臺3，改變其與條形彈性體的距離，從而改變條形彈性體所受到的軸向力的大小，通過頻譜測定軟件測得條形 彈性體受到不同大小的軸向力時的自振頻率，通過建立轉(zhuǎn)速和離心力之間的模型將不同大小的離心力轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)速,從而可以研究轉(zhuǎn)速對動葉片自振頻率的影響。這就是本實用新型汽輪機動葉片振動特性實驗的整個流程。
權(quán)利要求1.一種汽輪機動葉片振動特性實驗裝置，其特征在于包括 懸臂梁模型包括條形彈性體和第一架臺；條形彈性體首端連接在第一架臺上部； 葉片振動激勵器包括第一磁鐵、電磁鐵、交流信號發(fā)生器和開關(guān)；所述第一磁鐵連接在條形彈性體上；所述電磁鐵上的線圈通過開關(guān)連接交流信號發(fā)生器；電磁鐵對應(yīng)置于所述第一磁鐵下方； 離心力模擬器包括第二架臺、第二磁鐵和第三磁鐵；所述第三磁鐵連接在第二架臺的上部；所述第二磁鐵連接在條形彈性體的尾端；所述條形彈性體的尾端指向所述第三磁鐵； 信號采集/處理單元包括條形彈性體的振動參數(shù)采集裝置和頻譜測量裝置；所述條形彈性體的振動參數(shù)采集裝置采集條形彈性體的振動參數(shù)后，再傳給頻譜測量裝置； 所述第一磁鐵和第二磁鐵的重量和小于使條形彈性體產(chǎn)生形變的力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述汽輪機動葉片振動特性實驗裝置，其特征是所述條形彈性體的振動參數(shù)采集裝置是加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集器；所述加速度傳感器采集條形彈性體的振動加速度，加速度傳感器的數(shù)據(jù)輸出端連接數(shù)據(jù)采集器的輸入端，數(shù)據(jù)采集器的輸出端連接頻譜測量裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述汽輪機動葉片振動特性實驗裝置，其特征是所述條形彈性體是鋸條。
專利摘要一種汽輪機動葉片振動特性實驗裝置，包括條形彈性體和第一架臺，第二架臺、第二磁鐵和第三磁鐵，條形彈性體的振動參數(shù)采集裝置和頻譜測量裝置；條形彈性體首端連接在第一架臺上部；葉片振動激勵器包括第一磁鐵、電磁鐵、交流信號發(fā)生器和開關(guān)；所述第一磁鐵連接在條形彈性體上；所述電磁鐵上的線圈通過開關(guān)連接交流信號發(fā)生器；電磁鐵對應(yīng)置于所述第一磁鐵下方；所述第三磁鐵連接在第二架臺的上部；所述第二磁鐵連接在條形彈性體的尾端；所述條形彈性體的尾端指向所述第三磁鐵；所述條形彈性體的振動參數(shù)采集裝置采集條形彈性體的振動參數(shù)后，再傳給頻譜測量裝置。該裝置體積小，制作方便，非常適合教學演示實驗用。
文檔編號G01M7/02GK202433167SQ20112049348
公開日2012年9月12日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者劉志華, 張東興, 李季, 楊建明, 謝資華 申請人:東南大學