專利名稱：葉片非同步振動模擬實驗臺及實驗操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種葉片非同步振動模擬實驗臺及實驗操作方法。
背景技術(shù)：
由于現(xiàn)在很多的壓氣機(jī)葉片在使用較長的時間之后，都會產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。引起這種現(xiàn)象的因素為壓氣機(jī)葉片的非同步振動。它基于氣體射流動力學(xué)，并和渦流理論相結(jié)合，通過和模擬葉片的柔性板相耦合，達(dá)到共振。正常情況下葉片共振時的頻率為葉片所在軸的轉(zhuǎn)動頻率的整數(shù)倍，但是在實驗測量中，葉片產(chǎn)生共振時所測到的頻率并不是軸轉(zhuǎn)動頻率的整數(shù)倍，因此，在葉片工作過程中，產(chǎn)生了一種氣流，影響到了葉片的振動，這個氣流就是文中提出的葉尖間隙流。它在撞擊葉片的時候就會產(chǎn)生一個反饋聲波，這個反饋聲波的波長等于葉尖間隙流出發(fā)點到這個葉片的距離的時候，認(rèn)為產(chǎn)生了葉尖間隙流共振，然后這個共振影響到了這個葉片，對葉尖位置產(chǎn)生了一個較大的壓力波動，這個波動不僅影響了葉片共振的頻率，而且還加速了葉片的損壞。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種葉片非同步振動模擬實驗臺及實驗操作方法，以達(dá)到準(zhǔn)確測量出作用于葉片的風(fēng)速的目的。一種葉片非同步振動模擬實驗臺，包括壓力容器、噴射筒、壓力傳感器支座、實驗板支座、激振器、試驗臺床身和平臺支座，其中，壓力容器通過連接管路連接噴射筒，所述的噴射筒設(shè)置于試驗臺床身的一端，試驗臺床身的另一端設(shè)置有激振器；在所述的激振器與噴射筒之間設(shè)置有實驗板支座，在所述的實驗板支座與噴射筒之間設(shè)置有壓力傳感器支座；所述的試驗臺床身下端設(shè)置有通過隔振塊和平臺支座，試驗臺床身通過隔振塊連接平臺支座。所述的試驗臺床身上設(shè)置有滑道，通過移動與滑道相對應(yīng)的滑塊，實現(xiàn)調(diào)整噴射筒與實驗板支座之間的距離。所述的連接管路上設(shè)置有壓力閥。采用葉片非同步振動模擬實驗臺確定氣流速度的方法，包括以下步驟步驟I、通過移動試驗臺床身上的滑塊調(diào)節(jié)噴射筒與實驗板支座之間的距離，上述距離范圍為I < L/D < 7，其中，L為噴射筒與實驗板之間的距離，D為噴射氣流直徑；步驟2、在實驗板支座上安裝用于模擬葉片的實驗板；在壓力傳感器支座上安裝壓力傳感器；在實驗板的螺紋孔中安裝壓力傳感器，并在實驗板被壓力容器氣流沖擊的另一側(cè)安裝加速度傳感器，同時啟動激振器為實驗板提供固有頻率；步驟3、開啟連接管路上的壓力閥，調(diào)節(jié)輸出氣流的壓力，所述氣流壓力范圍為I. 5MPa 2. 5MPa ；步驟4、通過壓力傳感器采集噴射氣流的壓力數(shù)據(jù)和實驗板上的壓力數(shù)據(jù)；通過實驗板上的加速度傳感器采集實驗板上的變形量數(shù)據(jù)；隨著氣流速度的增加,氣流作用在實驗板上的壓力波產(chǎn)生反饋聲波，當(dāng)反饋聲波長等于噴射筒與實驗板支座之間的距離時，在噴射筒噴嘴處產(chǎn)生速度和壓力波動，使實驗板的固有頻率處產(chǎn)生一個波峰，實驗板產(chǎn)生明顯增大的壓力波動，記錄此時連接管路上的壓力閥的轉(zhuǎn)角刻度，并根據(jù)壓力容器噴射氣流速度與壓力閥的轉(zhuǎn)角刻度之間的關(guān)系，得出此時氣流速度。本發(fā)明優(yōu)點本發(fā)明一種葉片非同步振動模擬實驗臺及實驗操作方法，該裝置通過移動與滑道相對應(yīng)的滑塊，實現(xiàn)調(diào)整噴射筒與實驗板支座之間的距離；試驗臺床身和四個平臺支座之間放置了四個隔振塊，減少或者消除了其它部件產(chǎn)生的振動信號對實驗結(jié)果的影響，使實驗結(jié)果更加的精確和有效；在連接管路上設(shè)置了一個壓力閥，可以根據(jù)實驗的不同需要來調(diào)節(jié)噴射氣流的壓力和速度，并可做其他的測試實驗；實驗板的安裝設(shè)置成了可更換式，有 柔性和剛性兩種實驗板可以更換，可以對比做射流沖擊剛性板和柔性板的聲波反饋理論兩個實驗。


圖I為本發(fā)明一種實施例的葉片非同步振動模擬實驗臺結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明一種實施例的壓力容器結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明一種實施例的試驗臺床身結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明一種實施例的模擬葉片的實驗板結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明一種實施例的實驗板支座及滑塊結(jié)構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明一種實施例的L/D=4，r/D=l. 2時柔性板表面壓力和氣流壓力互譜圖；圖7為本發(fā)明一種實施例采用葉片非同步振動模擬實驗臺確定氣流速度的方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種實施例做進(jìn)一步說明。如圖I所示，一種葉片非同步振動模擬實驗臺，包括壓力容器I、噴射筒3、壓力傳感器支座4、實驗板支座5、激振器6、試驗臺床身7和平臺支座9，其中，壓力容器I通過連接管路2連接噴射筒3，所述的噴射筒3設(shè)置于試驗臺床身7的一端，試驗臺床身7的另一端設(shè)置有激振器6 ;在所述的激振器6與噴射筒3之間設(shè)置有實驗板支座5，在所述的實驗板支座5與噴射筒3之間設(shè)置有壓力傳感器支座4 ;所述的試驗臺床身7下端設(shè)置有通過隔振塊8和平臺支座9，試驗臺床身7通過隔振塊8連接平臺支座9。所述的試驗臺床身7上設(shè)置有滑道，通過移動與滑道相對應(yīng)的滑塊10，實現(xiàn)調(diào)整噴射筒3與實驗板支座5之間的距離。所述的連接管路2上設(shè)置有壓力閥。本發(fā)明實施例中，如圖2所示，壓力容器I用于儲存高壓空氣，可以提供高速噴射氣流，并持續(xù)足夠長的時間。在壓力容器I出口管道上安裝有穩(wěn)壓閥，通過調(diào)節(jié)壓力，得到不同馬赫數(shù)的穩(wěn)定噴射氣流。壓力容器I通過空氣壓縮機(jī)得到足夠壓力的氣體，在壓力容器I工作過程中，如果壓力容器I中壓力不夠，空氣壓縮機(jī)可以隨時進(jìn)行補(bǔ)充。如圖3所示，試驗臺床身7用來支撐試驗的主體部分，試驗臺床身設(shè)置有滑道，通過螺栓連接來進(jìn)行滑塊10在床身上的移動和定位，從而可以調(diào)節(jié)實驗板和射流之間的距離，其中滑道11處安裝實驗板支座5及滑塊10，滑道12出安裝噴射筒，為了加工方便，床身采用鋼板焊接而成。如圖4所示，本發(fā)明實施例中采用柔性板和剛性板來模擬軸流式壓氣機(jī)葉片。柔性板由低碳鋼制成，圓板的周圍被固定起來，板上開有M5的螺紋孔13，用來安裝壓力傳感器，測量板表面不同位置的壓力波動。當(dāng)其它圓孔不用時，用螺釘將其堵上。本發(fā)明實施例設(shè)置的噴射筒3噴嘴直徑D=63. 5mm,圖中，實驗板上的孔距離圓心距離為r，r/D的值有I. 0，I. 1，I. 2，I. 3，I. 4，I. 5，I. 6，I. 7。在實驗板被壓力容器氣流沖擊的另一側(cè)安裝加速度傳感器，所述加速度傳感器采用B&K 4508B型號，并安裝在實驗板被氣流沖擊的另一側(cè)，靠近圓心的位置上，用雙面膠粘貼即可。實驗板采用剛性板時，在剛性板的I < r/D < I. 5處(D是噴射筒噴嘴的直徑，即噴射氣流的直徑是實驗板上放置壓力傳感器的螺紋孔圓心與實驗板圓心的距離)，可觀察到壓力波動。在板的中心，即停滯點(r/D=0)，沒有壓力波動。即這個顯著放大的壓力失穩(wěn)就是導(dǎo)致葉片疲勞損壞的重要因素。通過安裝在噴射筒前的壓力傳感器和安裝在實驗板上的壓力傳感器，分別采集到了噴射氣流的壓力和實驗板上的壓力，通過計算機(jī)輔助軟件的分析，可以看到在某一頻率和風(fēng)速下(所述的風(fēng)速可通過事先建立的風(fēng)速與壓力閥轉(zhuǎn)角刻度對應(yīng)關(guān)系估算出)，產(chǎn)生的較大的壓力波動。如圖5所示，圖中實驗板支座5上安裝實驗板，滑塊10上安裝激振器；實驗板支座5下部通過螺栓和滑塊10相連接，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)實驗板到噴射筒3之間的距離，從而滿足試驗的要求。本發(fā)明實施例中，通過放置在噴射筒噴嘴前的壓力傳感器來采集噴射氣流的壓力數(shù)據(jù)，通過安裝在實驗板上的壓力傳感器來采集實驗板上的壓力數(shù)據(jù)。壓力傳感器采用科萊特XTEL-190 (M)型小體積堅固型高溫壓力傳感器，它可以用來測量實驗板表面的壓力波動，螺紋安裝，便于測量。振動測試系統(tǒng)采用B&K 3560-D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，加速度傳感器用來收集實驗板變形量信號，測量實驗板的振動。本發(fā)明實施例中噴射出的氣流壓力作為輸入信號，實驗板上的壓力作為輸出信號。通過計算機(jī)輔助軟件，計算輸出/輸入，得到傳遞函數(shù)的值，通過輸出的實驗結(jié)果可以看到一個明顯的波峰。這個波峰的橫坐標(biāo)就是實驗板的激振頻率，也就是當(dāng)噴射氣流的速度達(dá)到臨界狀態(tài)時，在這個激振頻率下的反饋聲波的波長正好與噴射筒與實驗板之間的距離L相等。氣流產(chǎn)生了共振，對實驗板產(chǎn)生了一個明顯增大的壓力波動，即該速度的氣流造成實驗板的損壞。如圖6所示，為本發(fā)明實施例中的一組實驗結(jié)果。本發(fā)明實施例中L/D=4，r/ D=L 2，如圖所示，在激振頻率即實驗板的固有頻率1516Hz處，實驗板的壓力波動達(dá)到了最大值，認(rèn)為產(chǎn)生了共振現(xiàn)象，且隨著頻率的增加，壓力波動呈先大后小的現(xiàn)象，也就是這個明顯的壓力波動導(dǎo)致了葉片的疲勞損壞。采用葉片非同步振動模擬實驗臺確定氣流速度的方法，如圖7所示，包括以下步驟
步驟I、通過移動試驗臺床身上的滑塊調(diào)節(jié)噴射筒與實驗板支座之間的距離，上述距離范圍為I < L/D < 7，其中，L為噴射筒與實驗板之間的距離，D為噴射氣流直徑；步驟2、在實驗板支座上安裝用于模擬葉片的實驗板；在壓力傳感器支座上安裝壓力傳感器；在實驗板的螺紋孔中安裝壓力傳感器，并在實驗板被壓力容器氣流沖擊的另一側(cè)安裝加速度傳感器，同時啟動激振器為實驗板提供固有頻率；本發(fā)明實施例中，加速度傳感器采用B&K 4508B型號，并安裝在實驗板被氣流沖擊的另一側(cè)，靠近圓心的位置上，用雙面膠粘貼即可。步驟3、開啟連接管路上的壓力閥，調(diào)節(jié)輸出氣流的壓力，所述氣流壓力范圍為 I.5MPa 2. 5MPa ；步驟4、通過壓力傳感器采集噴射氣流的壓力數(shù)據(jù)和實驗板上的壓力數(shù)據(jù)；通過實驗板上的加速度傳感器采集實驗板上的變形量數(shù)據(jù)；在噴射筒與實驗板之間的距離L與噴射氣流直徑D之比在L/D=4的條件下，在噴射氣流速度核心區(qū)外，實驗板上的壓力波動產(chǎn)生了以速度c傳播的聲波。反射聲波的頻率與噴射速度成正比，而且也等于聲音的速度與其波長的比。隨著氣流速度的增加，氣流作用在實驗板上的壓力波產(chǎn)生反饋聲波，當(dāng)反饋聲波長等于噴射筒與實驗板支座之間的距離時，在噴射筒噴嘴處產(chǎn)生速度和壓力波動，使實驗板的固有頻率處產(chǎn)生一個波峰，實驗板產(chǎn)生明顯增大的壓力波動，記錄此時連接管路上的壓力閥的轉(zhuǎn)角刻度，并根據(jù)壓力容器噴射氣流速度與壓力閥的轉(zhuǎn)角刻度之間的關(guān)系，得出此時氣流速度，該速度即為對葉片造成損傷的葉尖間隙流速度，在工業(yè)實際中，通過調(diào)節(jié)軸流式壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速，可避開這個轉(zhuǎn)速區(qū)段，即可避開該速度的葉尖間隙流，解決了非同步振動導(dǎo)致葉片的壽命降低的問題。
權(quán)利要求
1.一種葉片非同步振動模擬實驗臺，其特征在于包括壓力容器(I)、噴射筒(3)、壓力傳感器支座(4)、實驗板支座(5)、激振器(6)、試驗臺床身(7)和平臺支座(9)，其中，壓力容器(I)通過連接管路(2)連接噴射筒(3)，所述的噴射筒(3)設(shè)置于試驗臺床身(7)的一端，試驗臺床身(7)的另一端設(shè)置有激振器(6);在所述的激振器(6)與噴射筒(3)之間設(shè)置有實驗板支座(5)，在所述的實驗板支座(5)與噴射筒(3)之間設(shè)置有壓力傳感器支座(4);所述的試驗臺床身(7)下端設(shè)置有通過隔振塊(8)和平臺支座(9)，試驗臺床身(7)通過隔振塊(8)連接平臺支座(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的葉片非同步振動模擬實驗臺，其特征在于所述的試驗臺床身(7)上設(shè)置有滑道，通過移動與滑道相對應(yīng)的滑塊(10)，實現(xiàn)調(diào)整噴射筒(3)與實驗板支座(5)之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的葉片非同步振動模擬實驗臺，其特征在于所述的連接管路(2)上設(shè)置有壓力閥。
4.采用權(quán)利要求I所述的葉片非同步振動模擬實驗臺確定氣流速度的方法，其特征在于包括以下步驟 步驟I、通過移動試驗臺床身上的滑塊調(diào)節(jié)噴射筒與實驗板支座之間的距離，上述距離范圍為1<L/D<7，其中，L為噴射筒與實驗板之間的距離，D為噴射氣流半徑； 步驟2、在實驗板支座上安裝用于模擬葉片的實驗板；在壓力傳感器支座上安裝壓力傳感器；在實驗板的螺紋孔中安裝壓力傳感器，并在實驗板被壓力容器氣流沖擊的另一側(cè)安裝加速度傳感器，同時啟動激振器為實驗板提供固有頻率； 步驟3、開啟連接管路上的壓力閥，調(diào)節(jié)輸出氣流的壓力，所述氣流壓力范圍為I.5MPa 2. 5MPa ； 步驟4、通過壓力傳感器采集噴射氣流的壓力數(shù)據(jù)和實驗板上的壓力數(shù)據(jù)；通過實驗板上的加速度傳感器采集實驗板上的變形量數(shù)據(jù)； 隨著氣流速度的增加，氣流作用在實驗板上的壓力波產(chǎn)生反饋聲波，當(dāng)反饋聲波長等于噴射筒與實驗板支座之間的距離時，在噴射筒噴嘴處產(chǎn)生速度和壓力波動，使實驗板的固有頻率處產(chǎn)生一個波峰，實驗板產(chǎn)生明顯增大的壓力波動，記錄此時連接管路上的壓力閥的轉(zhuǎn)角刻度，并根據(jù)壓力容器噴射氣流速度與壓力閥的轉(zhuǎn)角刻度之間的關(guān)系，得出此時氣流速度。
全文摘要
本發(fā)明一種葉片非同步振動模擬實驗臺及實驗操作方法，屬于航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，包括壓力容器、噴射筒、壓力傳感器支座、實驗板支座、激振器、試驗臺床身和平臺支座，其中，壓力容器通過連接管路連接噴射筒，所述的噴射筒設(shè)置于試驗臺床身的一端，試驗臺床身的另一端設(shè)置有激振器；在所述的激振器與噴射筒之間設(shè)置有實驗板支座，在所述的實驗板支座與噴射筒之間設(shè)置有壓力傳感器支座；所述的試驗臺床身下端設(shè)置有通過隔振塊和平臺支座，試驗臺床身通過隔振塊連接平臺支座；該裝置可實現(xiàn)調(diào)整噴射筒與實驗板支座之間的距離；該裝置通過隔振塊使實驗結(jié)果更加的精確和有效；該裝置可根據(jù)實驗的不同需要來調(diào)節(jié)噴射氣流的壓力和速度；該裝置可更換實驗板。
文檔編號G01P5/24GK102901838SQ201210375530
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者李鶴, 姚家平, 劉權(quán)峰, 耿志遠(yuǎn), 張海龍, 韓清凱, 聞邦椿 申請人:東北大學(xué)