用锤击法测定燃气涡轮叶盘的模态参数.pdf

年强度与环境第!期用锤击法测定燃气涡轮叶盘的模态参数陆国民杨炳渊上海航天 局八?所文摘本文用锤击法测定防 空导弹液压能源小型燃气涡轮叶盘的模 态参教,文中叙述模态须率高达?#%&情况下试件中出现的 问题和相应 的措施,最后时试验结果作了分析,并给出受试叶盘的,备界转速。叙词模式识别燃 气涡轮盘,临界速 度一、引言采 用 固体药柱燃气发生器和燃气涡轮拖动油泵和高频发电机组,是地空和空空导 弹弹()液压能源装置先进的设计方案之一,具有工作压力高,油液循环使用,工作时 间了+)一长,功率重量比高等优点。其燃气涡轮叶盘的特点是尺寸小,重量轻,转速高达每分钟数万到十几万转。因此,实际转速与叶盘轴向振动模态对应的临界转速接近而引起叶盘强烈轴向振 动,甚至发生叶盘与满壳碰撞弓,起毁坏的可能性比较大。这就要求对涡轮叶盘进行模态分析,确定各阶固有频率和振型。由于叶盘外形复杂,采用数值分析方法计算振动特性难度和计算量都相当大,且精度难以保证。采用正 弦激励和随机激励的模态试验方法,由于激振器附加质量的影响和工作频率的限制,试件和激振器安装上的 困难,难以在直径只有几十毫米,质量一百多克的叶盘上实现,可能采用的方法只有锤击法。锤击法简单易行,无附加质量影响,适应性强,使用恰当测试精度也能满足要求。本文应用锤击法 于直径仅#毫米,质量?克的钦合金燃气涡轮叶盘获得一至 五 阶固有频率、阻尼系数和振型,五阶频率高达?%&,结果仍比较满意。二、试 验原理用加速度传感器测量响应的情况下,对线性结构在)点激励,+点的加速度传递函数为)一,.。/0名12二)。专小,2小+3.?/42.?一5 6昔789屯?/式中砚二。:。;,小,3、小、4、七3分别为第2阶模态的?点和+点振型、模态质量 及阻尼系本文月?日收到。)数,二”了一?,在模态密度不很高的情况下,2,这时.?/式可简化为七,对主模态。3令启近的模恙影响不大,可视为一复常数%.。,0一里婴止丁742.)一。气声89仁、。2/其实部和虚部为一%一+0一、石专.?一石考/小32小+242.?一。专/7!七理。专72?,%,0乙必食小冲+2一7显?.//.!/42.&一矶/7!七飞石咭本文利用.。/、.!/式表杀的实频图和虚频图确定模态参数。可选择任一测量点,由虚频图峰值点确定固有频率。3,实频图峰值点确定半功率点。3和。、3,由下式 计 算模态阻尼1,(?.62:。2/一?马)一代 丁花丁一一下二厂一不3一丁一二艺、田2:田 2声一十?岛竺丝二竺彭?犷./振型则由固定一点测响应,各测点巡 回激励,检索传递函数矩阵中一行的虚部峰值得到。三、试验中的有关问题试件如图)所示,材料为钦合金,至叶片边缘最大直径为小#,叶片数,总质量?克。由于结构空间的限制,涡轮叶盘装配在涡壳翻上 的试验难以实施,只进行 自由一自由状态下的叶试验。一般可将试件垫放在一定厚度的泡沫塑料土似自由一 自由状态,但本试验的涡轮叶盘一阶频率达数千赫芝,我们采取手持试件的支持方式.如/,贡持频率为数十赫芝,仍可满足自由一 自由的川“闪袱,)支持条件,且手持方式操作方便,实践证明比垫放泡沫塑料锤击的干扰少,出现连击的可能性小,可靠性高。手持的位置应选择在叶盘中乙的轴孔上,用姆指和食指轻 轻 夹紧。因为叶盘节圆数0?的低阶振型圆心处振幅为零,作为支持条件的手指产生的附加阻尼力也为零,使得手指的影响降至最小。如手指位置选在振幅大的位置,附加阻尼力的影响也比较大,在激励能量较小的情况下,试件将难以被激励而使试验发生困难。试验系统如图所示,传递函数分析采用一=?双通道 分析仪,选择?!个采样点,分辨率为!?条谱线,本次试验分析频率上限翔?和?二种,分 辨力分别为%和)9%&。采用前置触发,窗函数选择一窗。为消除偶然因素影响及信号噪音,采用多帧平均,帧数为#。1采用北京?所生产的?一型力锤激励,最大量程为?牛顿,锤身质量!克,选用钢质锤头。多数资料 上介绍,钢锤 头的上限频率为一!%&,而本次试验的分析上限颇率为)6%&和?%&,这给试验取得成功造成很大困难。经反复试验摸索,发现在锤身质量 和锤头材料不变的条件下,力谱的上限频率受锤击操作 的手 法和熟练程度影响很大,不同手法锤击力脉冲宽度在使用锤头情况下 可大约在。!,至?琦的、范围内变化,对应的力谱上限频率大约在%乙至?%&范围。基于这种情况,我们采取严格控制锤击品质的办法,在多次练习的基础上,利 用5 一=?仪器:清除键“”,锤击后观察所产生的力谱图,对脉冲宽度大于。?和 品质低的连击波形都予以清除,这样保证了进入平均作传递函数分析的力谱上限频率值起码大于?%&。采用上述控制办法,我们得到如图!所示的经多帧平均处理的脉冲波形及对应的力谱。图!的分析频率上限为)6%&,可以看到在,%&范围内的力谱 相当 平直。图!的分析频率上很为“=%3,力谱图上可肴到大限频率大约为?%&图 是在图!力谱激励下试件传递函数的实、虚部和相干函数,图中可检索到试 件的一阶固有频率为?%&,对应的相千值为。=#。图是在图!这一力谱激励下的传递函数之?%3劝 七时一目曰 山,1 一口 自口峨尸,%幻七%目下一一一决户口帆)/卜一注声?图 图!力语 激励下试件 传递函数图图!力语激励下试件传递函数的实部、虚 部和相干函数实部、虚部及相干函数实、虚部和相干函数,图中小于?%&除一阶频率外,还可检索出频率为?。和?%9的二、三阶固有频率、对应的相干值也接近?。图!在?%&之后?6%&处力谱上有一峰值,估计是力 锤锤体一阶模态的反映,?%&附近力谱有零点,且杂波很多。因此?%以后对应传递函数的可靠性就很低 了。图虚频图上可检索到两个峰值,频率 为?=%和?#6%&,对 应相干值都大于。#。为判断这 两个峰值是否是试件的模态,分析对应的 振动型 态,两个频率对应 的振 型都有比较明显的节线。?=6%&的振型节径数0!,节圆数二?,?#?%&的节径数二?,节圆数二?,且都有别于前三阶的 振型。另外观察对应的响应谱图.图?/,响应谱在?=?和)966%&处也存在相应的两个峰值,证 明传递函数的这 两处峰值不是 由于力谱零点造成的虚假模态,从而确认了?=?%&为试件的四阶固有频率,?#6%&为五阶固有频率。巨业业图?图!力语对应的响应语对如此轻小的试件,为尽量减少附加质量影响,显然只能采用一点测响应,多点巡回锤击的办法测量振型,而且响应传感器质量应尽量小,或者使用应变片和非接触式传感器。本次试验 采用:#?型加速度传感器,质量为?克。振型测点.锤击点/共!点,沿直径分别为小?.叶片上/,小韶.轮缘上/和小?.轮毅/三个同心 圆均匀布置各?#个测点。响应传感器则按叶片上测点和轮缘上测点两种情况粘贴在其中一个测点的背面,即分别测量传递函数矩阵的两行,以便进行比较分析,且可避免因测点在某阶振型的节线上而遗漏模态。四、试验结果分析.?/表?列出了试验得到的涡轮叶盘前五阶模态参数,图#给出了振型 节线图。表中固有频率给出响应测点在两种不同位置上 的测量值,二者稍有差别,传感器在叶片上的固有频率比在轮缘上的稍低,其原因主要是传感器的附加质量引起的。表中列出的阻尼系数已考虑了指数窗的修正。二阶的阻尼偏大,可能的原因是二阶振型在圆心处振幅不为零,手指支持的附加阻尼对其的影响。./由于条件所限,本文只完成自由一自由状态下的涡轮叶盘试验。但对 涡轮叶盘危险性大的振动是节圆数0?,节径0、!的模态,这类模态圆心的振图#振整节线 图表?试验结果传感器位置二阶三阶?四阶五阶抢3?#?八布八一?、?口?甘尸?冉!通,扭、,、“大片一#轮缘上一阶%&(飞)&%+,弓一一一.一一一节圆数/节径数?、%&+%+阻尼系数屯。&一)。)+0&+102 3 幅为零,理论 上自由一自由状态的固有频率与中心固定、周边自由状态是相等的,实际上由于中心转轴有一定径向尺 寸,固有频率将略高于自由一 自由状态。中心,固定状态在静止时还存在二个/二。,?4)的模态,但旋转时这个模态不出现。因此,通过 自2由一 自由状态试验确定的 固有频率确定叶盘的临界二。、。加)5,#尸#飞#、二,6。、,、。,。二,、”、二。二,7表+叶盘的临界转速87 9/:?;转速是可以满足工程要求的。?二39?879/:?;83;计算,)由此得到的临界转速列于表+盆一#一全二:一二一毕卫里一匕翌生毕竺竺参考文献周全友用锤击法测定涡轮机叶片轮盘组合体模型的振动特性,南京航空学院,),.。.+巴巴科夫振动理论8下;,人民教育出版社。.黄友仙锤击法的实施,强度与环境),%年第)期。人胜、