基于叶尖定时的旋转机械叶片振动频率辨识ESPRIT方法

基于叶尖定时原理采集的旋转机械叶片振动信号是多频率混叠的欠采样信号,通过分析振动信号的数学模型,提出了在均匀转速下利用两个叶尖定时传感器构成有延迟的双通道,采用旋转不变子空间技术(ESPRIT)辨识多个叶片振动频率的新方法。介绍该方法的理论依据,推导了频率估计解模糊的具体步骤,通过计算机仿真和模拟振动平台气激实验分析该方法频率估计性能,验证了其在工程实践中的有效性。     

叶顶吸气效应抑制叶片振动的研究

吸气可以改变叶片周围的气流特性,多用来控制叶片吸力面流动分离。将吸气应用于叶片减振,通过模型实验研究了吸气对叶片振动的影响,改变吸气位置和吸缝长度,测量了不同条件下的叶片振幅并作比较。数值模拟计算了不同位置、不同速度吸气对叶片周围流场的影响,重点分析了叶顶间隙气流速度的变化。数值计算在一定程度上解释了实验结论,二者所得的规律统一。最终结果表明:叶片正上方或上方偏来流侧吸气有明显减振效果,模型实验条件下,振幅最大降低了27%。     

基于有限差分法的水平旋转梁的自由振动解析

在水平旋转梁模型的基础上,利用哈密尔顿原理建立了动力学微分方程。在悬臂梁边界条件下,运用二阶中心差分原理对欧拉梁进行有限差分离散,推导出系统模型的自由振动差分方程。运用MATLAB振动工具箱和一般阻尼振动理论对其进行了编程运算,得到了不同转速下水平梁的无量纲固有频率。相关文献的结果比对验证了有限差分方法的有效性,然后对旋转梁的自由振动特性进行了扩展分析和结果的优化处理。另外,对固支梁和自由梁的自由振动也进行了解析。     

旋转叶片异步振动全相位FFT辨识方法

基于叶尖定时的旋转叶片振动测量技术属于严重的欠采样方法.为实现旋转叶片异步振动辨识,分析了基于叶尖定时的异步振动信号模型,设计了一种利用全相位FFT分析技术的多传感器遍历的异步振动辨识方法,从理论上推导了全相位FFT以及多传感器遍历算法,并进行了计算机仿真验证.运用该方法在某型号航空设备的旋转叶片完成振动测量实验,实验结果表明,叶片异步振动辨识结果与叶片理论设计基本一致.成功解决了叶片异步振动欠采样问题,进一步完善了叶尖定时测振系统.     

刚性转子自动平衡寻优控制方法与实验研究

摘要 在线消除转子系统的振动对保证旋转机械的可靠和高效运行是至关重要的。在转子振动控制初期,需要一个试探性的控制力,该力可能会使系统振动加剧或减小,这取决于控制力与原激振力相位之间的关系。为此本研究在转子系统动力学及电磁力可控特性分析的基础上对控制力相位进行区域划分,建立系统寻优控制模型并提出具体寻优策略;采用有限元分析的方法获取工作转速下转子系统理论滞后角,初步确定控制力相位;以此相位值作为寻优参数起始值,按照既定寻优策略实现转子自动平衡控制,并确保控制全过程转子振幅不大于初始不平衡故障振幅;最后建立实验台并对算法进行实验验证,结果表明该方法是有效的。     

空冷风机系统运行时竖向扰力试验研究

为了研究直接空冷系统的风机运行时对风机桥架产生的扰力,设计制作了1∶1试验模型,选择3种工况进行试验,运用无线测量技术对风机运行时风机轴的应变及转速进行了测试,通过应变分离技术确定了由转子质量偏心引起的扰力、由扇叶竖向振动引起的弯矩、由驱动风机旋转引起的扭矩、由空气反作用引起的竖向扰力,分析了不同工况、不同转速、不同扇叶数量等条件下四种扰力的特性。试验结果可供从事空冷风机桥架及其支撑结构设计的人员参考。     

涡轮机叶片同步振动参数辨识方法研究(实验研究)

为满足工程应用环境中用尽可能少的传感器和更紧凑的安装空间中实现叶片振动的精确测量,在叶尖定时测量方法的基础上,提出并实验研究了基于变速扫频拟合和辅助参数全局自回归法(GARIV法)相结合来辨识叶片同步振动时的振动参数。建立了高速直叶片实验台(最高转速45 000 r/min,叶尖线速度322.8 m/s)。在实验研究过程中,完成了叶片同步振动的参数辨识(中心频率、振动最大幅值、相位、振动恒偏量和倍频值),准确绘制出安装6个磁铁激励下的叶片部分振动坎贝尔图。同时对不同激励个数时叶片部分谐振动做了实验研究和分析。通过对比叶片的预应力模态计算结果和实验辨识结果,两者偏差小于6%。该方法可为叶片故障预警、动应力非接触测量提供技术途径。     

电磁-碰撞复合阻尼系统减振性能研究

提出了一种新型电磁-碰撞复合阻尼减振方法,通过理论推导,建立振动系统在复合阻尼作用下的振动力学模型。通过实验,分别测得相同初始位移激励下振动系统的自由振动、加碰撞阻尼的振动以及加电磁-碰撞复合阻尼的振动曲线。实验验证了复合阻尼系统减振效果和理论计算的正确性。实验结果表明:与自由振动相比较,加碰撞阻尼和加电磁-碰撞复合阻尼能够加快减小振动系统振动的振幅,其中电磁-碰撞复合阻尼的减振效果最明显。最后利用理论模型得到了不同结构参数对复合阻尼系统减振效果的影响规律,并对复合阻尼系统进行了参数优化设计。     

防振锤非线性阻抗的实验研究及参数识别

防振锤被广泛用于减轻架空输电线微风振动,阻抗是评价其减振性能的重要指标。针对防振锤所具有的非线性特性,设计了一套利用正弦扫频测试阻抗的方案,通过测量防振锤在不同的激振速度下的阻抗谱,识别防振锤在不同振动速度下的的固有频率和阻抗,并计算出每一阶固有频率所对应的阻尼比。分析了振动速度对防振锤振动参数的影响。最后,通过对比防振锤阻抗谱的实验结果和计算结果,指出了现有防振锤线性力学模型的局限性。     

无变形网格下运动参考系求解平动流固耦合问题

为模拟平动涡激振动,采用一种无变形网格的计算方法。通过运动参考系模拟整个求解域的运动,结合非结构网格下高精度算法,在NS方程中引入运动参考系引起的对流项及采用新的边界处理方式,通过构造合理的计算求解域,对低雷诺数下(Re=200)圆柱涡激振动进行了模拟,得到了圆柱涡激振动振幅以及详细流场结构,与实验结果和数值结果相比都得到了很好的一致性。并对不同阻尼比、频率比等参数进行研究,详细对比了不同振幅下尾流结构特征。结果证明了该计算方法是可行的、准确的。     

汽轮机叶片动频的转子调频非接触测量法

叶片的共振断裂是叶片损伤的主要形式,为了避免叶片共振,如何准确地测得叶片的动频是保证叶片安全工作的关键。本文提出采用转子调频非接触测量法测量汽轮机叶片的动频。采用该方法只需要在叶片顶部固定支架上安装两只光学传感器及在转子的适当位置安装一只转子旋转同步传感器,就可以测量工作轮上所有叶片的动步,从而克服了传统接触应变片法仅能测量某几个叶片动频、应变片寿命短等缺点,同时也避免了安装多只传感器工艺复杂、费用较高等问题。本文通过实验验证了该方法的可行性。     

In Situ Detection of Turbine Blade Vibration and Prevention

Turbine blades are the most critical components in any power plant. Failure in even one rogue blade out of hundreds of blades fixed on the rotor leads to colossal damage to the machine. Statistics have shown that low-pressure turbine blades in steam power plants are generally more susceptible to failure compared to high- or intermediate-pressure blades. The mechanism of failures is different in each case and is generally very complex. As a result, a large number of blade failures are not fully understood. Two primary forces acting on the blades are the steady centrifugal force due to rotation and the fluctuating steam bending force. In view of no direct access to monitor the health of the blades through vibration or other means, indirect method using non-contacting probes have been attempted and some are in use in special cases. Largely these methods are expensive and intrusive in nature. They involve placing of sensors in the narrow space inside the turbine casing, routing special signal cables with sealing arrangement and involves difficulties in analyzing shot duration signals from each rotating blades. Unless a diagnostic technique is made simple to implement and whose reliability is proven, power plants will not find it attractive to invest on upgrade for safe operation of the machine. This article is about an innovative method of detecting the presence of blade vibration in operating turbine through vibration signal analysis and prevention through process control. The method is based on vibration analysis of the turbine casing. The casing vibration includes signals associated with the blades of different stages called as blade passing frequency (BPF). When the rotating blades vibrate, the analysis of changes in the BPF is a novel way of diagnosing blade vibrations. Signals captured from operating plants have been analyzed and blade vibrations have been detected and verified with Campbell diagram. Laboratory experiments were carried out on a rotating fan to demonstrate robustness of the diagnostics tool for turbine blades.     

旋转几何非线性复合材料薄壁梁的自由振动分析

研究具有几何非线性的旋转复合材料薄壁梁的自由振动。梁的变形引入了Von Kármán几何非线性, 基于Hamilton原理和变分渐进法 (Variational-Asymptotical Method -VMA),导出旋转复合材料薄壁梁的非线性振动偏微分方程组。采用Galerkin法将振动方程离散化为常微分方程组。借助于谐波平衡法 (Harmonic Balance Method -HBM) 建立自由振动的振幅-非线性固有频率关系方程。将上述方程化为非线性特征值问题,采用迭代算法进行求解。将所建立的旋转复合材料薄壁梁非线性自由振动分析模型和计算方法,应用于周向均匀刚度配置(Circumferentially Uniform Stiffness –CUS) 构型复合材料薄壁梁,通过数值计算揭示了纤维铺层角、旋转速度对非线性振动固有频率-振幅关系的影响。     

用单片机实施旋转机械叶片振动监测的间断相位法研究

研究了测量旋转机械叶片振动的间断相位法，提出了测量叶片振动的相对偏移的计算机算法，并将其用８０９８单片机系统实现；本文还对间断相位法在旋转机械叶片振动在线监测中的应用进行了探讨，为实现整级叶片振动在线监测提供了一种可用的手段。     

基于叶尖定时技术的叶轮叶片动态监测研究现状

叶轮作为旋转机械的核心部件之一,在复杂恶劣的工况中容易使叶片产生振动,进而引发疲劳断裂等失效形式,因此对叶片振动进行状态监测具有重要意义。非接触式的叶尖定时技术具有同时监测整级叶片的优势,为叶片振动及损伤诊断提供了有效方式。本文从叶尖定时传感、叶片振动及损伤监测等三个方面对国内外研究现状进行综述,总结了当前研究中存在的不足,并就叶尖定时技术及叶片健康监测的发展方向进行了展望。     

Free transverse vibration of rotating blades in a bladed disk assembly

This paper investigates the natural frequency of free transverse vibration of blades in rotating disks to examine the relationship of natural frequencies, blade stiffness and nodal diameters to study how neighboring blades react upon each other and affect blade natural frequency. With the use of elastic hinge theory and a cantilever beam model subjected to either a transverse concentrated force or a bending moment at the free end, the force-deflection stiffness/moment-rotation stiffness of the beam have been developed. Thereafter, the reaction forces and moments from the neighboring blades have been determined without the need for an exact solution of large deformation of cantilever beams including geometrical nonlinearity effects. With the use of the energy conservation principle and modal theory, the natural frequency of free transverse vibration of blades in rotating disks has been determined for any nodal diameter. A comparison of the analytical and finite element solutions for a bladed disk with uniform aerofoils shows that the analytical method presented in this paper is accurate.     

航空发动机自带冠叶片减振特性研究

摘 要：将自带冠叶片模化为质量弹簧模型。自带冠叶片减振主要是由于冠间碰撞和摩擦的组合运动来实现的,因此本文将冠间的接触简化为带对称间隙的弹簧阻尼模型,摩擦模型采用Sgn模型,从而建立该系统的动力学方程,进而采用Runge-Kutta数值方法求解系统的动力学方程。本文主要探讨了冠间间隙、刚度比、接触角度、摩擦系数等多种参数对减振效果的影响。结果表明：叶片的振动能量与冠间间隙、刚度比、接触角度、摩擦系数等参数有关,参数选取要考虑工作转速的范围。冠间的碰摩组合运动为硬式分段线性的非线性振动,因此本文同时采用Poincaré映射图和频谱图等方法对系统的非线性特性进行了一定的研究。
     

Vibration and optimum design of rotating laminated blades

The vibration and optimum design of a rotating laminated blade subject to constraints on the dynamic behavior are investigated. Restrictions on multiple natural frequencies as well as the maximum dynamic deflections of rotating laminated blades are considered as constraints on the dynamic behavior of the system. Aerodynamic forces acting on the blade are simulated as harmonic excitations. The optimality criterion method and the modified method of feasible directions have been successfully developed for optimizing the weight of the rotating laminated blade. Effects of radius of the disk, aspect ratio, and rotating speed on the system dynamic behaviors and/or the optimum design are also studied. The vibration analysis shows that most of the bending modes can be significantly affected by the rotating speed and the radius of the disk. Results also show that the optimum weight with constraints on the dynamic response is higher than that with frequency constraints. Moreover, results show that the weight of the rotating laminated blade can be greatly reduced at the optimum design stage.     

含穿孔损伤复合材料桨叶结构的振动特性

现代直升机旋翼桨叶通常需要进行损伤容限分析与设计, 损伤对桨叶结构振动特性的影响是其中的重要内容之一。利用有限元法对选定的直升机复合材料桨叶翼段进行了穿孔损伤后的振动特性分析, 并与无损伤的翼段进行了比较, 得到了振动特性与穿孔大小及其位置的关系。结果表明: 旋转翼段的振动模态与静态翼段相同, 但各阶频率有所提高; 穿孔越大对翼段造成的损伤越大, 但穿孔损伤没有改变翼段的振动模态, 对翼段的振动频率影响也比较小; 不同阶次的振动频率随穿孔的位置变化趋势各不相同, 根部与前缘的穿孔损伤对翼段频率的影响较大。      

不同湍流模型下旋转叶片气固耦合动力学特性的研究

本文对轴流式压气机内旋转叶片在不同湍流模型的气固耦合作用下的动力特性进行了研究。利用FSI（fluid-structure interaction）的双向顺序耦合算法,采用CFX和ANSYS对压气机内气体和旋转叶片分别计算,并通过迭代求解,获得叶片在气流作用下的动力学响应。为了研究耦合场内对叶片动力特性的影响,本文对某一级转子叶片进行流固耦合计算,由于在模拟流场计算中,不同的湍流模型对计算结果影响较大,采用3种湍流模型：标准κ-ε湍流模型(standard κ-ε)、重正化群κ-ε湍流模型（renormalization group κ-ε,RNG κ-ε）和大涡湍流LES模型（Large eddy simulation）,获得了叶片在瞬态流场变化下的动力特性,并比较了不同湍流模型对计算的影响,为工程上对压气机内转子工作特性的分析提供一个可行的方法。