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摘要 叶片振动的抑制方法研究 摘要 叶片是叶轮机械中完成功能转换的关键部件，其安全可靠直接影响 叶轮机械的安全运行。叶片的损坏事故绝大部分是由于振动特性不良引 起的。当叶片受到周期性激振力时，就会来回振动。激振力的频率与叶 片的固有频率相等或成整倍数时，就发生共振。叶片一般会受到以下几 种激振：谐频激振、尾迹流激振、随机激振、自激振以及外力激振。 被动控制时，应用蜂窝密封能抑制约2 0 的振动。增加蜂窝密封的 长度可以抑制叶片振动。蜂窝深度为5 4 朋所时能最好地抑制叶片振动。 0 加叶冠3 聊所时，能抑制约4 0 的振动。主动控制时，不断增大喷口流 速非但不能有效抑制叶片振动最终反而能导致叶片振动的增大。单纯反 旋流喷射时，喷口流速为2 0 聊s 2 4 耽s 时抑制振动效果最好。在密封 间隙小的时候，喷口距离叶片小对抑制叶片振动有较好的效果，随着密 封间隙的增大，喷口距离叶片大能更好的抑制叶片振动。综合控制时， 抑制振动最好的喷口流速为1 4 所s 1 8 ，z s 。以密封间隙o 3m 所为例， 综合控制可以抑制3 0 6 的叶片振动，效果比单纯被动控制的1 9 3 好 1 1 左右，比单纯主动控制的l o 1 好2 0 左右。 通过对叶片振动的细观分析发现，蜂窝密封减振效果明显的原因 是，对流经流体有很好的能量耗散作用，以及在叶片密封流场形成进一 步耗散流体能量的旋涡。空腔内的旋涡的增大和流体在空腔内的充满程 度对应着振动幅值的减小。安装蜂窝密封之后，实验腔内流体速度大大 降低。定量证实了流体通过蜂窝密封后产生的旋涡具有很好的能量耗散 作用。 关键词：叶片，抑制，振动，蜂窝密封，细观分析 l i a b s t r a c t r e s e a r c ho fb l a d ev i b r a t i o n s u p p r e s s l o nm e t h o d a b s t r a c t b l a d ei sak e yc o m p o n e n tf o rp o w e r - t o e n e r | g yc o n v e r s i o ni i lb l a d e w h e e lm e c h a n i c a l i t so p e r a t i o ni 1 1s a f e t y 锄dr e l i a b i l i 够d h e c t l yi n n u e n c e 恤s e c 嘶妙o f t h eb l a d ew h e e lm e c h a n i c a l 1 1 1 eb a dv i b r a t i o np e r f o n n a n c ei s t l l em a i nf a c t o ri nb l a d ea c c i d e m t h eb l a d ew i nv i b 豫t e ，w h e n “u p o n p e r i o d i ce x c i t i n gf o r c e w h e nt h ef r e q u e n c yo fe x c i t i n gf o r c ea n dt h en a t u r a l 舶q u e n c yo fb l a d ea r ee q u a lo rt h e i r 骶q u e n c i e s2 u r ei n t e g r a l r a t e ，m eb l a d e o c c l l l ss y m p a t h e t i cv i b r a t i o n t h eb l a d em a yb es u b je c t e dt ot i l ef o l l o w i n g e x c i t i n gf o r c e ：f o u n d a t i o n 厅e q u e n c ye x c i t a t i o n 、w a k e n o we x c i t a t i o n 、 1 a n d o me x c i t a t i o n 、s e l f e x c i t a t i o na n de x t e m a le x c i t a t i o n w h e nu s ep a s s i v ec o n 仃o l ，h o n e y c o m bs e a lc a ni 1 1 1 1 i b i ta b o u t2 0 p e r c e mo fv i b f a t i o n i n c r e a s et h el e n g t ho f t h eh o n e y c o m bs e a l ，t h eb l a d e v i b r a t i o nc a nb ee f r e c t i v e l ys u p p r e s s i o n w h e nt h ed e p t ho fh o n e y c o m bs e a l i s 5 4 聊优，t 1 1 eb l a d ev i b r a t i o nc a nb eb e s ts u p p r e s s i o n w h e nb l a d et i p s s i h o u di s3 聊聊，i tc a ni i l h i b i ta b o u t4 0p e r c e n to fv i b r a t i o n w h e nu s ea c t i v e c o n 乞r o l ，i n c r e a s et i l en o wr a t eo fn o z z l ec a nn o ti n c e s s a m l yi n h i b i tt h eb l a d e v i b r a t i o n ，i n v e r s ei tm a ye n l a 唱et h eb l a d ev i b r a t i o n u s es p i nje to n l y ，t h e 北京化工大学硕士学位论文 b l a d ev i b r a t i o nc a nb ee 虢c t i v e l yi n h i b i tw h i l et h ef l o wr a t eo fn o z z l ei s 2 0 加s - 2 4 聊s w h e nt h es e a lg 印i ss m a l l ，t h el i t t l ed i s t a n c eb e t w e e n n o z z l ea n db l a d ei sg o o df o rb l a d ev i b r a t i o ns u p p r e s s i o n 、阢t ht h ei n c r e a s e o ft h es e a lg 印t h el a 玛ed i s t a n c eb e t w e e nn o z z l ea n db l a d ei sg o o df o rb l a d e v i b r a t i o ns u p p r e s s i o n w h e nu s es y n t h e t i cc o n t | r o l ，t h eb l a d ev i b r a t i o nc a nb e e 鼠c t i v e l yi n h i b i tw h e nt h ef l o wr a t eo f n o z z l ei s1 4 所s 1 8 聊s w h e nt h e s e a lg 印i so 3 垅彤，u s es y n t h e s i sc o n t r o lc a ni n h i b i t3 0 6p e r c e n to fv i b r a t i o n ， b e 慨ra b o u tl l p e r c e n tt h a nu s ep a s s i v ec o n t r o l 、他i c hc a l li r d l i b i t l9 3 p e r c e n to fv i b r a t i o n ，b e 慨ra b o u t2 0p e r c e n tt h a nu s ep a s s i v ec o n t r o l 、v h i c h c a ni n h i b i t1o 1p e r c e n to fv i b r a t i o n u s em i c r o m e c h a n i c a la n a l y s i st os t u d yb l a d ev i b r a t i o n ，w ec a ns e et h e r e a s o n 、v h yh o n e y c o m bh a st h ep r o m i n e n c et or e d u c et h ev i b r a t i o ni st h a t h o n e y c o m bs e a lc a u ld i s s i p a t et h ee n e r g yo fa i r 、h i c hf l o wm ) mi t ，a n df o r m t i l ev o r t e xw h i c hc a nd i s s i p a t et h ee n e 唱yi nt i ps e a ln o w6 e l d t h ea u g m e n t o fv o r t e xa n dt h el a 唱ec 印a c i t yo f l i q u i dc o n e s p o n dt h er e d u c e do fv i b r a t i o n w h e nu s et h eh o n e y c o m b s e a l ，t h es p e e do ft h el i q u i di nc 印a c i 妙i sl o w e r i t q u a n t i t a t i v ec o n f i m e dm a tm ev o n e x 、v h e nt h el i q u i dp a s st h eh o n e y c o m b s e a lc a nd i s s i p a t em e e n e 喀yo fa i r 、h i c hf l o w 仔o m i t k e yw o r d s ： b l a d e ，s u p p r e s s i o n ，v i b r a t i o n ，h o n e y c o m bs e a l ， m i c r o m e c h a n i c a la n a l y s i s i v 符号说明 符号说明 叶高，m 聊 截面面积，m 2 叶片材料密度，堙聊刁 材料弹性模量，脚口 叶片截面惯性矩，聊- 2 剪切模量，m p 口 扭转刚度几何因子 叶片截面极惯性矩，聊- 2 温度修正系数 相应与叶片工作温度的材料弹性模量，肱p 口 2 0 时，叶片材料弹性模量，m 阮 转速，勉 叶片的动频系数 叶片的动频率，勉 叶片的静频率，舷 沿叶高的相对坐标，m 朋 叶片根部截面面积，朋2 振型函数 叶片的平均直径，m m 叶片的工作高度，聊所 叶片振动方向与叶轮切向的夹角，o 一个圆周内的激振力次数 级的喷嘴数 第k 阶振型的受迫振动的初始相位，o 各阶振型下自由振动的初始相位，o 振型迭加常数 振型迭加常数 激振力频率，勉 对应于第k 阶振型的无阻尼自振频率，勉 对应于第k 阶振型的阻尼比 v 厶么 p e厶g瓦耳易疗b力z x r y d，后 乙败幺4反缈 q 磊 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：壅醚日期：坐! ：三呈 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：型兰：三：三! 日期：2 堑! ：垒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题来源于国家自然科学基金项目：叶轮机械中密封气流激振的细观评价( 编 号：5 0 3 7 5 0 1 3 ) 、叶轮机械中基于合成射流技术的密封气流激振自愈调控原理与方法 ( 编号：5 0 6 7 5 0 1 3 ) ，以及国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ：离心压缩机密封 气流激振故障预测和自愈合调控技术研究( 编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 4 2 2 ) 。 流体机械是以水、油等液体，空气、蒸汽、燃气等气体作为工作介质来进行能 量交换的机械【1 1 。汽轮机、发电机、涡轮发动机、烟气轮机、水轮机、燃气轮机、 航空燃气轮机、鼓风机等叶轮机械，是电力、石油化工、冶金、机械、航空、舰船、 能源工业系统以及一些军事部门广泛应用的关键设备，是关系到国计民生的重要设 备。这些叶轮机械均由高速定轴旋转的转子、静子与机匣和轴承组成。近年来叶轮 机械的性能不断提高，结构日益向超大型、高转速、高效率、高可靠性的方向发展， 但是由于理论研究和制造水平的限制，叶轮机械在设计、制造中还存在许多问题， 甚至由此导致在运行中发生严重的事故。叶轮机械一旦发生事故，轻则停机检修， 给国民经济带来巨大损失，重则造成设备毁坏和人生伤亡，给生产和人们的生活造 成重大的损失，引起严重的社会后果。以一台2 0 0 脚矿的汽轮机发电机为例，每停 机一天，则少发电4 8 0 万千瓦时，造成的经济损失高达数百万元。 叶片是叶轮机械中完成功能转换的关键部件，又是最精细、最重要的部件之一， 其安全可靠直接影响叶轮机械的整体运行，因为一旦一个叶片断裂往往会造成整级 叶片报废，威胁其它级叶片，造成整个机组停产。在我国因叶片事故造成的经济损 失达数十亿以上【3 】。调查表明，运行中叶片事故约占叶轮机械事故率的4 0 ，造成 了巨大的直接和间接经济损失。据美国电力研究协会( e p 砌) 统计报导：1 9 7 7 1 9 8 1 年间，美国由于叶片失效而导致电厂停机所造成的直接经济损失大约在1 5 5 1 8 4 亿美元之间。2 0 世纪7 0 年代我国电力部曾对1 0 0 2 0 0 m 形汽轮发电机组的3 3 次 叶片事故情况进行了统计分析，平均每次叶片事故所造成的直接经济损失达1 0 0 0 万元人民币。中国电力投资集团公司成员单位东北分公司抚顺发电公司2 号机组 ( 2 0 0 柳矿) 在2 0 0 6 年5 月发生了汽轮机末级叶片损坏事故，造成了严重的经济损 失，使安全生产管理陷入了极其被动的局面。中国石油化工集团公司石家庄炼油厂 g h h 烟气轮机组，1 9 9 7 年8 月2 3 日烟机在正常运行的情况下，第一级的一片动叶 片( 编号4 l 号) 突然断裂，最终导致停机检修，造成严重的后果。叶片事故不但降 低了叶轮机械的可用率，还造成了巨大的直接和间接经济损失1 4 ，六0 。 工作中叶片容易发生振动，叶片的振动是引起叶片断裂事故的重要原因。统计 北京化工大学硕士学位论文 资料【7 滞 9 j 表明，叶片的损坏事故( 裂纹、折断等) ，绝大部分是由于振动特性不良引 起的。从国内统计资料看，叶片断裂事故中6 0 7 0 的损坏原因是叶片振动。 一直以来，共振以及由此引起的疲劳损伤是导致叶轮机械叶片失效的一个重要 原因。叶片一般工作在不定常、跨音速及粘性的流场中，叶片在工作过程中不仅要 承受高温高压汽流冲击的弯曲应力，而且转子的高速转动又使其承受巨大的离心拉 应力。叶轮机械运行时，叶片承受着很大的静态和动态应力。这些应力主要取决于 转子旋转时作用在叶片上的离心力。叶片愈长，转子的直径与转速愈大，在叶片上 由离心力所产生的拉应力便愈大。当有围带或拉筋时，还要考虑由它们产生的离心 力对叶片的影响。工作叶片受到强大的离心力载荷，加之承受各种激振源产生的激 振力作用会产生强迫振动。当强迫振动的频率与叶片自振频率相同时即引起共振， 振幅进一步加大，产生相当大的动应力，经过一定的时间后，就会产生疲劳裂纹。 在一定的条件下，裂纹继续扩大，直到剩余的承力面积不足以承受离心力造成的应 力时，最终导致叶片疲劳断裂。折断的碎片可能飞出机匣外，或打伤其余叶片( 甚 至全机叶片被打坏) ，造成严重事故。各种叶片事故的统计分析表明，叶片的损坏大 多数是由于叶片振动产生的动应力过大所致【1 0 1 。 此外，叶片还受到蒸汽腐蚀和湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。会产生蠕变损伤、 固体颗粒磨损和湿蒸汽腐蚀等危害。可以说，叶片经常会在复杂恶劣的环境中工作， 这对叶片的安全性很不利，严重的甚至将导致叶片断裂。加之，叶片除了工作在设 计工况附近外，还会在非设计工况下工作，如启动、空负荷、变负荷、停机、超速 试验、低负荷、高背压等，各种非正常运行工况都使叶片寿命消耗比正常工况大得 多。 叶轮机械叶片振动断裂曾长期困扰过机组安全运行。人们花了很大精力、较长 时期才使现有机组的问题逐步得到解决。但当新机组、新级组投运或原机组变动， 叶片振动断裂事故又会发生。因此分析判断叶轮机械叶片振动的原因，找到一个能 有效的抑制叶片振动的方法，已经成为一个迫切需要解决的问题。直接关系到叶轮 机械叶片工作的可靠性与运行安全，对避免巨额的经济损失和灾难性事故的发生有 着重要意义。 1 2 叶片振动抑制的研究现状 在流体中运动以及以流体为工质的流体机械的工作性能极大地依赖于绕物体流 动的流体运动状态，因此对绕流流体的流动施以被动或主动控制，可以极大地改善 流体机械的流体动力学特性】。叶轮机械的叶片同样是在流体中运动的部件，因此 对叶片绕流流体的流动进行被动或主动控制，可以有效的改善通过叶片的流体的动 2 第一章绪论 力学特性，影响气流激振力，从而达到抑制叶片振动的目的。 流动控制技术是利用流体问流体动力的相互作用，通过改变局部流动达到控制 和放大流动信号的一种技术【1 2 】。流动控制技术按控制方式分为被动控制和主动控制 两大类。被动控制的控制措施是固定的，又称固定控制，其控制效果容易受流动状 态变化的影响。常见的对叶片振动的被动控制措施有：叶顶安装阻尼密封、采用在 叶片叶顶加冠等。主动控制是动态和实时的，因此又称动态控制，它通过传感器实 时感知并预测流动状态的变化，其控制动作随流动状况改变而改变，因此可以获得 较为理想的控制效果。主动控制技术中目前应用较广的是：反旋流喷射控制、径向 喷射流控制以及合成射流控制。 被动控制技术在很长一段时间内都是一种有效的流动控制技术，但是其控制不 能随流动状态变化而变化的缺点又使其应用受到了限制。当前，随着m e m s 即微机 电系统技术的出现，微传感、微驱动技术的发展，给流体控制技术的发展带来了新 的曙光【1 3 1 。合成射流又称为零净质量合成射流，无需射流供应和喷射系统，这种流 体控制系统结果简单，对流场的干扰效果也很好，在当前已经受到人们的广泛关注 【1 4 1 。还应该指出的是如何合理的结合被动控制与主动控制，将两者的优点发挥到最 大，最有效的对流动进行控制，从而达到对叶片振动的抑制，已经成为当今一个重 要的研究方向。 1 2 1 被动控制技术 被动控制技术是应用固定的装置或是部件，对流场进行有效的干扰，达到进行 流场控制的目的。被动控制技术采用的结构部件一般都比较简单，对原设备进行改 进也比较容易，因此应用也较为广泛。人们对阻尼密封和带冠型叶片等几种被动控 制技术进行了研究。 1 2 1 1 阻尼密封的研究 1 9 8 2 年v o n p r a g e n a l l 在研究高压泵的封严装置时，首次提出了阻尼密封的概念。 如果密封环内孔为粗糙表面，则可以降低密封腔中流体的周向速度，减小密封的交 叉刚度系数，抑制转子振动。c l l i l d s 和k i m 【1 5 】利用h i r s 模型，v i c t o rl u c 缎【1 6 】应用 v 抽d r i e s t 模型，分别研究了阻尼密封的粗糙表面对其动力特性的影响。 1 蜂窝密封 蜂窝密封是一种应用较早的阻尼密封，其动力特性的研究则始于1 9 8 0 年。蜂窝 密封因其优越的转子动力稳定性而受到重视。9 0 年代离心压缩机中大量应用蜂窝密 封，主要是利用其较好的阻尼特性。蜂窝密封提供的阻尼较高( 9 0 2 1 0 4 s 所1 ) 。 北京化工大学硕士学位论文 梳齿密封的阻尼则很小( 5 3 l 1 0 2 s 所1 ) 。蜂窝密封特点是其内孔表面由截面为 六边形的孔以蜂巢状的排列方式组成，如图l 一1 所示。这种密封能极大地降低其密 封腔中流体的周向速度，从而提供很大的主阻尼和主刚度，大大地提高了转子的稳 定性l l7 ，博j 。美航天飞机主机高压涡轮输氧泵把级间的梳齿密封换成蜂窝密封后，消除 了转子的低频振动。实验表明，蜂窝密封产生的自激力虽较大，然而它提供的主阻 尼和主刚度则更大，所以稳定性更好【1 9 】。c h n d s 对七种蜂窝密封进行了研列2 0 1 。实 验结果表明，蜂窝的尺寸对密封的动力特性系数影响很大。蜂窝密封的泄漏量比梳 齿密封的小。当流体以相同于转子旋向的预旋速度进入密封腔时，蜂窝密封的稳定 性明显比梳齿密封好。 b 图1 1 蜂窝密封 f i g 1 - lh o n e y c o m bs e a l 2 方槽窝密封 方槽窝密封环的内孔表面由长方形凹槽交错排布构成。对于处理高密度气体、 高速运行的离心压缩机，特别是叶轮背对背排列的转子，较长的段间梳齿密封处于 高压差下的转子中部。此处转子的挠度最大，接近转子第一阶振型的变形处，极易 产生密封气流激振。意大利新比隆公司应用方槽窝密封，减小了离心压缩机密封腔 中流体的周向速度，增加了转子的稳定性。将方形凹槽制成交错连通网格，可以使 密封腔压力分布均匀【2 。沈庆根2 2 1 在普通梳齿密封环内表面上沿周向设置挡板，大 大改善了梳齿密封的动力特性。1 9 9 6 年，j m v 肌c e 【2 3 】提出了一种梳齿阻尼密封， 称为t a m s e a l ，其结构类似于方槽窝密封。实验表明，其阻尼比普通的梳齿密封 提高了1 0 0 倍；允许的密封间隙也比普通的梳齿密封要小得多；转子通过临界转速 时，可以有效地降低振动幅值。 4 黛 第章绪论 3 螺旋稽密封 螺旋槽密封的内孔表面南方形螺旋蹬槽构成。螺旋羯适着转子的旋转方向，以 减小流体的周向速度。1 w a t s u b o 1 9 9 0 年研究了液体介质的螺旋槽密封，c h j l d s 【2 5 1 在1 9 9 6 年研究了气体介质的螺旋槽密封。增加螺旋角将减小密封的交叉刚度系数， 增加渣漏量。螺旋稽密封的交叉刚度系数始终为负值，抗泄漏性能也不如蜂窝密封， 应用时最好设置旋涡阑板。 4 刷式密封 刷式密封是一种近年来出现的新型阻尼密封，刷式鬻封的内孔表面由大量按一定 方淘排列的、可塑的圆截面的细丝构成的鬃幂l 式结构瞄】。细丝的直径通常可以取为 o 0 5 l 搬班o 。0 7 6 搬搠，相对轴的旋转方向倾斜一定的焦度。刷式密封为接触式工作方 式的密封结构，其结构为前后挡板夹紧了一个刷丝环。工作时与转轴过盈配合，形成 一堵墙阻挡了工作介质在轴向的流动。这种密封的届丝环制作工艺复杂，要求有很精 细的船工方法。剥式密封酶设诗思想最早是南美国通用电气公司提出来的。1 9 8 7 年， 刷式密封被应用在i a ev 2 5 0 0 发动机上【2 1 7 1 。2 0 世纪9 0 年代，美国的综合高性能涡轮发动 机技术( i h p t e t ) 计划，分阶段地发展了刷式密封的工况参数( 边界压差、环境温度 和接口滑速) 指针豳】。臼此利式密封进入到在航空发动机上应用推广的阶段。法国也 在其幻影2 0 0 0 战机的发动机上采用了刷式密封技术。 5 指尖密封 指尖密封的出现发展是最近不到2 0 年的事情。指尖密封是继刷式密封后发展出来 的一种密封形式，结构也与刷式密封极其相似。指尖密封的专利最早是由a l l i e d s i g n 蘸 e 鹅i n e s ( a e ) 公司提出来的。此后，指尖密封立即锝到国内外学者和工程卿的高度 重视，并且纷纷投入研究【2 9 ，3 0 1 。指尖密封主要用于发动机中的高压腔和低压腔之间的 静态和动态气路密封，也可以用于汽轮机、燃气轮机等旋转机械的级间密封，轴端密 封及轴承腔的油封。据研究，指尖密封与刷式密封相比，密封效果楣近但制造成本却 低很多，大约是刷式密封制作成本的5 0 左右；与梳齿密封相比，指尖密封能显著降 低旋转机械的泄漏量，用指尖密封代替梳齿密封，可以节省l 2 的气流损失，从 丽可以减少o 7 圭4 的燃料耗损率和o 3 5 o 7 的运行费用剐。 总之，人们已开发应用了多种阻尼密封，但对密封结构尺寸与密封动力特性之 间的关系，尚缺乏一个比较清晰的认识，还需对大量各种尺寸的密封做进一步的研 究。 1 2 1 2 叶片叶顶加冠的研究 采用在叶片叶片叶顶加冠也是种被动控制的方法。随着发动机性熊的提高， 空气流量的加大，工作叶片变得薄而长，且工作环境越来越恶劣，易出现振动问题。 北京化工大学硕士学位论文 为了避免发生危险的共振及颤振，比较先进的航空发动机常采用某些减振结构，如 在展弦比比较大的涡轮叶片顶部采用带冠结构，其优点在于一方面可以减少叶片尖 部的漏气，提高涡轮效率；另一方面相邻叶片叶冠间产生的摩擦可以吸收振动能量， 起到减振作用。带冠涡轮叶片作为发动机转子工作叶片，在工作过程中不允许出现 导致高循环疲劳破坏的有害共振或破坏性振动。 李剑钊进行了叶片的减振机理和振动特性方面的实验研究工作1 1 0 1 。利用组建的 实验装置和测试系统，对平板叶片的减振机理和带冠叶片动态特性进行了实验研究。 实验结果表明：碰撞条件使得叶片振动出现明显的频谱分量，碰撞条件可以抑制外 力做功；间隙安装的整圈带冠叶片具有单只叶片固有频率特性；叶冠间隙减小，对 降低振动应力效果明显。 汤风【3 2 j 等针对带冠涡轮叶片的振动特性，建立了考虑叶冠圈连效应和叶片一轮 盘耦合效应的三维有限元模型，对叶冠边界条件考虑叶冠工作面完全固接和叶冠工 作面接触两种情况。在对带冠涡轮叶片振动特性进行分析的同时，研究不同接触边 界条件对振动特性的影响。结果表明，单个叶片或整圈叶片分析模型均不能正确反 映带冠涡轮叶片的振动特性，对带冠涡轮叶片进行振动分析必须考虑叶片一轮盘耦 合效应和叶冠接触条件。 朱永新p3 j 研究得出：当法向接触刚度和切向接触刚度取值大于5 0 0 剧m 时， 二者对计算所得位移幅值的影响不大，在实际计算中，切向和法向接触刚度都取 5 0 0 刷研。随着正压力的增加，共振频率变大，位移幅值有个先变小后变大的过 程，存在一个最佳正压力的取值范围使减振效果最好。激励越小、激励相位差越大、 接触角度越大，最佳正压力取值变小。 1 2 2 主动控制技术 主动控制系统是由预测传感器、控制器、执行器和校正传感器4 个部分组成一 个死循环控制系统【3 引。预测传感器对流动参数实时测量，提供给控制器；控制器对 流动状态进行辨识和预测，决策控制动作；执行器按控制器指令施行控制动作；校 正传感器对控制后流动参数进行实时测量，回馈给控制器；控制器对控制效果加以 评估，对控制动作做实时修正和优化，完成对流动的自适应控制。如图1 2 所示。 振动主动控制是指在振动控制过程中，根据所检测到的振动信号，应用一定的 控制策略，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制 或消除振动的目的。其控制效果好，适应性强，正越来越受到人们的重视。振动主 动控制关键的技术是控制方法及策略。在振动主动控制过程中，一般采取两种不同 的控制方法，即前馈控制和回馈控制方法。前馈控制就是把与干扰输入有关的信号 输入给控制器，而控制器产生信号驱动控制作动器来抵消干扰输入。而回馈控制则 6 第一辇绪论 是使在裙始扰动下已被放大的系统响应信号，经过补偿电路来控制俸动器，从褥清 除橱始振动弓l 起的剩余影响。 。舅警艘撕墼j 图l - 2 阡片振动自适应控制系统图 f 酶1 1 2 鼯呶撤醴b l a 如v 溺赋i s e l a d 鑫爨i v e 在振动主动控制中，需根据控制对象的具体情况采取不同的控制策略。目前最 常用的控制策略有模态控制法、极点配置法、最优控制法、囱适应控制法、鲁棒控 制法、智慧控蒜法等。陈大跃等在常规极点配置法麓基磷上，提蕊了同时饶纯系统极 点和传感器作动器位置的联合优化设计方法。祁建城、李若新等【3 6 】在汽车主动悬 架中采用最优控制，根据座位人体振动响应特性构造了频域计权形式二次型性能指 针函数。在性麓指针函数中采用与频率褶关的计权矩阵可以对系统特定频带的振动 状态旌跌重权或弱投，激体现设计者对此振动频带的关心程度。v e 馥。珊燃pj 譬h l 在其文章中阐述了自适应半主动悬架控制的成就和发展。丁科、侯朝桢1 3 叫对车辆主 动悬架的囱适成控制研究中，采用具有在线辨识的最小方差臼校正调节器，经实验 验证具有较好减振效果。顾家柳等入1 3 耀用鲁棒控制理论研究了实现转子系统振动普 掺控潞的最优对策，给感了转予系统鲁掺控制器的设计方法，并且进一步研究了控 制中的时滞时题。y o s h i k a z u 等【4 0 】提出一种用于减少汽车振动主动悬置鲁棒控制综 合法，仿真结果表明振动被明显改善。v l s o y a e 酽l l 等研究了三次型最优控制的主动 悬絮系统的稳定鲁棒性。孙s 匮o s l 翳糙h 菇4 司将模糊控制方法应用到车辆主动悬架静 控制中。孙涛f 4 姗、陈龙1 4 4 1 将模糊控制方法应用到半主动悬架系统的研究中，仿真结 果表明对汽车平稳性有定改善。 现有的控制理论和方法，大多都是裉据系统已发生的行为特征进行控制的，属 事薏控制。已发生行茭，一般来说出于系统翁惯性，会在较簸的鳟阆内持续下去， 所以这些控制在多数情况下是可用的、有实际效果的，但是很难做到完全真正的实 时性、准确性和适应性，因而难以使控制系统质量得到进一步地提高。8 0 年代由我 国学者邓聚龙提出的灰色预测控制理论，刚憝扶己发生的行为特征量中，寻找系统 发展规襻，按其预测系统未来的行走，并根据来来的行为趋势，确定翅应的控制决 ? 北京化工大学硕士学位论文 策。所以，这种控制是着眼于系统未来行为的预控制、超前控制，它具有较强的自 适应性、通用性、实时性和准确性，且结构简单，技术明了，是一种具有广阔前景 的新型控制。灰色预测理论创建以来，人们为了将它应用于振动控制，进行了一定 的研究，但多数还处于仿真阶段。胡芬【4 5 1 ，潘仲麟【4 6 】等人利用灰色g m ( 1 ，1 ) 模型预 测打桩噪声和振动的传播，预测值与实测值基本一致，预测精度达到一级。朱西平 m 】，刘永寿【4 8 ，4 9 j 等人将灰色预测控制运用于转子振动主动控制中，m a t l a b 仿真计算 结果表明，该控制方法是可行的、有效的。 与被动控制相比，反旋流喷射主动控制的优点是：它以少量的反旋流喷射就能 控制转子的振动，只在转子振幅超过某一限定值后才加以控制，而不是在整个运转 过程中都使用反旋流喷射控制。a m u s 巧n s k a 和d e b e n t l y 在8 0 年代后期提出了 一种反旋流设想，即在迷宫腔内导入一股与原气流旋转方向相反的气流，用以抵消 腔内螺旋方式的流动形态【5 0 】。沈庆根等针对气流在迷宫腔中的旋流是产生激振力的 根源，提出了采用带有纵向翅片的反旋流环、采用轴向开孔的反旋流环以及堵塞旋 流通路三种方法来抑制旋流。通过实验验证，证明三种方法都是有效的，强烈的扰 动有效的破坏了进入腔中气流的旋流【5 。陈运西等通过实验研究发现，不同等当转 子接近临界转速、振幅过大时，气体反旋流能将其不平衡回应振幅减小到不加控制 时振幅的三分之一左右甚至更小。他们同时得到了抑不平衡响应的喷嘴口径的最佳 值【5 2 1 。何立东通过对转子密封系统反旋流抑振进行数值模拟，得出反旋流是抑制转 子密封系统流体激振和不平衡响应的有效方法，但反旋流的流量和流速并不是越高 越好，必须结合具体情况进行理论和实验研究【5 引。 一 反旋流技术使密封气流激振的抑制方法从应用蜂窝密封等被动控制，向主动控 制方向迈出了重要的一步。但目前的反旋流技术，喷入量和喷射角度不能根据需要 进行调节，随着介质压力等参数的改变有可能因喷入量过多加剧振动。研究可控反 旋流技术，实现可以根据需要调节射流强度的反旋流技术，将有效地解决叶轮机械 的密封气流激振问题。 合成射流技术是国际上近年提出的一种流动主动控制技术，在流动分离控制、 增强掺混作用、前体涡的控制以及射流方向控制等方面具有广阔的应用前景。例如 在气动力控制方面，将合成射流激励器设置在飞行器机翼表面，控制流动向湍流转 变可以降低阻力。通过控制未充分发展的旋涡相干结构的融合来“合成”湍流剪切 流的概念是由c o l e s 在2 0 世纪7 0 年代提出并在其后的实验中实现【5 4 】。c l e z e r 在以 上概念和工作的基础上，在2 0 世纪9 0 年代中后期发展起来了一种零质量“合成” 射流1 5 5 5 6 j ，其结构是一列不断向外扩展的非定常涡环( 或涡对) ，这列非定常涡环( 或 涡对) 是由合成射流激励器振动膜的周期性振动工作引起环境流体在激励器出口孔 缝处周期性剪切分离向外喷射而产生的。合成射流其本质上是一种零质量射流，属 于零质量射流技术范畴，零质量射流技术的历史发展渊源可以追溯到2 0 世纪中后叶 8 第一牵绪论 的声学整流效应猹玲引。合成射流激励器是一种小型或微型流体控制器件。压电膜振 动式合成射流激励器由合成激励器的腔体和振动部件组成，具有回馈自动调节功能。 在流动壁面内设置的开缝( 或孔) ，压电陶瓷片在周期性变化的电压信号作用下，发 生逆电压效应，柔性薄膜随之产生周期性振动，将输入的电能转化为薄膜振动的动 能，形成气流的吹和吸，从前在激励器开口的窄缝处产生质量流量为零，而动量不 为零的射流，来改变主气流的流动特性，达到对主气流的控制。合成射流激励器王 作时除振动膜振动外无作动部件，结构简单、重量大大降低。工作时只需要电能， 通过改变激励器电信号的频率、振幅和相位，就可根据要求调节和控制射流的强度 和喷射的角度骖舅。利用合成射流抑制密封气流激振，研究可根据转子振动及转子转 速等参数的变化进行调节，产生相应不同强度和不同角度射流的喷射系统，实现密 封气流激振的主动控制。 总之，人们对主动控制这种高效的控制方法已经有了一定的认识，在工程实践 中也有应用实例。但是，主动控制技术还需从理论上与实践上进一步的发展，以期 达到更好的控制效果。 2 。3 实验研究 目前，在叶片振动实验研究方面，国内外的一些公司与研究机构在叶片振动特 性研究方面傲了不少工作，面且取得了些很好的效果。西屋公司予1 9 3 4 年首次使 用了光学系统，反射镜，对运行的汽轮机叶片振动做测量。5 0 年代，随着精密仪表 的普遍发展，广泛采用了应变片一集流环系统来测量叶片的动频和动应力。 1 9 5 8 年西屋公司首次介绍了无线电遥测技术在测量叶片动频和动疲力中的应用。6 0 年代 开始研究叶片振动的非接触测量方法。9 0 年代，西屋公司开发研制出双探头时片振 动非接触监测装置，它不仅可以测量叶片顶部的偏转，异步振动及扭振，还可用于 分析汽轮机叶片的损坏情况，评价修复方案及检验重新设计叶片的性能。美国e p 的己两e 啊技术中心采用声发射探头研制出个s t a r s ( s 绝鼬氛曲i n ea c o u s t i c r e s 印n s es y s l e m ) 叶片振动非接触监测系统。它可以监测时片动频的变化，判断叶 片级连接件的断裂，叶片失速颤振的发生等。该系统已存电厂实际投入运行，且捕 捉到两起叶片事故。西安热工研究院自1 9 6 5 年起开始应用应变片一无线电遥测技术 进行叶片动频与动应力的测鬟，效果较好。他们还研制出了八信道遥测系统焉来测 量叶片的动频和动应力脚】。鹾安热工研究院( 原西安热工所) 进行了相当数量的叶片 的动频率和动应力的测量【6 l 6 2 】。但由于其寿命的限制不能对叶片进行长期监测，南 京电力高等专科学校郑叔琛教授的y f w l 型叶片振动监测装置。但是，由于现场 环境复杂，以方法都因为寿命或精度问题焉不毵在现场长期应用。杨京南等搭建 了主动流动控制实验台，并进行了合成射流时均数度与激励频率的关系的实验【6 3 】。 9 北京化工大学硕士学位论文 实验台的建立，为研究各种流动激励器本身的结构、性能参数创造了良好的条件， 该实验台可以研究解决主动流动控制在发动机中应用的关键技术机理，为激励器、 应用对象参数选择、优化设计提供实验数据。 国外有关叶片振动实验台设计的资料尚不多见。西安热工研究院曾在七十年代 设计了一多功能振动实验台，该实验台主要用来研究轴振，同时也涉及到叶片振动 特性的研究。西安交大现在有一专门研究叶片振动特性的实验台，曾利用应变片一 遥测技术测试叶片振动特性在实验条件下，效果比较理想。 1 3 本论文研究的内容 当叶片受到不稳定的周期性激振力时，就会来回振动。当激振力的频率与叶片 的固有频率相等或成整倍数时，就发生振幅剧增的现象，即所谓的共振。当叶片自 振频率与激振力频率相等时，无论激振力是脉冲形式还是简谐形式，都会使叶片发 生共振。本论文旨在找到一系列有效的抑制叶片振动的方法，以便在工程实践中能 应用这些方法抑制叶片的振动，使叶片能长周期安全运行。进而保证叶轮机械的安 全可靠。 论文从叶片振动的机理入手，研究了叶片振动的基本物理参数，包括振动频率 ( 静频和动频) 、振型( 振动模态) 以及振动应力等。归纳出了导致叶片振动的各种 激振力。研究了叶片在受到激振时的动态响应。通过对叶片振动机理的研究，找到 叶片振动的根本原因，是在激振力的作用下产生了共振，为提出叶片振动抑制方法 提供理论依据。 接着，作者通过实验研究了被动控制、主动控制以及将其二者结合起来的综合 控制。其中被动控制研究了采用蜂窝密封这种阻尼密封以及在叶片项部加叶冠对叶 片振动的抑制效果。文章分析对比了蜂窝密封与光滑密封减振效果，全蜂窝密封与 顶蜂窝密封减振效果，讨论了蜂窝深度对叶片振动幅值的影响，研究了叶项加不同 叶冠对叶片减振效果。主动控制主要是进行了喷射流对叶片振动抑制的研究。分为 反旋流喷射抑制叶片振动和径向喷射抑制叶片振动。最后进行了综合控制方法研究， 将蜂窝密封与反旋喷射结合，共同完成叶片振动的抑制。 文章的最后进行了叶片振动的细观分析，从细观的角度解释了叶片振动抑制的 原理。细观分析是通过流场的流动显示技术，将流场的细观特性显示出来，进而对 这些细观特性进行分析。文章进行了不同密封型式抑振叶片振动细观流场显示，不 同间隙时叶片密封流场显示。加叶冠时叶片密封流场的显示。通过对这些流场的细 观特性进行分析，得出了叶片振动抑制的原因。文章还进行了叶片密封流场速度分 布对比，定量的证实了蜂窝密封抑制叶片振动的原因。 l o 第二章叶片振动的机理 第二章叶片振动的机理 叶片的损坏绝大多数与振动有关，更确切地说，叶片损坏多属于振动强度问题， 即在稳定载荷产生地稳态应力之外，还有振动产生地动应力，而叶片材料在这种复 合应力作用下的耐振强度则因腐蚀、应力集中等因素的影响而显著下降，当叶片经 受多次应力循环地作用，耗尽了材料的抗力，就导致“失效”。运行实践表明，叶片 除了承受静应力外，还受到激振力作用。该力是由结构因素、制造和安装误差及工 况变化等原因引起的。对旋转的叶片来说，激振力对叶片的作用是周期性的，导致 叶片振动，所以叶片是在振动状态下工作的。当叶片的自振频率等于脉冲激振力频 率或为其整数倍时，叶片发生共振，振幅增大，并产生很大的交变应力。为了保证 叶片的安全工作，必须研究激振力和叶片的振动特性，以及叶片在动应力的作用下 的承载能力等问题。 2 1 叶片振动的基本物理参数 叶片振动的物理参数主要有振动频率( 静频和动频) 、振型( 振动模态) 以及振 动应力等。 2 1 1 叶片的振动频率 振动频率是叶片振动中的重要参数。振动频率是指振动系统每秒振动的次数， 也可用圆频率缈= 2 万厂表示。各类振动均有其相应的各阶振动频率，振动阶次越高， 振动频率值越大。叶轮机械转子各组件的固有振动频率( 即自振频率) 包括静频率 ( 即非旋转态固有频率) 与动频率( 即旋转态固有频率) 两种。静频率指叶片安装 于叶轮上静止不动时的固有频率，仅取决于构件的材料特性、几何特性及边界条件， 与外界因素无关。动频率是指组件旋转时在离心力作用下的固有振动频率，它随着 转速变化而变化，是转速的函数畔，6 5 j 。 2 1 1 1 叶片振动的静频率 如下图2 1 ( a ) 所示意是一只等截面的直叶片，在自由端下方放一只激振器，通 以变频电流，达到一定频率时，叶片上下振动的振幅会急剧增大，出现第一阶共振， 这时沿叶高方向振幅所构成的振型曲线为曲线1 。频率继续升高，振幅先是缩小。 继而到一定频率又出现第二阶共振峰，这时的振型曲线为曲线2 。如此继续，还会 出现第三阶( 曲线3 ) 以至无数阶的不同振型和相应的振频，组成了叶片在上下方向也 j 乏索纯工大学殒圭学位论文 即叶片沿切赢的振动特性。如把激振器放在时片旁边进行激振，剡会出现水平左右 向即叶片沿轴向的振动，如图2 1