Investigation of resonant modes and frequencies of plate vibrations as applied to turbomachine blades

The results of experimental and numerical investigations of resonant vibration frequencies and modes for rectangular cantilever plates of constant thickness are presented. The investigations are carried out using the methods of interference holography and finite elements, and the results may serve as basic references in determining resonant frequencies and modes of compressor and turbine blade vibrations.     

失调叶片盘的振动机理

本文对于失调叶片盘的耦合振动问题 ,采用子结构模态综合法建立系统的振动微分方程 ,利用试验模态分析及模态修正计算求得调谐叶片和外缘带锥壳轮盘的若干低阶模态。通过对叶片模态刚度的微量摄动 ,构造真实的失调叶片盘和各种理论分析失调模型。对某个实际的失调叶片盘的非旋转强迫振动试验验证了系统的力学模型和计算公式。计算结果分析表明 ,失调叶片盘强迫振动响应中个别叶片振动过甚乃为叶片失调所致。对各种失调模型的振动计算表明 ,小频差的随机失调优于其他失调分布形式。并就算例给出了最佳频差幅值和恰当的发动机工作频率范围。     

叶片振动可靠性评估方法研究

提出一种用于发动机叶片振动可靠性评估方法,该方法基于叶片共振转速图（Ｃａｍｐｂｅｌ）,引入概率故障树ＰＦＴＡ（ＰｒｏｂａｂｉｌｉｔｙＦａｕｌｔＴｒｅｅＡｎａｌｙｓｉｓ）概念,改善了传统评估方法。其目的是为发展叶片共振识别和可靠性评估的有效方法。在Ｃａｍｐｂｅｌ图上,叶片共振系统定义由工作转速点和附近的多个共振点组成。利用ＰＦＴＡ分析该系统能获得更多的叶片振动信息。该方法发展了常规的叶片振动可靠性设计方法,为叶片设计和叶片振动疲劳排故中改善叶片振动特性提供有益的工程评估方法。     

叶片裂纹故障的多普勒在线监测技术仿真研究

本文研究了文献[1]介绍的叶片裂纹故障声学多普勒在线监测技术的监测原理;提出了一种新的基于裂纹叶片振动响应波形不对称性的监测方法;编制了这两种方法的计算及信号处理程序。仿真计算证明这些程序是可行的,同时表明,本文建立的新的监测方法在监测有效性、可靠性方面具有优势。      

进气畸变条件下压气机转子叶片的 振动特性研究

航空发动机研制及适航要求中均明确提出发动机零部件的振动特性分析和测试要求,包括评估进气流场畸变对振动特性的影响。对某航空发动机压气机第1级转子叶片进行振动特性计算分析,开展自然进气和进气畸变条件下的叶片振动应力测试。计算分析和测试结果表明:计算分析结果与自然进气条件下测试的叶片共振转速及振动频率一致性好,其激振源主要是压气机结构因素;在进气畸变条件下激振源更丰富,与自然进气条件相比,叶片会被激起额外的振动,且在同一共振转速下振动幅值较大,进气畸变对转子叶片的振动特性产生重要影响。在发动机研制过程中,为提高叶片工作的可靠性,需要加强进气畸变条件下的叶片振动特性试验研究。     

叶/盘结构振动分析中几个问题的探讨

为了防止叶／盘结构在正常工作条件下出现危险的共振，从工程设计角度出发，讨论了用在限元法对刚性盘上单个叶片的振动分析、用波传播技术对叶／盘耦合振动及轮盘振动分析中的几个问题。对振动分析中应注意的计算频率阶数确定、激振力选取及其振点确定等问题给出了具体处理方法。计算得到的叶片、轮盘振动特性分析结果与实测结果相符。给出的处理方法可用于叶／盘结构的振动设计分析和排放。     

航空燃气涡轮发动机销接转子叶片的减振效果分析

本文介绍关于两种转子叶片振动特性的比较研究。这两种叶片分别是用销钉和纵树形或燕尾形榫头联接到旋转转盘上的，分别用一端铰接一端自由和一端固接一端自由这两种简化的叶片模型来计算两种叶片的振动。首先推导出适用于旋转离心力场中叶片与旋转平面成任意角度振动的传递矩阵，再用推导出的传递矩阵法计算叶片的固有频率和振型。然后根据模态参数计算叶片对气动激励的位移响应，并通过对位移响应的有限差分计算应力响应。两种模型的响应比较表明；销接叶片的最大位移响应要比榫接的稍微大些，但前者的最大应力响应则比后者的小得多。     

含有失谐特征的叶片-转盘-转轴转子系统动态特性

采用有限元法建立了叶片、叶片-转盘及叶片-转盘-转轴动力学模型,在结构谐调和失谐情况下,分析了不同类别的模型动力学特性,给出了不同模型的振型分布图和频率分布图.通过对比研究发现:对于叶片的特性计算考虑转盘和考虑转轴有着非常大的区别,一些模型出现严重的频率分裂和振型耦合现象.另外,由于失谐会造成叶片-转盘及叶片-转盘-转轴模型的不同类型的叶片耦合振动,也出现了振动频率的分离和集中现象,甚至导致系统模态的丢失和局部振动情况,结构失谐最终导致模态频率更为连续,这为叶片转子系统的设计带来一定困难.     

随机失谐叶盘结构失谐特性分析

为研究失谐叶盘结构最大的强迫响应幅值及最坏失谐模式,提出了运用遗传算法和序列二次规划混合优化方法确定失谐叶片最大的幅值放大系数及相应最坏失谐模式的通用方法.揭示了失谐跳变-局部化现象,构建了与振动响应局部化直接关联的表达因素.失谐敏感度分析表明,失谐叶片最大的幅值放大系数随失谐强度的增加而增大,并在失谐强度上界处取得极值,并没有所谓的失谐"阈值"现象.      

构件振动可靠性设计方法初探

本文提出一种进行构件振动可靠性设计的方法,建立了激振力频率与构件固有频率干涉的概率模型,并利用Goodman曲线,给出了将导致构件损坏的强迫共振响应的概率计算公式及其使用条件。原则上,本文方法对其固有频率相对不太密集的构件更为适用,如航空发动机中的叶片。      

Mistuned bladed disk forced vibration analysis based on standing wave formulation

Forced vibration analysis including a vortex lattice prediction given an external aerodynamic force is conducted in this paper based on a standing wave formulation. The starting point of the standing wave formulation is a set of blade disk normal modes that incorporate all forms of the blade, disk, and shroud elastic coupling. The Küssner gust function was used in a few previous investigations of forced vibration based on the standing wave formulation. However, it was found to be valid only for low engine-order excitation. Therefore, a two-dimensional unsteady vortex lattice method is employed in this paper to predict the gust excitation up to higher engine-order excitation. Thus, the present unsteady vortex lattice analytical model is capable of capturing compressibility and higher engine-order excitation. It features advantages in terms of its computational time and level of accuracy. The effects of mistuning a cascaded blade are also examined in the present aeroelastic analysis to determine the possible advantages obtained by doing this. Numerical results for the mistuned bladed disk are presented regarding its forced response characteristics. In a low engine-order excitation condition, it is shown that similar predictions are obtained between the present and earlier analyses. The maximum discrepancy in the blade amplitude is 70% for a single-blade mistuned rotor and 62.6% for an alternately mistuned rotor, in the worst case, compared to a completely tuned rotor. Single-peak frequencies are presented and analyzed in the higher engine-order excitation levels.     

缘板摩擦阻尼器的减振实验研究

对叶轮机叶片缘板金属摩擦阻尼器进行了实验研究。着重研究了摩擦阻尼器对叶片的一阶弯曲振型的影响。研究表明,利用金属摩擦阻尼器可以有效地降低叶片的振动;通过合理选择阻尼器的质量(即正压力),可以最大限度地降低叶片的弯曲振动应力,即存在一最优正压力;并且随着激振力的增加,这一最优正压力也将随之增加。因此,它是叶轮机械中一种非常简单有效的减振措施。      

带冠和冷却小孔涡轮叶片振动特性分析

某发动机第一级涡轮叶片是带有矩形冠和9小孔冷却涡轮叶片,为分析该级叶片振动特性,建立了有限元模型,分析了小孔、均匀温度场和非均匀温度场下、叶冠边界条件等对振动特性的影响。同时,依据共振疲劳损伤寿命理论确定叶冠的最佳间隙值,来增加使用寿命。计算结果表明:在无真实的温度场时,考虑工作时的平均温度是有效的工程处理方法;小孔对叶片振动特性的影响是较微弱的。      

基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

为了实现叶片振动特性的高精度、多点、非接触测量,对激光多普勒测振原理与应用进行了研究,将激光测振技术引入到叶片振动特性测试中,搭建了1套非接触式声激励测振系统。以某型航空发动机压气机第2级叶片为研究对象,测量出叶片表面153个测点的响应、5kHz内的前5阶固有频率和振型、前3阶应力分布,并将试验结果与有限元分析以及传统振动特性试验采用共振法、模态法获得的振动特性结果进行对比。结果表明：非接触激光测振法可以同时获得叶片高阶模态和全场应力分布,弥补了传统振动特性试验的不足。测得叶片频率与采用共振法、模态法得到的结果相比误差在1%以内,相对应力分布与有限元分析结果基本一致,证明了该新型叶片振动特性试验方法的正确性与先进性。     

整体叶盘结构强度减振一体化设计方法

基于软件ANSYS,建立了整体叶盘参数化模型.结合轮盘强度设计应力标准,借助ANSYS优化模块,获得了满足强度要求的最轻整体叶盘模型.分析了整体叶盘的振动特性,研究了轮盘和叶型参数调整对整体叶盘固有频率的影响.在此基础上,研究了通过改变缘板厚度、罩量及叶型厚度等参数使整体叶盘避开低阶激振的结构设计方法.研究结果表明:对于鼓筒约束的整体叶盘,轮盘参数调整可提高整体叶盘低阶耦合振动频率与4E激振频率在最大转速的裕度为2.2%,而叶型参数调整对此裕度的影响可达8%.最终获得的整体叶盘模型在1阶振动避开5E以下激振,并与4E激振频率在最大转速的裕度达10.8%的基础上达到质量最轻,因避频质量增加4.77%,说明整体叶盘结构强度减振一体化设计方法是可行的.      

火箭发动机泵后供应系统水力激振试验

为了研究某型发动机泵后供应系统的动力学特性,对全尺寸的氧泵后供应系统在中、高频范围内开展了水力激振试验。试验数据表明:供应系统的谐振特性被激发起来。在试验条件下,可以清晰地辨识出泵后供应系统的前4阶谐振频率和振型。第1阶谐振频率响应幅值最高,第2阶和第3阶相当,响应幅值次之,第4阶响应幅值再次之。在外界扰动下,该发动机泵后供应系统能够较容易地达到流体谐振状态,当外界扰动频率接近其谐振频率时,供应系统沿程脉动压力出现了明显的共振波形。在不同的谐振频率下,喷前腔位置均为压力振荡的波节位置,也即为流量振荡的波腹位置。      

非接触式转子叶片振动测试技术应用研究

介绍了旋转叶片整数阶次与非整数阶次的振动理论分析,并利用非接触式叶片振动测量系统进行了模拟试验器和台架压气机试验验证.理论分析和试验结果吻合,表明由非接触式叶片振动测量系统测试振幅的变化特征,可确定整阶次共振与非整阶次叶片振动.      

自由振动优化平均和模态隔离

对飞机颤振试飞等运行中的结构或机械在冲击激励下测到的高噪声多模态自由振动,提出一种优化平均方法,可以在大量抑制噪声的同时,充分突出某一感兴趣的模态。此方法基于自由振动频谱与结构频响函数在显示结构振动特性方面的“相似性”,以平均后的自由振动频谱具有最高共振峰作为自由振动平均时“初相角对齐”的优化平均判据。从优化平均自由振动频谱中,又可隔离出有更高信噪比的结构单模态自由振动来,从而使模态参数识别变得十分简单并有高精度。     

整体离心叶轮叶片的振动可靠性分析

述及了整体离心叶轮的结构及其故障模式特点,在强迫振动放大系数模型的基础上提出了离心叶轮叶片的振动可靠性分析方法,结合固有频率灵敏度分析的叶片共振相干分析,通过厚度控制来调整整体叶轮叶片的固有频率,控制强迫振动放大系数使之避开危险性共振或强迫振动,给出了一实际算例,算例及试车试验表明本文方法是有效的。      

电子散斑干涉法在振动测量中的物光位相调制法

介绍的物光正弦调制法是给振动物体的基座以低频振动,相当于物光位相受到正弦调制,仪器在不“冻结”参考状态(即CCD采样的信号不在帧存器中锁定)时,连续进行相邻两时刻散斑图的“相减”,并在监视器上得到与振型有关的实时图象。当物体达到自振频率时,将出现清楚的振型。因此,本方法可进行频率扫描,通过观察监视器的条纹场确定各阶自振频率及相应的振型,其条纹分辨率高于时间平均法,与相减法比较则可在很宽频率范围内进行频率扫描。