葉片激振力以及頻率

1、關(guān)于葉片激振力及頻率第一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1葉片振動概述壓氣機、透平葉片在工作時，不斷受到脈動氣流力的作用。葉片產(chǎn)生疲勞損傷故障，一直是轉(zhuǎn)子較為嚴(yán)重的問題。統(tǒng)計資料表明，葉片損壞的絕大多數(shù)原因是由于振動疲勞所引起。直到目前，無論國內(nèi)國外，葉片振動事故時有發(fā)生，燃?xì)廨啓C葉片振動事故發(fā)生的比例高于汽輪機。燃?xì)廨啓C葉片事故約占燃?xì)廨啓C事故的40以上。可見，討論葉片的振動安全性問題非常重要，不能忽視。 第二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2葉片振動概述 研究葉片振動，需要了解葉片振動的物理現(xiàn)象，振動的基本特性，外界激振力特性，葉片頻率和彈性變形（或響應(yīng)）的計算方法。

2、還要研究避免葉片發(fā)生共振，共振的排除方法和防振減振措施，減少葉片故障，以及用實驗研究方法尋找和解決振動安全問題。 方法包括準(zhǔn)確計算葉片固有頻率，測量干擾力頻率和各種葉片減振方法。以及了解葉片安全性校核的標(biāo)準(zhǔn)（新、老）等 。第三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3葉片振動概述 在本節(jié)中，首先討論葉片的振動物理現(xiàn)象，激振力產(chǎn)生及激振頻率的種類，葉片的振動參數(shù)描述。 然后，介紹能量法求解葉片頻率，分析振型等。該方法的優(yōu)點是物理概念清晰，簡便適用。通過本方法的學(xué)習(xí)，可以從理論高度上，加深我們對振動安全性的理解。為處理運行中振動問題提供解決問題的科學(xué)思路。 第四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于202

3、2年6月4 葉片激振力產(chǎn)生原因 運行中，葉片受到周期性燃?xì)鈿饬鞯募ふ窳Φ淖饔?。作用在運行葉片上的氣流激振力是由于在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，通流部分的結(jié)構(gòu)與制造安裝誤差引起的。通常分為兩類激振力： a、高頻；b、低頻 第五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5（1）高頻激振力的產(chǎn)生 靜葉葉柵出口氣流不均勻。當(dāng)氣流經(jīng)過靜葉柵進入動葉片時，由于靜葉的出氣邊有一定厚度，使得靜葉柵出口的氣流場參數(shù): 壓力和速度等在該處有所降低，造成了一個沿葉輪切向不均勻的氣流場。 見下圖所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的動葉片每經(jīng)過一個靜葉槽道時就受到一次氣流激振力的沖擊。 第六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月6靜葉柵后氣流場切向分布

4、圖第七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月7高頻激振力產(chǎn)生的原因 通常整圈隔板上噴嘴數(shù) 在40100以上，當(dāng)轉(zhuǎn)速取3000轉(zhuǎn)/分時,這類激振力的頻率范圍在2000-7000Hz。由于燃?xì)廨啓C首級葉片高度小,剛性大，其頻率一般都在幾千赫芝以上。 高頻激振力主要對較短的葉片構(gòu)成威脅。第八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月8激振力的頻率 高頻激振力的頻率表達式：第九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月9（2）低頻激振力產(chǎn)生原因 燃?xì)廨啓C靜葉環(huán)的中分面處靜葉接合不良。有的燃機靜葉環(huán)在中分面處剖開為上下兩半環(huán)，當(dāng)制造或裝配產(chǎn)生偏差時，則靜葉型線部分便會錯開。 燃?xì)廨啓C氣流通道中加強筋

5、或肋的結(jié)構(gòu)。 抽氣、排氣結(jié)構(gòu)。燃?xì)廨啓C中那些沿氣缸徑向分布的抽、排氣管道口。 靜葉和葉片槽道制造與安裝偏差引起的激振力等。 第十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月10低頻激振力頻率分析 例如：當(dāng)氣流流過通流部分中那些加強筋時，造成沿圓周氣流速度不均勻，會引起氣流激振力沖擊，其頻率等于加強筋數(shù)目與燃機每秒鐘轉(zhuǎn)速的乘積。 （見下式） 第十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月11低頻激振力的頻率 低頻激振力的頻率表達式： (1、2、3、6） 由于 一般比靜葉數(shù)小得多，所以這類激振力稱為低頻激振力。 低頻激振力對較短的葉片不會構(gòu)成威脅，對較長的葉片會帶來嚴(yán)重危害。 第十二張，PPT共三

6、十六頁，創(chuàng)作于2022年6月12激振力頻率 據(jù)上述分析可知, 氣流激振力的基本頻率大體上分為兩類。 葉片在不均勻的氣流場中轉(zhuǎn)動時，受到的激振力是一個不規(guī)則的周期性涵數(shù)。如將周期性的氣流激振力P沿圓周方向按傅立葉級數(shù)展開，在葉片上作用的激振力可寫為如下形式:第十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月13葉片上作用的高頻激振力表達 公式：第十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月14激振力表示式從上式可見，在不均勻氣流場中轉(zhuǎn)動的葉片，即受到基本頻率激振力的作用，還受到基頻倍數(shù)的激振力的作用。它不是一個簡單的正弦波形，而是多個正弦(或余弦) 波的疊加而成。一般說來，隨著倍數(shù)的增高, 激振

7、力幅值減小，振動的危險性也減小。因此，實際振動分析中只取有限的幾階振動。第十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月15高頻激振力產(chǎn)生的原因上述分析的激振力的大小與氣流速度分布的不均勻程度有關(guān)，由上圖可看出激振力的幅值 只是引起靜彎曲應(yīng)力的平均氣流力 的一部分，很難精確求出。正是如此，葉片的位移難于確定。葉片的動應(yīng)力就很難準(zhǔn)確計算。人們目前采取理論分析與試驗的很多種方法來確定葉片動應(yīng)力數(shù)值。第十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月16防止共振措施避開共振的發(fā)生 隨著激振頻率倍數(shù)的增高, 激振力幅值減小，振動對葉片造成的危害程度減小。因此，實際工程上需要避開的只是有限個階次 。實際振

8、動分析只按照如下處理。 對高頻激振力，其相應(yīng)的頻率為： 式中： 整常數(shù)，一般取1、2、3。第十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月17避開激振的階次 對低頻激振力,其相應(yīng)的頻率為： 式中： 整常數(shù)， 一般取:1、2 6。 第十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月18其它方面的影響 除了以上分析的原因外，還有一些其它因素對葉片產(chǎn)生激振力。例如轉(zhuǎn)子的不平衡，機體的振動等都會引起葉片的激振力，由于這些激振力比較復(fù)雜，目前很難對它們進行預(yù)測，或作定量計算。第十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月19葉片主要振動參數(shù)描述 在對葉片作理論分析時，是將葉片簡化成為一端剛性固定的彈性桿

9、件物理模型。分析該模型在外界作用力下的振動特征。 通常采取實驗方法，對葉片施加激振力，它就偏離其平衡位置產(chǎn)生振動。如圖，可以觀察到葉片上的振動現(xiàn)象有振幅，節(jié)線，頻率以及振動過程出現(xiàn)的不同振型等。這些都是描述葉片振動的重要參量。 第二十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月20葉片振動參數(shù) 振幅振動時葉片各截面上的質(zhì)點距平衡位置的最大距離。 在同一種振動狀態(tài)下，葉片各截面上的振幅是不同的。 如，對葉根剛性固定，葉頂自由的單只葉片的一階振型，葉尖振幅最大，葉根振幅為零。振幅大的截面，變形大。振幅曲線能夠表征出葉片振動響應(yīng)（或位移）的變化趨勢。 第二十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月

10、21葉片振動參數(shù) 頻率前面已經(jīng)介紹，葉片頻率為其每秒鐘振動的次數(shù)。作為葉片的自振頻率或固有頻率，是葉片振動中自身結(jié)構(gòu)的固有特性。 根據(jù)前面的分析已知，當(dāng)葉片結(jié)構(gòu)確定后，頻率也就確定了。 由于葉片本身是有無窮質(zhì)點的彈性體，所以葉片具有多階振動形式和相應(yīng)的多階個自振頻率。 第二十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月22葉片振動參數(shù) 節(jié)線指葉片共振時，葉片截面上振幅為零的各點聯(lián)線，該連線稱為節(jié)線。 由于葉片出現(xiàn)多種振動形態(tài)，葉片上就有不同的節(jié)線數(shù)目和節(jié)線分布規(guī)律。人們通過節(jié)線現(xiàn)象和數(shù)量來判斷葉片屬于哪種振動形態(tài)。即：什麼類型振動？是哪階振動？ 第二十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6

11、月23葉片振動參數(shù) 振型葉片的振動型式。反映葉片自由振動或共振時各處振動型態(tài)的相對關(guān)系。 由于葉片是無窮多自由度系統(tǒng)的彈性桿件，它具有無窮多個振動型態(tài)，這種振動型態(tài)也是葉片振動的固有屬性。 第二十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月24單只葉片的振型 壓氣機或透平上的單只葉片，在受到激振力作用后，便會產(chǎn)生多種多樣型態(tài)的振動。振動的基本型式有彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動以及復(fù)合振動等。 對于裝在轉(zhuǎn)子上的葉片而言，彎曲振動通常又分成切向振動和軸向振動。 第二十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月25單只葉片的振型 葉片繞截面的最小慣性矩軸的彎曲振動稱為切向振動，即振動方向接近于葉輪圓周切線方

12、向。 繞截面最大慣性矩軸的彎曲振動稱為軸向振動，該振動方向接近于轉(zhuǎn)軸的軸向。 沿著葉片長度方向圍繞通過截面的形心軸線的振動稱為扭轉(zhuǎn)振動。 此外，彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動共同作用，合成復(fù)合振動。復(fù)合振動比較復(fù)雜，振動頻率較高。 在單只葉片中主要研究對象是這三種振動型式。第二十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月26葉片振型第二十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月27葉片彎曲振動 彎曲振動型式與葉頂?shù)闹С行褪接嘘P(guān)，對于葉根固定葉頂自由的葉片振型稱為 型振動，包括切向或軸向。 用實驗方法激發(fā)葉片振動，在葉片上撒些沙子，可以觀察到振動過程中有振幅、節(jié)線、頻率以及表現(xiàn)出來的不同振型。隨著外界

13、對葉片激振力頻率的增加到某一值時，葉片頂部振幅最大，根部振幅最小，葉片上的沙子都振掉，只在根部留下少量的沙子。這種振動現(xiàn)象說明除葉根部外，葉片全長上各點都在振動，而且相位相同。 第二十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月28葉片彎曲振動上述振型稱為第一階彎曲振動。簡稱 型振動。葉片的第二階振動頻率，即 型振動振型，除了根部外，在葉片上還有一個不振動的節(jié)線，沙子在節(jié)線附近停滯不動，在節(jié)線上下葉片振動相位相反， 型振動頻率比 型振動頻率高，其振幅是減小的。第三階 型彎曲振動在葉片上有兩條節(jié)線，其振動頻率比二階振動高，振幅也減小。依次還有一系列的振型。每一種振型都有相應(yīng)的頻率。這些振型按照葉

14、片自振頻率的大小次序排列為 、 、 等。 第二十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月29葉片的彎曲振動第三十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月30葉片彎曲振動 由實驗或計算得知，對等截面葉片的前三階頻率之間的比值關(guān)系為 ： ： 1：6.27：17.6 第三十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月31葉片彎曲振動對于根部固定，葉頂鉸支的葉片，如有圍帶的葉片，可以產(chǎn)生頂部不動的振動型式，稱為 振動。 第一階 型振動振型頂部不動，葉片中間沒有節(jié)點，稱為 振動。第二階振型有一條節(jié)線，稱為 型振動。第三階振動有兩條節(jié)線，稱為 型振動。 第三十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月32葉片彎曲振動依次還有更高階階次的振型。等截面葉片的前三階 型振動頻率之間也有下述的比例關(guān)系，其比值為： ： ： 1：3.2：6.8 上述的討論（或?qū)嶒灒┱f明，葉片的自振頻率不止一個，而是無窮多個，隨著葉片振動階次的增高，葉片的振幅逐漸減小。 第三十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月33葉片扭轉(zhuǎn)振動 葉片扭轉(zhuǎn)振動是葉片繞著扭心線擺動，振動中出現(xiàn)帶有一條縱向節(jié)線振動型式的振動，稱為一階扭轉(zhuǎn)振動，用 表示。對應(yīng)的振動頻率是一階扭轉(zhuǎn)振動頻率，用 表示。單只葉片作一階、二階扭轉(zhuǎn)振動時，角振幅隨著振動階次升高逐漸變小。第二階振型有兩個節(jié)線。 第三十四張，PPT