基于气动信号分析的风机叶片颤振机理研究.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 7 ． 0 1 4 基于气动信号分析的风机叶片颤振机理研究 黎少辉 ，李意民 1 ．中国矿业大学机 电学院，江苏徐 州 2 2 1 1 1 6 ；2 ． 徐 州工业职业技术学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要失速颤振是风机运行中最为多发的颤振故障，探明失速颤振频率发展规律，对风机的优化设计与安全运行具有 重要意义。通过对风机叶轮出日气流脉动和叶片结构之间关系研究发现，在一定的来流攻角下，颤振只与叶片的某一阶固 有频率有关。该结论为失速颤振的机理研究提供了实验依据。 关键词失速颤振；气动信号；风机 中图分类号T H 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 7一 O 4 4 2 S t ud y o n S t a l l Fl ut t e r M e c ha n i s m o f Fa n Bl a d e Ba s e d o n Fl o w Fl u c t ua t i o n Si g na l Ana l y s i s L I S ha o h u i 一． LI Yi mi n 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n e a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 1 1 6，C h i n a 2 ． X u z h o u C o l l e g e o f I n d u s t r y T e c h n o l o gy ，X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a Abs t r a c tSt a l l flut t e r i s t he flut t e r f a ul t whi c h c o mmo n l y e x i s t s i n f a n o p e r a t i o n ． I t i s i mp o r t a n t t o di s c o v e r y t h e s t a l l flu t t e r f r e qu c n c y d e v e l o p i ng l a w f o r t he o pt i ma l d e s i g n a n d s a f e o p e r a t i o n o f f a n． Th r o u g h St u dy i n g t h e r e l a t i on b e t we e n t h e flo w flu c t u a t i o n a nd b l a d e s t r u c t u r e ，t h e fl u t t e r wa s p r o v e d t o b e c o n n e c t e d wi t h n a t u r a l e q u e n c y o f t h e b l a d e u n d e r t h e c o n d i t i o n o f c e r t a i n i n c i d e n c e ． Th e c o n c l us i o n p r o v i d es e x p e r i me nt al p r o o f t o s t ud y t h e s t a l l flut t e r me c ha n i s m． Ke y wo r dsSt all flu t t e r ；F l o w flu c t u a t i o n s i g na l ；Fa n 失速颤振是 风机在运行 中常常 出现的问题 ，失速 颤振是典型的升力系统处 于失速攻角附近所发生的气 动弹性失稳现象 。通常 ，失速颤振对 于飞机并不具有 多发性 ，而对于 叶轮机械则不相同。无论是轴流压气 机 、蒸汽 轮机 、螺旋桨 、直升机旋翼 、风力透平乃至 水轮机，失速颤振都是最为多发的颤振故障。叶片颤 振即为气 动弹性失稳 ，这是一类 自激振动现象 ，其起 因是叶片本身微 幅振荡及其激发 的流场非定常性 之间 的交互作用。作者利用流固耦合特性，探讨气动力脉 动与叶轮机械叶片结构之 间的关系 ，寻找失速颤振 的 频率，有利于探明失速颤振的机理，在理论研究及工 程应用 中具有重要 意义 。 1 实 验 该 实 验 采 用 u T e k L V 2 0 0 7动 态信 号 采 集 分 析系统 图 1 ，实验 台 主要有 K D F 一 5型低 噪声 对旋轴 流式 局 部通 风 机 图 2 和一台小型实验 风机 图 3 。K DF - 5风 机主要参数如下 流量 图 1 振动信号采集 与分析系统 1 2 5～ 2 5 0 m ／ ra i n ，额 定 转 速 2 9 4 0 r ／ m i n 。全 压 3 0 0～ 2 8 0 0 P a ，额定功率 2 5 ． 5 k W。小 风机实验 台 如 图 3 ，设 计流 量 2 2 0 0 I n ／ h ，标准 压 力为 1 1 0 P a ， 转速为 1 4 2 0 r ／ m i n 。叶宽 5 3 m m，叶高 1 3 0 m m，叶 片厚 为 2 ． 2 m m，材料为碳钢 。 图 2 K D F - 5对旋轴流 图 3 小型实验风机 通风机实验台 1 ． 1 风机叶片的试验模 态分析 模态是机械结构的 固有振动特性。每一个模态具 有 特定 的固有频率 、阻尼 比和模态 振形 。这些模态参 数可以由计算机或实验分析取得。如果通过实验采集 的系统输人与输出信号经过参数识别获得模态参数， 称 为实验模态分析 。振动模态是弹性结构 固有 的、整 体的特性 。如果通过模态分析方法 搞清楚 了结构在某 一 感兴趣的频率范围内各阶主要模态的特性 ，就可能 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 1 7 基金项目江苏省自然科学基金 B k 2 0 0 5 0 1 8 作者简介黎少辉 1 9 7 4 一 ，男，讲师，博士研究生，研究方向为非线性流体动力学，电话0 5 1 68 2 0 1 5 1 1 6 ，Em a i l l i h u i l e o n e r s o h u ． c o m。 第 7期 黎少辉 等基于气动信号分析的风机叶片颤振机理研究 4 5 预言结构在此频段 内在外部或 内部各种振 源作 用下实 际振动 响应 。叶片模态参数 的测试 ，采用锤击法 ⋯ 比 较 理 想 ，如 图 4示 。依 据测 试 精 度 的 要 求 ，在 叶 片 表 面 上 划 分 网 格 ， 网格 上 的各 点 就 是 激振 点和 响 应 测 试 点 。测 试 结果如表 1 所示 ，K D F - 5 风机 列 出前 六 阶模 态 频 率 ；小风 机 模 态 实 验 只 有 4阶频 率 。图 5 、图 6 位 为 K D F - 5风 机 的 第 1 和第 2阶模态振型 图。 图4 模态测试系统示意图 42Hz ％ 图 5 1阶振 型 图 6 2阶振型 表 1 实验模态分析结 果 Hz 第1 阶 第2阶第3 阶第4阶第5阶第6阶 K D F - 5 风机实验模态 3 3 ． 9 9 2 9 9 ． 4 2 3 6 7 ． 5 6 4 5 9 ． 6 1 5 2 2 ． 0 6 6 4 4 ． 0 8 小风机实验模态1 7 ． 0 9 9 5 5 ． 4 3 9 1 0 1 ． 1 1 9 5 ． 9 1 ． 2气动力脉动信号采集与分析 ∞ 雩 咖卜 _ ∞ 芝 蚓 ‘ 箍 频率／ l i z a 工况 1 c 工况3 l ∞ 面一 2 ．5 笛 一 勰 - l ∞ ．2 勰 ．5 频 率／ H z b 工况2 频率／ Hz d J 工 况4 e 工 况5 图7 大风机 8 0 ％叶高处的出口气动信号功率谱图 信号的采样频率设定为5 1 2 0 H z ；校正因子根据 各通道采用的传感器进行设置 ，设为 4 9 ． 9 3 ；信号的 单位与各通道的传感器相对应，为 k P a ；并根据实际 请况设定了各通道的增益与放大倍数。 由于叶片出 口分离流产生的旋涡 以及旋涡的破裂 会产生气体压力脉动 ，所以，可以通过叶轮出口气体 的压力脉动来研究分离流 与叶片结构之间的关 系。为 此 ，采集 了 8 0 ％ 叶高处 的 出 口气 动 信号 ，并 对其 做 了频 谱 分 析。图 7为 不 同工 况 下 设计 流量 的 1 0 0 ％ 、8 0 ％ 、6 0 ％ 、5 0 ％ 、4 0 ％ 旋 轴 流 风 机气 动 信号的频谱 ，图 8为 5个稳定 工况 设 计流量的 1 0 0 ％、 9 0 ％ 、8 0 ％、7 0 ％、6 0 ％下小风机气动信 号 的频谱 小风 机 叶 片 刚性小 ，安 全起 见 ，只采集 了气 流小攻 角的 5个工况 。 图8 小风机 8 0 ％叶高处出口气动信号功率谱 2结果分析 从对 旋风机 5个工况 的气 动信号 功率谱 分析可 以 明显地看 出 ，对 于工况 1和工况 2 ，此时 气流攻角 较 小 ，气动信号 的频谱 中有两 个主 频 ∞ 。 9 0 H z 和 0 3 2 9 0 H z ， 和上 节分析 的旋风 机叶片第 二 阶模态频 率 2 9 9 ． 4 2 H z 接 近。进 入工 况 3 、工 况4 、工况 5 ，随着气流攻角的增大，0 3 上的幅值逐 步增强 ，而 ∞ ． 影响基 本上 可 以忽略不计 了。因此可 以确定，失速颤振是发生在 ∞ 上的，从气动信号功 率谱分析结果可以看 出，随着气流攻角的增大 ， ， 的影响越来越大 ，而 的影 响基本上 可 以忽略不 计 了 。 从小风机采集的 5个工况的 8 0 ％叶高处的气动 下转第6 4页 6 4 机床与液压 第3 8卷 表 1 补偿前 测量分析结果 ” 均偏差范围 M 1 1 ． 5 1 反向偏差 B 9 ． 0 系统偏差 E 1 8 ． 5 5 去程定位精度 A 1 3 ． 2 6 去程单向重复 R 5 ． 2 4 回程定位精度A 1 6 ． 0 5 回程单向重复 R 4 ． 8 8 定位精度 A 2 0 ． 9 8 4 ． 2误 差 补偿 实验 从 补偿 前的测量结果看 ， 轴的定 位精度不高且 反 向间隙较 大 ，但其重复性好 ，可以对其进行定位精 度和反向间隙补偿 。通过计算机对 以上的数据进行分 析和处理，得出相应的补偿信息，将误差传给数控机 床的 C N C系统，完成相应的补偿。按照补偿前的测 量方 法对 补偿 后 的 轴 再进 行 一次 位 置精 度测 量 ， 测量的误差 曲线如 图 5所示 。 一 回 T 程 o 5 0 l 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 目标 角度／ 。 图 5 补偿后 的测量分析 曲线 图 通过对所测量的误差曲线 ，进行分析和数据处 理 ，根据 G B ／ T 1 7 4 2 1 ． 2 _ 2 0 0 0标准 ，得到分析结果如 表 2所示 。 表 2 补偿后测量分析结果 均偏差范 围 M 2 ． 0 9 反 向偏差 B 3 ． 1 8 系统偏差 E 3 ． 9 6 去程定位精度 A 。 9 ． 1 3 去程单向重复R。 6 ． 8 6 回程定位精度 A 5 ． 6 7 回程单向重复R 4 ． 6 0 定位精度 A 9 ． 1 3 5结论 分析 了激光干涉仪 回转轴校准原理 ，利用激光干 涉仪和旋转轴校准器对 轴的定位精度、重复定位 精度和反 向偏差进行 了检测 ，并且 对位置精度误差进 行了补偿。从实验数据可以看出，定位精度、重复定 位精度和反向偏差都有所提高，达到了车铣复合机床 的精度要求，证明了通过误差补偿来提高机床的精度 是可行有效的 。 参考文献 【 1 】 钟伟弘， 关保国． 数控机床定位误差的激光干涉法检测 与补偿[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术 ， 2 0 0 0 9 3 9 40． 【 2 】 沈兴全， 张清． 三坐标数控机床精度检测与误差补偿 [ J ] ． 测试技术学报 ， 2 0 0 5 ， 1 9 3 2 6 4 2 6 8 ． 【 3 】祝捷． 数控机床复合加工的新发展 [ J ] ． 天津职业院校 联合学报 ， 2 0 0 6 ， 8 5 2 2 2 4 ． 上接 第4 5页 信号功率谱分析结果看出前4个工况均有两个主频 ∞ 1 ∞ 1 5 1 H z 和 2 ∞ 2 1 4 5 H z ， 和上节 分 析的小风机叶片第二阶静模态分析频率 5 5 ． 4 3 9 H z 十分接近。随着气流攻角的增大， c 幅值逐渐增强， 而 幅值逐渐减小，到工况 5时 ∞ 的影响越来越 大 ，而 ∞ 的影响基本 上可 以忽略不计 了 ，再次说 明 了气 流脉动引起 的颤振只和某一 阶固有频率有关 。两 次实验结果说 明颤振只和某一 阶固有频率有 关。 3结论 从上面的分析可以看出 ，在一定的来流攻 角下都 会发生分离流频率和某一阶固有频率相等的现象 ，也 就是分离流对于来流速度 的锁定现象 ，这时的振动有 自激振 动的特点 ，它会造成振动 的发散 。而随着工作 条件 的恶化即气流攻角的增大 ，气流的脉动频 率还受 到翼型 固有频率的影响 ， ． 但 已经不是唯一 。这 为颤振 机理 的研究提供 了实验依据 。 参考文献 【 1 】 李德葆， 陆秋孩． 试验模态分析及其应用[ M] ． 北京 科 学出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 2 】 金琰． 叶轮机械中若干气流激振问题的流固耦合数值研 究[ D] ． 北京 清华大学， 2 0 0 2 ． 【 3 】 邹进和． 振动系统的模态分析实验设计 [ J ] ． 物理实验， 2 0 0 4 1 1 4 6 4 7 ． 【 4 】郭恩民． 叶轮机流动诱发振动现象的非定常气动探索 [ D ] ． 北京 北京航空航天大学， 1 9 9 7 ． 【 5 】陈佐一， 刘红， 王继宏． 汽轮机末级叶片失速颤振的全三维 粘性流数值分析[ J ] ． 中国电机工程学报， 1 9 9 9 3 1 8 2 0 ． 【 6 】金琰， 袁新， 申炳． 机翼大攻角下失速颤振的气动弹性研 究[ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 5 5 7 3 5 7 5 ． 【 7 】刘湘宁， 向锦武． 大展弦比复合材料机翼失速颤振分析 [ J ] ． 中国航空学报 英文版， 2 0 0 6， 1 9 1 3 6 4 3 ． 上接 第4 8页 【 1 0 】郑育红． 热处理炉P I D温控系统的偏差分析与修正[ J ] ． 西安航空技术高等专科学校学报 ， 2 0 0 4 ， 2 2 3 4 7 4 9 ． 【 1 1 】L i J i a n p i n g ， Wa n g B o c h a n g ， A i J i a n g - b o ， e t a 1 ． D e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m f o r a l u mi n u m f o i l a n n e M i n g f u r n a c e[ J ] ． Me t a l l u r g i c al I n d u s t r y A u t o m a t i o n ， 2 0 0 8 ， 3 2 2 1 6 2 O ． 【 l 2 】 贺秀英， 李冰． 细长轴渗氮变形的控制[ J ] ． 机械工人 热加工 ， 2 0 0 8 1 ／ 2 6 7 6 8 ． 【 1 3 】 X i a o w e i H a o ， W e i m i n Z h a n g ， J i n g Wa n g ， e t a 1 ． N u m e ri c a l s i mu l a t i o n o f t e mp e r a t u r e fie l d d u ri n g h e a t i n g p r o c e s s i n v a c u u m h e a t t r e a t me n t f u rna c e [ C] ． P r o c e e d i n g s 一 1 5 t h I F HT S E ． I n t e rn a t i o n a l F e d e r a t i o n f o r He a t T r e a t me n t a n d S u r f a c e En g i n e e ri n g C o n g r e s s 2 0 0 6， U S A， 2 0 0 6 3 4 13 4 6 ． 【 1 4 】L a k h t i n Y ． M ． ， K o g a n Y ． D ． ， S o s h k i n S ． M ． ． N i t r i d i n g o f s t e e l s i n v a c u u m[ J ] ． Me t a l S c i e n c e a n d H e a t T r e a t me n t ， 1 9 8 0， 2 2 9 ／ 1 0 6 3 56 3 ．