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轴流式通风机叶片振动的非接触式测量

轴流式通风机叶片振动的非接触式测量

作者：张振东山东科技大学

学位级别：硕士

通风机在矿山生产中具有至关重要的作用,它为井下作业人员提供连续不断的新鲜空气,同时降低瓦斯浓度,因此它被形象的称之为“矿井的肺脏”。近年来,为满足矿井对通风机大流量、低负压的通风要求,越来越多的轮毂比较小的风机在矿山得到... 详细信息

通风机在矿山生产中具有至关重要的作用,它为井下作业人员提供连续不断的新鲜空气,同时降低瓦斯浓度,因此它被形象的称之为“矿井的肺脏”。近年来,为满足矿井对通风机大流量、低负压的通风要求,越来越多的轮毂比较小的风机在矿山得到应用。但是在轮毂比减小的同时,叶片变得相对较长,从而容易产生疲劳折断;因此风机叶片在运行时的振动问题不得不引起足够的重视。因此开发一套风机叶片振动监测系统来及时发现风机叶片出现的问题,及时采取措施,防范事故于未然,提高风机运行的安全性和可靠性就显得势在必行。通风机的动叶片处于高速旋转状态,对叶片振动的测量应采用非接触式测量方法。虽然叶片振动的非接触式测量技术在航空涡轮发动机和电厂汽轮机领域已有所应用,但是通风机与两者相比在具体结构及应用环境方面还存在着较大的差异。因此,测量技术不能照搬套用。本文在分析了国内外叶片振动的非接触式测量技术的基础上,结合矿用通风机自身结构和工作环境,提出了矿用轴流式通风机叶片振动的非接触式测量原理,并针对以下几个关键技术问题进行了研究：叶尖定时时间获取是非接触式测量方法中的关键技术之在叶尖定时时间获取技术方面,目前已有的两种方法存在离散采样点引起的采样误差高,系统复杂、开发周期长的缺点。为了克服上述方法存在的问题,本文提出了新的适用于轴流式通风机的脉冲宽度测量法。随后,本文用LabVIEW软件编制了数据采集程序,并使用PCI-6601数据采集卡、自制XHY3A-HFD信号源和DSO-25216A示波器等设备设计了试验系统,验证脉冲宽度测量法获取叶尖定时时间的可行性。同时,为了验证从叶尖定时数据中快速计算出叶片振动参数的算法,利用LabVIEW的信号仿真功能模拟叶尖定时传感器的非均匀采样信号,然后利用采样数据和编制的振幅、动频计算程序分别计算出叶片的振幅和动频,结果表明,相对误差在工程允许范围内,表明了本文数学算法准确,程序编制正确。综上所述,本文对轴流式通风机叶片振动的非接触式测量中的理论和关键技术进行了探索性研究,进行了必要的仿真和试验验证,为该技术的现场应用打下了基础。

关键词：轴流式通风机叶片振动非接触式测量叶尖定时时间脉冲宽度测量叶片动频 LabVIEW仿真

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不稳定流动对叶片振动的影响与识别方法

不稳定流动对叶片振动的影响与识别方法

作者：张晓雯大连理工大学

学位级别：硕士

对于离心式压缩来说,叶轮作为最薄弱的环节且同时承受离心力作用、流体作用、声场作用以及复杂的耦合作用,因此叶轮疲劳失效是最难的故障诊断问题。在离心式压缩机内部,由于不规则的几何形状以及复杂的不稳定流动,使得流动诱使激励现象... 详细信息

对于离心式压缩来说,叶轮作为最薄弱的环节且同时承受离心力作用、流体作用、声场作用以及复杂的耦合作用,因此叶轮疲劳失效是最难的故障诊断问题。在离心式压缩机内部,由于不规则的几何形状以及复杂的不稳定流动,使得流动诱使激励现象普遍存在,因此需要对这些流动诱使激励的表现形式以及对压缩机内部不稳定流动的影响进行研究,从而掌握不稳定流动对叶轮叶片的作用机理,从源头上避免叶片的振动防止叶片发生疲劳失效。本文主要从声共振、喘振以及旋转失速三个方面对不稳定流动的影响进行分析,获得三种情况下不稳定流动特点,并研究叶片裂纹微弱故障特征提取方法。首先对全高叶片、半高叶片以及无叶三种类型扩压器空腔进行了声学分析,设计声共振实验,在激励频率(即叶片通过频率)接近空腔声学固有频率的情况下会发生声共振,此时压力脉动水平显著高于未发生声共振情况下的脉动水平,为了避免声共振情况的发生,通过更换扩压器可以明显降低压力脉动水平,说明了由于声共振引起的不稳定流动对叶轮叶片的影响及识别声共振情况发生的方法。然后研究不同工况下扩压器入口处压力脉动信号特点,结果显示在最小流量时离心式压缩机出现轻度喘振情况。随着流量进一步减少,则发生深度喘振,通过应变测试,发现喘振时叶片振动频率与气流脉动频率一致,首次通过试验验证了压缩机发生喘振对压力脉动以及叶片振动的影响,从根本上解释了喘振对叶片破坏的作用机理。其次研究进口导叶开度对压力脉动的作用结果,当开度越小时,压缩机特性曲线向右上方移动,则相应地喘振流量增大,也就是说更容易发生不稳定流动。结果显示进口导叶开度角越小低频位置产生的压力脉动水平越大,此处低频频率正好对应于旋转失速频率,即叶轮内发生了旋转失速造成不稳定流动情况。同时测试了三种流量下,导叶开度对压力脉动有效值的影响,结果显示,流量越大压力脉动有效值的整体水平越小。最后研究了叶片裂纹微弱故障特征提取方法,通过模拟叶片裂纹,利用压力脉动信号对叶片裂纹信息进行监测,但叶片裂纹故障信号属于低频信号通常被调制到高频的叶片通过频率处,特别在裂纹的初期不易识别,而在后期很快断裂失效。因此在叶片通过频率处进行小波滤波,再通过包络谱分析,然后应用WSG (Woods-Saxon and Gaussian Potential)随机共振模型并利用倍频方法获得特征频率,即叶片裂纹故障频率。最后通过应变试验进行验证,通过仿真信号分析和试验测试,验证了WSG随机共振模型在叶片裂纹早期故障识别中的可操作性以及可靠性。

关键词：离心式压缩机不稳定流动叶片振动声共振喘振

小型高压比离心压气机叶片振动与动应力安全性评估

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小型高压比离心压气机叶片振动与动应力安全性评估

作者：姜晓莹沈阳工程学院

学位级别：硕士

随着微型燃气轮机技术的提高大大促进了小型高压比高转速离心压气机的发展。高速旋转的离心压气机叶片承受气动载荷、离心载荷等多方面影响,在这些载荷的共同作用下,极易发生振动,并使其形变程度和振动频率不断增大。当激振力导致振动... 详细信息

随着微型燃气轮机技术的提高大大促进了小型高压比高转速离心压气机的发展。高速旋转的离心压气机叶片承受气动载荷、离心载荷等多方面影响,在这些载荷的共同作用下,极易发生振动,并使其形变程度和振动频率不断增大。当激振力导致振动的响应频率与叶片某阶固有频率大小相等或呈倍数关系时,导致叶片共振,是造成叶片裂纹、断裂的主要原因。为了防止叶片发生安全事故,提升离心压气机压比和整体效率,针对改型的Krain离心式叶轮进行气动特性分析、叶片应力应变和模态分析并展开相关研究,主要研究内容如下:1.利用ANSYS CFX软件对小型高压比离心压气机的叶轮进行了流场的分析研究,分析了单流道小型高压比离心压气机叶轮内部流场参数分布规律,通过与实验数据对比,论证了本文研究对象与所采用数值方法的可行性和可靠性,对离心压气机进行了设计转速50000r/min下的数值计算。利用数值仿真对比三种不同分流叶片前缘安装角的叶轮性能的优劣,针对三种方案进行气动性能研究,给出最优分流叶片前缘安装角的角度以及分析叶轮改善之后流道的流动情况。2.基于ANSYS Workbench仿真平台对小型高压比离心压气机进行单向流固耦合研究,分析了在流固耦合作用下离心压气机叶片最大应力应变以及其位置,得到主叶片、分流叶片的应力应变分布云图,分别对比分析了气动力、离心力、离心力与气动力共同作用下对主叶片、分流叶片应力应变的影响。计算叶片材料的许用应力,与叶片的最大应力进行比较分析。3.最后对叶片进行模态分析,计算叶片前六阶的振动频率,研究得出离心力增强了叶片的刚化效应,使主叶片、分流叶片各阶振动频率增加,并对不同载荷条件下的主叶片与分流叶片进行共振判断。通过以上研究,了解了该离心压气机三种不同分流叶片前缘安装角的气动性能,对主叶片、分流叶片的应力应变做了安全性评估,对叶片共振进行了分析。预防在高速旋转工作时,叶片发生毁坏。

关键词：离心压气机叶片振动动应力流固耦合

厚壁环形蜂窝密封和孔型密封封严特性及吸气抑制叶片振动的研究

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厚壁环形蜂窝密封和孔型密封封严特性及吸气抑制叶片振动的研究

作者：丁磊北京化工大学

学位级别：硕士

随着介质压力和流量等参数不断提高,叶轮机械对密封和稳定性的要求越来越高。蜂窝密封性能优异,但传统钢蜂窝密封不能应用在工作介质为易燃易爆的机组,且加工工艺复杂,材料要求特殊,成本高。厚壁铝材蜂窝密封和孔型密封便于整体加工,且... 详细信息

随着介质压力和流量等参数不断提高,叶轮机械对密封和稳定性的要求越来越高。蜂窝密封性能优异,但传统钢蜂窝密封不能应用在工作介质为易燃易爆的机组,且加工工艺复杂,材料要求特殊,成本高。厚壁铝材蜂窝密封和孔型密封便于整体加工,且安全性更高,与钢蜂窝密封相比有独特的优势。另一方面,叶片振动一直是叶轮机械领域的一个难点,工程中行之有效的叶片减振方法较少。本文针对这两方面的问题,开展了以下主要工作：1)基于三维整圈模型,数值计算了不同结构参数下厚壁蜂窝密封和孔型密封的封严特性,结合气流反冲作用和旋涡结构解释了结构参数对两种密封封严特性影响的机理,并比较了两种密封的密封性能优势。结果表明,孔深度变化时,孔腔内的反冲气流和旋涡结构会发生明显变化,气流反冲作用越强烈,在密封间隙区域形成的局部低速区越明显,密封泄漏量越小。芯格尺寸(孔直径)3.2mm,壁厚0.8mm时,泄漏量最小时的蜂窝孔(圆柱孔)深度为0.8mm;孔深度较大时,芯格尺寸(孔直径)对泄漏量影响较小,孔深度较小时,泄漏量随芯格尺寸(孔直径)的增大呈减小趋势,增大到一定程度后泄漏量趋于稳定;泄漏量随壁厚的增大而增大,壁厚在0.4～1.0mm内变化时厚壁蜂窝密封的泄漏量变化相对平稳;总体来看,厚壁蜂窝密封和孔型密封密封性能相差不大,不同参数下两者优势略有不同。2)应用蜂窝密封技术对石化电力行业多台汽轮机、轴流压缩机进行了技术改造,解决了长期困扰企业的机组密封泄漏、润滑油含水和叶片严重水蚀等问题。改造效果表明,石化电力叶轮机械中应用蜂窝密封可显著改善机组性能。3)实验研究了叶顶吸气效应对叶片振动的抑制作用,通过数值计算分析了吸气对叶片周围流场的影响。结果表明,微量吸气效应能有效抑制叶片振动。

关键词：蜂窝密封孔型密封封严特性气流反冲旋涡吸气叶片振动减振

基于叶尖间隙修正定时数据的叶片振动参数辨识研究

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基于叶尖间隙修正定时数据的叶片振动参数辨识研究

作者：王启迪辽宁工业大学

学位级别：硕士

旋转叶片作为航空发动机的核心部件,在高速旋转的过程中会因受到多种复杂的作用力而产生振动,叶片振动会导致叶片出现疲劳裂纹,甚至发生断裂。因此,对叶片的振动状态进行实时监测,获取叶片在旋转过程中的振动参数十分重要。叶尖定时法... 详细信息

旋转叶片作为航空发动机的核心部件,在高速旋转的过程中会因受到多种复杂的作用力而产生振动,叶片振动会导致叶片出现疲劳裂纹,甚至发生断裂。因此,对叶片的振动状态进行实时监测,获取叶片在旋转过程中的振动参数十分重要。叶尖定时法仅需沿静止的机匣上安装几个传感器就能够实现叶片振动的全周期监测,是目前最有效的叶片振动实时监测手段。但传统的叶尖定时信号处理方法并没有考虑叶尖间隙变化对叶尖定时系统精度的影响,在测量时引入了较大的定时误差,并最终影响了叶片的振动参数辨识精度。针对该问题,本论文开展了基于叶尖间隙修正定时数据的叶片振动参数辨识研究。主要研究内容如下:（1）基于电涡流法的叶尖间隙测量原理,搭建静态标定系统实验台。通过静态标定实验数据,并结合脉冲信号的特点,提出一种提高叶尖定时系统精度的方法。通过静态周向标定曲线对比了在叶尖间隙改变时传统方法和该方法的误差。（2）建立叶尖定时测振系统模型。令叶片尖端与每个叶尖定时传感器探头之间的间隙不同,并进行叶尖定时测振系统仿真分析。验证了二次曲线拟合定时方法相比于传统的上升沿定时方法能够有效减小在叶尖间隙改变时引入的定时误差。基于任意角分布的多传感器振动参数辨识算法,对两种方法仿真中测得的定时值进行参数辨识。通过与假设参数进行对比,验证了二次曲线拟合定时方法在叶尖间隙改变时测得的定时值仍具有较高的参数辨识精度。（3）基于MATLAB的GUI编程模块,分别设计恒转速叶片同步振动参数辨识的仿真软件和实验软件,快速、准确的辨识出叶片的振动参数。（4）基于旋转叶片振动非接触测量原理,搭建叶尖定时测量实验台,对叶片轮盘系统进行恒转速实验测量。通过实验数据验证了二次曲线拟合定时方法相比于传统的上升沿定时方法在叶尖间隙改变时能够有效的提高叶尖定时系统的精度。在0.4～1.05 mm测量范围内,采用二次曲线拟合定时方法获取的定时值之差的绝对误差最大值为26.0359 us。在恒转速叶片同步振动参数辨识实验中,在叶尖间隙改变时对NO0号叶片的振动参数进行辨识,辨识得出NO0号叶片的振动幅值平均值为1.0881 mm。通过与叶尖间隙不改变时的辨识结果进行对比,误差分别为0.0036 mm和0.0017 mm。误差极小,验证了在叶尖间隙改变时采用二次曲线拟合定时方法获取的定时值也能准确的辨识出叶片的振动参数。

关键词：叶片振动叶尖定时叶尖间隙参数辨识静态标定

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基于数据融合的涡轮机叶片振动测量方法研究

基于数据融合的涡轮机叶片振动测量方法研究

作者：任三群北京化工大学

学位级别：硕士

涡轮机械在国防和工业生产中作为动力设备,发挥着极其重要的作用。叶片在涡轮机械中又是核心部件,常用于能量转换。对旋转叶片进行运行状态监测是为了保障旋转设备能够安全稳定的运转。叶尖定时测量方法是非接触式叶片振动监测方法中一... 详细信息

涡轮机械在国防和工业生产中作为动力设备,发挥着极其重要的作用。叶片在涡轮机械中又是核心部件,常用于能量转换。对旋转叶片进行运行状态监测是为了保障旋转设备能够安全稳定的运转。叶尖定时测量方法是非接触式叶片振动监测方法中一种重要方法。本文主要内容如下:1.研究了转速波动对叶尖定时测量精度的影响及解决方法,以叶尖定时测振法为基础,引入键相插值法解决转速波动对单键相涡轮机叶片振动测量误差较大的问题,同时对恒速运转下也可自适应测量。通过建立仿真模型比较在不同波动频率下键相插值法与单键相法的结果,结果表明在波动周期较大或波动的转速幅值较大等情况下,使用键相插值法可提高计算结果的精确度。最后在扭转叶片实验台进行了实验验证,结果表明键相插值法可减小转速波动对叶片振动测量精度的影响。2.详细讨论了涡轮机械中易发生的轴向位移和径向振动对叶尖定时法下的叶片振动测量的影响。针对工程应用中常见的扭转叶片,提出了轴向位移对叶尖到达传感器的时间的修正方法,以减小轴向位移带来的影响。通过监测转子的轴心轨迹,对转子涡动进行分解获得转子的正反进动,进一步分析转子涡动对叶顶线速度的影响,给出了具体的推导公式。通过扭转叶片实验台验证了轴向位移修正方法的准确性。转子涡动对叶片线速度的影响可以忽略,但在叶顶到达传感器的时间上仍需讨论。3.基于叶尖定时测振法,提出一种需要较少传感器又能提高测量精度的叶片同步振动参数辨识方法。通过低转速到高转速运行过程,测量出叶片振动位移随转频之间的关系,根据拟合算法可以获得叶片各谐共振点对应的部分振动参数,但无法获得叶片振动倍频值。在谐共振点附近处进行恒速运转,不同位置处的传感器获得的振动位移可以通过辅助参数自回归法来获得各叶片在谐共振点处对应的倍频值,以辨识出叶片同步振动参数。基于新的辨识方法,确定了叶顶传感器的布置方案,并对实际测量中可能存在的干扰因素进行了详细的仿真分析,验证了方法的可行性。4.建立了高速直叶片实验台。在实验研究过程中,完成了叶片同步振动的参数辨识,绘制出安装6个磁铁激励下的叶片振动坎贝尔图。同时对不同激励个数时叶片谐振动做了实验研究和分析。通过应变片测量法验证了新辨识法的准确性。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。

关键词：涡轮机叶片振动叶尖定时法同步振动参数辨识

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基于激光反射法的叶片振动测量技术研究

基于激光反射法的叶片振动测量技术研究

作者：范凡哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

叶片作为汽轮机中主要的作功部件,在工业发展中发挥着至关重要的作用。由于振动特性不良而引起的叶片事故是造成汽轮机事故的主要原因,因此研究叶片的振动特性,对确保汽轮机的安全、可靠运行有着极其重大的意义。虽然国内外关于叶片振... 详细信息

叶片作为汽轮机中主要的作功部件,在工业发展中发挥着至关重要的作用。由于振动特性不良而引起的叶片事故是造成汽轮机事故的主要原因,因此研究叶片的振动特性,对确保汽轮机的安全、可靠运行有着极其重大的意义。虽然国内外关于叶片振动测量的方法众多,但始终没有一种行之有效的方法可以准确的测量振动参数。本课题关于叶片振动测量的研究有着其实际的工程意义。本文根据叶端定时测量原理,设计并建立了基于激光反射法的叶片振动测量系统,并且在实验室环境下完成了对整个测量系统的测试。叶端定时测量法为非接触式测量,通过对工作状态下的叶片到达时间进行采样即可得到叶片振动参数。本文通过对叶端定时测量法的研究,总结了适合本课题的单传感器测量方法,极大限度的节省了传感器的个数,通过一只激光传感器即可实现振动参数的测量。叶片振动测量系统主要由光路传输系统、光电转换系统及信号采集和处理系统三部分组成。根据测量系统的要求,对激光传感器的光源、光纤束、测头部分都分别进行了设计以提高精度。光电转换系统包括两部分：其中光电接收电路将光纤输出的光信号转换为电信号;而信号放大电路则是将输出的微弱电信号放大到可以被信号采集系统识别的信号强度。最后通过NI公司的PXI数据采集系统完成对旋转叶片的采样处理。此外也对转速同步传感器的设计进行了详细的说明。本文的最后对整个测量叶片振动系统进行了实验,验证了叶端定时测量法的可行性并且测量得到了模拟叶片振动实验台的振动参数。通过对实际测量数据与理论数据的比较,得出了精度误差,并分析了产生误差的原因。

关键词：叶片振动叶端定时测量法激光反射光电转换数据采集

基于叶顶计时法的汽轮机叶片振动在线监测系统的开发与应用

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汽轮机技术 2021年第4期63卷 303-305页

作者：关淳马义良薛海亮潘劭平李宇峰翁振宇哈尔滨汽轮机厂有限责任公司哈尔滨150046 哈尔滨工业大学哈尔滨150001

着重论述了汽轮机叶片振动在线监测系统的开发与应用,从基本测试理论、系统框架、系统创新点、传感器研制以及技术应用等多个方面展开详细介绍,旨在为广大从事汽轮机监测及运维技术的专业人员提供研制经验,并为进一步系统优化提供技术... 详细信息

着重论述了汽轮机叶片振动在线监测系统的开发与应用,从基本测试理论、系统框架、系统创新点、传感器研制以及技术应用等多个方面展开详细介绍,旨在为广大从事汽轮机监测及运维技术的专业人员提供研制经验,并为进一步系统优化提供技术借鉴。

关键词：叶片振动叶顶计时实时监测电涡流传感器

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叶片振动损坏研究对增进汽轮机可靠性的作用

电力技术简讯 1973年第9期 34-44页

作者：杨定安

一个装满叶片的轮盘(Bladed—disc,以后简称“叶轮”)组成的汽轮机级,可能按其许多自然方式中的任何一种方式振动。如想做到避免汽轮机振动,重要的事情是了解这些方式中的那一种可能在运转的汽轮机中被激发而引起叶片损坏。对于通用电... 详细信息

一个装满叶片的轮盘(Bladed—disc,以后简称“叶轮”)组成的汽轮机级,可能按其许多自然方式中的任何一种方式振动。如想做到避免汽轮机振动,重要的事情是了解这些方式中的那一种可能在运转的汽轮机中被激发而引起叶片损坏。对于通用电气公司(G.E.C.)所制汽轮机,已通过多年仔细研究所有曾发生过的叶片损坏而获得此资料。本文作者考虑到,解释从这样调研中所得资料尚有困难,故在此对不同形式振动所致的运行损坏予以具体说明。振动造成的叶片损坏,现在几乎只限于小型及陈旧的汽轮机。文中强调对于这些汽轮机中发生的任何叶片损坏应予以彻查。

关键词：汽轮机节径临界速度蒸汽透平叶片振动结构振动轮盘喷咀