一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构及设计方法技术

一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构及设计方法，该阻尼叶片结构包括叶根、叶身、围带和正压力调节滚珠；其中，围带整体采用沿中分面对称的周向凸型设计，该方向上吸力面侧和压力面侧对应开设有凹槽，围带吸力面侧凹槽和相邻围带压力面侧凹槽沿围带中分面对向布置，组成一个完整安装槽，正压力调节滚珠依次安装在对应的安装槽中。在设计工况下，由正压力求解方法得到最佳正压力，结合相关参数关系得到围带接触面设计形函数，完成阻尼结构参数化流程设计。变工况下，由接触角及最优正压力的匹配关系，阻尼结构达到新的设计平衡点，在新的最优正压力下继续运行，实现变工况阻尼最佳正压力优化结构的自适应设计，提高减振性能使阻尼系统高效运行。

Structure and design method of an adaptive positive pressure damping blade

【技术实现步骤摘要】
一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构及设计方法
本专利技术涉及一种汽轮机动叶片，具体涉及一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构及设计方法。
技术介绍
叶片是汽轮机中将蒸汽动能转换为机械功的重要部件，对于汽轮机的安全运行至关重要。汽轮机叶片的运行环境十分复杂，其工作时会受到离心力、稳定气流力以及交变激振力的作用，使得叶片容易发生振动。降低叶片振动水平，使其振动应力减小到允许范围内对于保证整机的安全可靠运行至关重要。工业上常采用带有阻尼围带结构的叶片，在振动发生时通过叶片围带之间接触发生摩擦作用，将叶片结构振动的机械能转换为热能进行耗散，起到减振的作用，并通过围带间的间隙微调改变接触正压力从而改变摩擦阻尼。阻尼结构所受到的正压力是阻尼结构设计中的一个关键参数，它直接影响叶片摩擦阻尼的减振作用效果。当正压力较小时，叶片围带之间相互作用较弱，摩擦力较小，此时的摩擦接触面处于类似于围带分离的状况，不能充分发挥摩擦阻尼件耗散叶片振动能量的作用，因此叶片共振幅值较大。随着正压力的增加，共振频率开始增大，界面间相互作用增强，摩擦阻尼件耗散叶片振动能量，振动幅值降低。然而当正压力更进一步增大时，叶片之间的相互作用增强，正常工作状态下的气流激振力已经难以使摩擦接触面上再发生宏观滑移现象，此时摩擦节点对处于微动滑移状态，摩擦作用受阻，叶片振动能量无法通过摩擦消耗，因此叶片共振幅值再次增加，叶片振动加剧。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构及设计方法。本专利技术通过设计变截面凹槽改变叶顶围带间的接触正压力，得到阻尼围带间正压力的最佳解，从而使叶片在不同工况下始终保持以最佳正压力工作，有效发挥摩擦阻尼作用效果，降低响应幅值及振动水平，确保机组的安全运行。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案予以实现：一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，该阻尼叶片结构经过预扭处理，包括正压力调节滚珠，叶根平台，与叶根平台下部相连接的叶根，与叶根平台上部相连接的预扭叶身，以及与预扭叶身顶部相连接的叶片围带；其中，叶片围带在周向方向上的吸力面侧和压力面侧对应开设有凹槽，分别为吸力面侧凹槽和压力面侧凹槽，每个叶片围带的吸力面侧凹槽和相邻叶片围带的压力面侧凹槽沿围带中分面对向布置，组成一个完整的安装槽，正压力调节滚珠依次安装在对应的安装槽中。本专利技术进一步的改进在于，围带叶片阻尼结构能够调节，在工况变化时通过自主调整正压力调节滚珠与叶片围带凹槽的接触面及角度，达到新的设计平衡点，用于提供适应变工况下的最佳正压力，以实现变工况下阻尼结构的自适应设计。本专利技术进一步的改进在于，叶片围带整体采用沿中分面对称的周向凸型设计；叶片围带吸力面或压力面与中分面的夹角为60°。本专利技术进一步的改进在于，凹槽周向截面为直角梯形，且轴向长短边高度比为2:1。本专利技术进一步的改进在于，凹槽内部相邻面采用圆角过渡。本专利技术进一步的改进在于，凹槽顶面、轴向两侧面与底面为平面，由尺寸确定；轴向侧面为曲面，由围带设计形函数Q(φ,S)确定；且有凹槽轴向两侧面与底面到围带端面的距离相等。本专利技术进一步的改进在于，正压力调节滚珠在凹槽通道内与两侧凹槽曲面及底面同时接触并能够发生滚动摩擦。一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构的设计方法，在变工况下阻尼结构最佳正压力的求解方法，包括以下步骤：(1)对本专利技术所述结构的叶片在运行转速为n时，由实际测得叶片气流激振力Fa；(2)对围带凹槽与正压力调节滚珠摩擦接触面间施加正压力载荷N；(3)对叶片表面施加激振频率ω和幅值为F的简谐激振力F＝Fasinωt；(4)假设叶顶运动位移幅值初值A＝A0，根据已知的接触面间摩擦系数μ，正压力载荷N，振动频率ω和相对运动位移u等参数，结合微动滑移摩擦模型，假设接触面不发生整体滑动，则初始加载过程的摩擦力可表示为：(5)由谐波平衡法，当系统受到简谐激励时，对摩擦力进行傅立叶展开，取一阶谐波可得：f(A,θ)＝fC(A)cosθ+fS(A)sinθ式中fC(A)和fS(A)分别是摩擦力的一阶余弦分量和正弦分量；通过数值积分得到fC(A)和fS(A)，并将摩擦接触面简化为一个无质量弹簧阻尼系统，摩擦力可以由弹性力和阻尼力相加得到：f＝KeqAcosθ-CeqωAsinθ结合上式及积分性质计算得到摩擦接触面间的等效刚度系数Keq和等效阻尼系数Ceq；(6)采用基于模态叠加法的谐响应分析，获得该工况下摩擦接触面间相对运动位移幅值的更新值A′；(7)对比计算获得的A′和前一次的A，如果两者误差在允许范围内，则计算收敛，否则令A＝A′，返回到步骤(4)直到计算收敛；(8)更新激振频率ω，重复步骤(3)～(7)，得到一条随激振频率变化叶片的受迫响应曲线；(9)改变正压力载荷值N，重复步骤(2)～(8)，得到多条随接触正压力变化组成的叶片幅频响应曲线族，通过二次曲线拟合得到叶片幅频响应曲线函数族；(10)通过求解幅频响应曲线族的包络线，从而找到包络线上最小值点所对应的正压力，即为激振力F下所求最佳正压力Nopt；包络线方程由曲线族函数及其一阶导函数联立求解得到：(11)更新运行转速n及对应的简谐激励值F，重复步骤(1)～(10)，即得到变工况下不同激励与最佳正压力Nopt的对应函数关系，构造形成变工况下最佳正压力的库函数L(F,Nopt)。一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构的设计方法，可实现围带摩擦阻尼结构的参数化设计方法，包括以下步骤：(1)根据初始形函数Q(φ,S)设计围带阻尼结构，得到设计工况下围带可变接触阻尼叶片运行参数；(2)分析激励情况并调用库函数L(F,Nopt)得到该工况下的最佳正压力；(3)带入接触角函数φ(n,F,Nopt)并结合围带设计参数函数，得到围带接触凹槽的设计形函数Q′(φ,S)；(4)若按照设计形函数Q′(φ,S)阻尼结构满足设计值误差范围，则完成阻尼结构参数化流程设计；否则重复(1)～(3)直至满足设计条件。一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构的设计方法，在围带形式确定情况下，根据实际工况对最优正压力及接触角度进行匹配；当围带阻尼结构叶片运行工况发生变化时，正压力、接触面及角度也随之变化，根据气流激振力的变化在L(F,Nopt)函数中达到新的设计平衡点，通过接触面及角度的调整达到新的平衡位置，使其始终满足函数φ(n,F,Nopt)和Q(φ,S)的对应关系，在新的最优正压力No′pt下继续稳定运行，实现变工况阻尼最佳正压力优化结构的自适应设计。相对于现有技术，本专利技术至少具有如下有益的技术效果：本专利技术提供的一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，(1)采用围带凹槽变截面变接触角的设计，在变工况时可通过正压力调节滚珠与围带凹槽的接触面及接触角度的自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，其特征在于，该阻尼叶片结构经过预扭处理，包括正压力调节滚珠(5)，叶根平台(2)，与叶根平台(2)下部相连接的叶根(1)，与叶根平台(2)上部相连接的预扭叶身(3)，以及与预扭叶身(3)顶部相连接的叶片围带(4)；其中，/n叶片围带(4)在周向方向上的吸力面侧(41)和压力面侧(42)对应开设有凹槽(6)，分别为吸力面侧凹槽(61)和压力面侧凹槽(62)，每个叶片围带(4)的吸力面侧凹槽(61)和相邻叶片围带(4)的压力面侧凹槽(62)沿围带中分面(7)对向布置，组成一个完整的安装槽，正压力调节滚珠(5)依次安装在对应的安装槽中。/n

【技术特征摘要】
1.一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，其特征在于，该阻尼叶片结构经过预扭处理，包括正压力调节滚珠(5)，叶根平台(2)，与叶根平台(2)下部相连接的叶根(1)，与叶根平台(2)上部相连接的预扭叶身(3)，以及与预扭叶身(3)顶部相连接的叶片围带(4)；其中，
叶片围带(4)在周向方向上的吸力面侧(41)和压力面侧(42)对应开设有凹槽(6)，分别为吸力面侧凹槽(61)和压力面侧凹槽(62)，每个叶片围带(4)的吸力面侧凹槽(61)和相邻叶片围带(4)的压力面侧凹槽(62)沿围带中分面(7)对向布置，组成一个完整的安装槽，正压力调节滚珠(5)依次安装在对应的安装槽中。


2.根据权利要求1所述的一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，其特征在于，围带叶片阻尼结构能够调节，在工况变化时通过自主调整正压力调节滚珠(5)与叶片围带(4)凹槽(6)的接触面及角度，达到新的设计平衡点，用于提供适应变工况下的最佳正压力，以实现变工况下阻尼结构的自适应设计。


3.根据权利要求1所述的一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，其特征在于，叶片围带(4)整体采用沿中分面(7)对称的周向凸型设计；
叶片围带(4)吸力面或压力面与中分面(7)的夹角为60°。


4.根据权利要求1所述的一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，其特征在于，凹槽周向截面为直角梯形，且轴向长短边高度比为2:1。


5.根据权利要求1所述的一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，其特征在于，凹槽内部相邻面采用圆角过渡。


6.根据权利要求1所述的一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，其特征在于，凹槽顶面、轴向两侧面与底面为平面，由尺寸确定；轴向侧面为曲面，由围带设计形函数Q(φ,S)确定；且有凹槽轴向两侧面与底面到围带端面的距离相等。


7.根据权利要求1所述的一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构，其特征在于，正压力调节滚珠在凹槽通道内与两侧凹槽曲面及底面同时接触并能够发生滚动摩擦。


8.权利要求1至7中任一项所述的一种自适应变工况最佳正压力阻尼叶片结构的设计方法，其特征在于，在变工况下阻尼结构最佳正压力的求解方法，包括以下步骤：
(1)对本发明所述结构的叶片在运行转速为n时，由实际测得叶片气流激振力Fa；
(2)对围带凹槽与正压力调节滚珠摩擦接触面间施加正压力载荷N；
(3)对叶片表面施加激振频率ω和幅值为F的简谐激振力F＝Fasinωt；
(4)假设叶顶运动位移幅值初值A＝A0，根据已知的接触面间摩擦系数μ，正压力载荷N，振动频率ω和相对运动位移u等参数，结合微动滑移摩擦模型，假设接触面不发生整体滑动，则初始加载过程的摩擦力可表示为：



(5)由谐波平衡法，当系统受到简谐激励...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢永慧，刘铸锋，赵伟，张荻，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61