本发明涉及一种激振器，尤其涉及一种三维振动模态可调的叶片气动弹性实验激振器，动力偏心轮的转动通过振动盘和传动柱的转换实现叶片的轴向弯曲、周向弯曲及扭转振动，通过机械接触式激励，还原叶片在低阶模态下的振动状态，特别适用于航空燃气涡轮发动机气动弹性实验领域。
背景技术：
气动弹性问题是叶片及其绕流之间的非定常气动力、弹性力和惯性力之间的动态耦合，通常导致叶片的高频振动，后果是叶片的高周疲劳。气弹问题引起的高周疲劳是影响发动机安全、可运行性和准备状态的一个重要因素。为提高发动机效率，缩小发动机尺寸，高负荷的定制叶型已被广泛采用。小尺寸和高负荷意味着流固气弹之间的相互耦合作用加强。突出的气弹问题，意味着在压缩系统设计过程中很有必要尽可能早的对气弹性能进行评估。
有关叶轮机械气动弹性实验的实验数据尤其是可靠地实验数据一直是制约气弹预测理论准确性和可行性的瓶颈问题。当今的计算资源已经可以支持复杂的气动弹性数值预测方法，但是可供校核代码的实验数据极度稀少。进行气动弹性实验的系统较复杂，实验耗费较大，有限的实验数据已经成为学术界研究叶轮机械气动弹性问题的典型验算算例。气动弹性实验的复杂性最终导致：一方面缺少详细的实验数据，另一方面所发展的气弹预测方法缺少实验数据的校核，如此形成恶性循环。当前叶轮机械气动弹性问题数值模拟方法的发展极度缺乏实验数据的校核，使方法的准确度和适用范围受到严重质疑。
可控式叶轮机械气动弹性实验激振方式分为机械激振、电磁激励、压电激励、射流激励等，其中机械激励具有结构简单、工作稳定、可靠性强的优点。但由于机械激励往往导致振动模式单一，振动频率较低，因此有其局限性。
技术实现要素：
为发挥机械激励的优点并弥补其激励模式单一的不足，本发明提出了一种采用双动力偏心轮驱动的振动模态可调叶片激振器。可通过双动力偏心轮相位夹角的调整，实现叶片的周向弯曲、轴向弯曲和扭转振动，适用于气动弹性实验的叶片激振。
本发明为达到上述目的采取的技术方案是：
一种三维振动模态可调的叶片激振器，包括激振器主体、传动柱和叶片，所述叶片设置在叶轮机匣中，所述叶片的叶根穿过轮毂与设置在其下方的所述传动柱的顶端固定连接，所述传动柱的末端与所述激振器主体连接，所述叶片的叶根与轮毂之间或所述传动柱与轮毂之间使用球铰轴承连接，其特征在于，
所述激振器主体包括盘状外壳、振动盘、动力偏心轮、导轨销、球铰基座，其中，
所述盘状外壳的顶部设有一条形凹腔，所述条形凹腔的中心与所述盘状外壳的中心重叠，所述条形凹腔的两相对的短边呈曲面状，所述条形凹腔的每一所述短边的中部设有一所述导轨销，每一所述导轨销的内侧面b为向外凸出的圆弧形工作面；
所述振动盘整体呈梭形并设置在所述条形凹腔中，其长度方向的两弧形端面a均为圆弧形工作面，所述弧形端面a与所述导轨销的内侧面b构成相互配合的工作外切面；
所述振动盘上沿其长度方向设有两对称的条形凹槽，每一所述条形凹槽中均设有一所述动力偏心轮，所述动力偏心轮可在所述条形凹槽中滑动，所述动力偏心轮由设置在所述盘状外壳底部的动力输入轴进行驱动；
所述振动盘的中心设置所述球铰基座，所述传动柱的末端设置在所述球铰基座上。
本发明的三维振动模态可调的叶片激振器，适用于还原低阶振动模态的叶片气动弹性实验的主动激励，气动弹性实验包括但不限于颤振、强迫响应和非同步振动，振动盘的动力由动力偏心轮输入，振动幅度取决于动力偏心轮的偏心距，叶片的振动模态取决于两个动力偏心轮的相位差角，振动频率取决于动力偏心轮的输出转速；所述振动盘的运动轨迹由导轨销控制；所述激振器由传动柱两端分别连接振动盘上的球铰和叶片，实现振动的传递。
优选地，所述盘状外壳顶部的条形凹腔，其短边与长边之间光滑过渡。
优选地，当叶片激振器处于初始工作状态时，所述振动盘长度方向的两弧形端面a的顶点与每一所述导轨销的内侧面b的顶点重合。
优选地，所述激振器的导轨销与振动盘的接触面是振动盘弧形端面的切面，所述振动盘在该切面的约束下可实现平动或转动。
优选地，所述动力偏心轮上设置腰形调节孔，所述动力输入轴在所述腰形调节孔上的固定位置可调节，从而实现对动力偏心轮偏心距e的调整，继而实现对所述振动盘振动幅度的调整。在所述传动柱长度一致的情况下，偏心距越大，叶片的振动幅度越大。
优选地，当所述两个动力偏心轮旋转方向相同且二者的相位差夹角为0°时，或者，当所述两个动力偏心轮旋转方向相反且二者的相位差角为180°时，所述振动盘在所述动力偏心轮和导轨销的约束下进行平动，所述叶片通过所述传动柱实现弯曲振动。
进一步地，周向或轴向振动；当所述叶片处于弯曲振动模态工作下，当所述两个动力偏心轮的旋转点连线与来流方向平行时，所述叶片的振动为周向振动；当所述两个动力偏心轮的旋转点连线与来流方向垂直时，所述叶片的振动为轴向振动。
优选地，当所述两个动力偏心轮旋转方向相同且二者的相位差夹角180°时，或者当所述两个动力偏心轮旋转方向相反且二者的相位差夹角0°时，所述振动盘在所述动力偏心轮和导轨销的约束下进行旋转，所述叶片通过所述传动柱实现扭转振动。
优选地，在所述两个动力偏心轮的旋转方向相同或者旋转方向相反时，若所述两个偏心轮的相位差夹角为0°和180°之外的其他角度时，所述叶片可实现弯曲和扭转组合的振动模态。
优选地，当所述振动盘在平动到最远位置时，以及当所述振动盘在扭转到最大角度时，所述振动盘不与所述盘状外壳的条形凹腔发生干涉。
本发明的三维振动模态可调的叶片激振器，其中的两个动力偏心轮旋转一周可带动振动盘进行一个周期的的运动，传动柱连接叶片进行一个周期振动，动力偏心轮每秒所转的圈数即为叶片的振动频率。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种上述三维振动模态可调的叶片激振器的设计方法，其特征在于，
ss1.选定叶片的振动幅度，根据设备尺寸及安装要求确定所述传动柱的长度，通过几何关系计算得到所述振动盘的平动幅度或旋转角度，从而确定所述动力偏心轮的偏心距；
ss2.选定所述动力偏心轮的直径和振动盘尺寸，选定所述导轨销的长度，选定所述盘状外壳的尺寸，确保所述振动盘在运动到距初始最远位置时不与所述盘状外壳发生干涉。
与传统的气动弹性实验机械激励器相比，本发明的振动模态可调的叶片激振器使用两个可调相位差角以及偏心距的动力偏心轮驱动振动盘的方式，并利用偏心轮转动的方式施加动力，避免了传统气动弹性实验叶片激励器的激励模态单一和因连杆疲劳等造成振动频率低的缺点，具有可在不更换激励器的条件下实现叶片的轴向振动、周向振动、扭转振动及弯曲和扭转组合模态振动的能力。
附图说明
图1为本发明的三维振动模态可调的叶片激振器结构示意图；
图2为本发明的三维振动模态可调的叶片激振器的俯视图；
图3为本发明的三维振动模态可调的叶片激振器的剖面图；
图4为本发明的三维振动模态可调的叶片激振器的爆炸图；
图5为本发明的三维振动模态可调的叶片激振器的工作原理示意图；
图6为叶片处于扭转模态时激振器工作一个周期运动示意图；
图7为叶片处于弯曲模态时激振器工作一个周期运动示意图；
图8为叶片的振动模态示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实例对本发明做进一步的详细说明，需要说明的是，以下实施例仅是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1、2、3、4所示，本发明的三维振动模态可调的叶片激振器，包括激振器主体10、传动柱20和叶片30，传动柱20的末端与激振器主体10连接，传动柱20的顶端与叶片30的叶根固定连接。激振器主体10包括盘状外壳11、振动盘12、动力偏心轮13、导轨销14、球铰基座15，盘状外壳11的顶部设有一条形凹腔16，条形凹腔16的中心与盘状外壳11的中心重叠，条形凹腔16的两相对的短边呈曲面状，且条形凹腔16的短边与长边光滑过渡；条形凹腔16的每一短边的中部设有一导轨销14，每一导轨销14的内侧面b为向外凸出的圆弧形工作面；振动盘12设置在条形凹腔16中，振动盘12整体呈梭形，其长度方向的两弧形端面a均为圆弧形工作面，弧形端面a与导轨销14的内侧面b构成相互配合的工作外切面，当叶片激振器处于初始工作状态时，振动盘12长度方向的两弧形端面a的顶点与每一导轨销14的内侧面b的顶点重合；振动盘12上沿其长度方向设有两对称的条形凹槽17，每一条形凹槽17中均设有一动力偏心轮13，动力偏心轮13可在条形凹槽17中滑动，动力偏心轮13与设置在盘状外壳11底部的动力输入轴18连接，动力输入轴18的动力来自驱动马达(图中未示出)；振动盘12的中心设置球铰基座15，传动柱20的末端设置在球铰基座15上。
本发明的三维振动模态可调的叶片激振器，振动盘12由设置在条形凹槽17中的两个动力偏心轮13提供动力，其运动由动力偏心轮13和位于振动盘12两端的导轨销14共同约束。振动盘12两端的弧形端面a为圆弧面，导轨销14的内侧面b为振动盘弧形端面a的外切面，保证了振动盘12可在一定范围内做平动和转动，叶片30通过传动柱20与振动盘12上的球铰基座15相连接。
激振器的振动幅度取决于动力偏心轮13的偏心距e，通过调整两动力偏心轮13的偏心距e，可以调节激振器的振动幅度，为了实现对动力偏心轮13偏心距e的调整，可以在动力偏心轮13上设置腰形调节孔，通过调节动力输入轴18在腰形调节孔上的固定位置，可实现对动力偏心轮13偏心距e的调整；叶片30的振动模态取决于两个动力偏心轮13的相位差角，动力偏心轮13相位差角的调节属于本领域的现有技术，在此不再赘述；两个动力偏心轮13旋转一周可带动振动盘12进行一个周期的运动，传动柱20连接的叶片30进行一个周期的振动，动力偏心轮13每秒所转的圈数即为叶片30的振动频率，通过调节驱动电机的转速可调整动力偏心轮13的转速，继而可实现对振动频率的调节。
如图5所示，振动模态可调的叶片激振器在使用时，叶片30设置在机匣50中，叶片30的叶根穿过轮毂40与设置在其下方的传动柱20固定连接，且叶片30的叶根与轮毂40之间或传动柱20与轮毂40之间使用球铰轴承60连接。
如图6所示，在两个动力偏心轮13旋转方向相同的前提下，当二者的相位差夹角为180°时，振动盘12在动力偏心轮13和导轨销14的约束下旋转，振动盘12上连接的传动柱20将旋转运动传递给叶片30，叶片30的振动模态为扭转振动。此外，在两个动力偏心轮13旋转方向相反时，当二者的相位差角为0°时，振动盘12在动力偏心轮13和导轨销14的约束下旋转，叶片30的振动模态也为扭转振动。
如图7所示，在两个动力偏心轮13旋转方向相同的前提下，当二者的相位差角为0°时，振动盘12在动力偏心轮13和导轨销14约束范围内做平动，叶片30的振动模态为弯曲振动。此外，在两个动力偏心轮13旋转方向相反时，当二者的相位差角为180°时，振动盘12在动力偏心轮13和导轨销14约束范围内做平动，叶片30的振动模态也为弯曲振动。
如图8所示，在叶片30处于弯曲模态工作下，当两个动力偏心轮13旋转点连线与轴向(来流方向)平行时，叶片振动为周向振动，当与轴向垂直时，叶片振动为轴向振动。
在两个动力偏心轮13旋转方向相同或者二者的旋转方向相反时，当二者的相位差角为0°和180°之外的其他角度时，叶片振动为弯曲和扭转组合的振动模态。
综上诉述，本发明的三维振动模态可调的叶片激振器，通过使用两个可调相位角的动力偏心轮13驱动振动盘12的方式，达到了在不更换激振器的条件下实现叶片的轴向振动、周向振动、扭转振动及弯曲和扭转组合模态振动的能力，简化了叶片气动弹性试验台的结构，提高了实验效率。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。