一种界面偏差可调的带冠叶片频率测量装置和方法

本发明涉及叶片频率测量，具体是一种界面偏差可调的带冠叶片频率测量装置和方法。

背景技术：

1、随着我国高新技术的不断发展，汽轮机在航空、船舶等国防与民用工业领域中扮演着越来越重要的角色。作为先进制造业的代表，燃汽轮机的设计与制造水平一直是衡量一个国家科技和工业实力的重要指标之一。带冠叶片作为燃汽轮机的核心部件之一，其物理和力学特性直接影响到整机的服役性能和可靠性。然而，我国燃汽轮机振动问题尤为突出。其主要原因之一就是叶片振动特性分散度大。由于制造加工以及装配精度的限制，叶片与轮盘连接处的接触界面具有随机的形位偏差。其加工误差分布、装配工艺引起的容差组合以及工作状态下结构特征参数变化的概率分布尚无法确定，导致服役状态下带冠叶片-轮盘系统不同叶片的固有频率具有一定的离散性。

2、考虑到带冠叶片几何结构具有典型薄壁特点，其振动响应对边界条件的改变非常敏感。叶-盘结构不同扇区固有频率的波动性会导致以下问题：(1)引起失谐振动，使叶片与轮盘的接触面产生异常摩擦和磨损，降低叶片结构的寿命，并对发动机的可靠性造成负面影响；(2)易引起局部振动应力过大的问题，进而增加发动机叶片断裂失效的风险；(3)不同扇区固有频率的离散性导致叶片实际频率偏离设计域，可能使共振点落到工作转速区，导致异常共振现象。因此，保持叶片固有频率的稳健性和一致性至关重要。研究带冠叶-盘系统榫连接结构的界面偏差所导致的叶片固有频率变化对于设计和制造高水平燃汽轮机具有十分重要的意义。

3、然而，当前国内外对于带冠叶-盘结构的动力学研究并没有充分考虑叶根处接触界面的宏观几何形貌变化所导致的结构振动问题，制造装配因素造成的界面形变随机性与叶-盘结构振动特性离散性之间的映射关系尚未全面建立。为了解决上述问题，需要开展含界面形位偏差的带冠叶片固有频率研究，以实现高可靠性燃汽轮机的制造和设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种界面偏差可调的带冠叶片频率测量装置和方法，以解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种界面偏差可调的带冠叶片频率测量装置，包括轮盘榫槽模拟装置、液压施力装置、高度调节装置和叶冠受力模拟装置；所述轮盘榫槽模拟装置包括基座、榫槽模拟件和支撑块，所述榫槽模拟件固定在基座上且榫槽模拟件中间部分为镂空状态，榫槽模拟件中间部分从四侧边伸出支撑块；所述高度调节装置设在支撑块上，高度调节装置顶部用于托起被测叶片的叶根部分，高度调节装置通过自身高度的调节使其顶部的空间姿态相对于理论位置发生形位偏差；所述液压施力装置设在榫槽模拟件的中部镂空处并位于支撑台下侧的中心位置，液压施力装置通过液压力对高度调节装置以及叶根施加向上方向的载荷，可以模拟叶根在离心力作用下的接触受力状态；所述叶冠受力模拟装置包括两个叶冠受力模拟件，两个叶冠受力模拟件对称设在榫槽模拟件顶部；两个叶冠受力模拟件用于从对称的两侧压紧被测叶片的叶冠部分，叶冠受力模拟件齿形受力面添加有弹压件。

4、在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：

5、在一种可选方案中：所述高度调节装置包括下支撑板和上支撑板；所述下支撑板上端面靠近四角的位置设置有四个螺纹筒，螺纹筒内旋入有螺纹杆，螺纹杆顶部具有槽体，所述上支撑板下端面靠近四角的位置设置有球形凹槽，四个球形凹槽与四个螺纹杆一一对应，球形凹槽内安装有在其内自由转动的滚珠，球形凹槽与螺纹杆的槽体合扣在一起。

6、在一种可选方案中：所述螺纹筒靠近底部的位置向外侧有一部分缺口，螺纹杆下端延伸至缺口处且螺纹杆具有旋杆，每个螺纹筒外壁上均设置有螺母。

7、在一种可选方案中：所述螺纹杆上还设置有刻度线，刻度线用于记录四个螺纹杆上下位置变化量。

8、在一种可选方案中：所述叶冠受力模拟件齿形受力面具有两个弹压件，所述弹压件包括固定圆柱台、抵触圆柱台和弹簧，所述固定圆柱台设置在叶冠受力模拟件齿形受力面上，固定圆柱台和抵触圆柱台相对面上均设置有安装孔，弹簧的两端分别插入固定圆柱台的安装孔和抵触圆柱台的安装孔内。

9、在一种可选方案中：所述榫槽模拟件下端两侧均伸出一部分，并且两侧伸出来的部分均开设有四个螺纹孔，且螺纹孔配合固定螺栓将榫槽模拟件固定在基座上。

10、在一种可选方案中：两个叶冠受力模拟件上均设置有四个螺纹孔，螺纹孔配合固定螺栓将叶冠受力模拟件固定在榫槽模拟件上。

11、一种含界面偏差的带冠叶片频率测量方法，基于上述所述的界面偏差可调的带冠叶片频率测量装置，其过程包括以下步骤：步骤s1：将被测叶片轴向推入榫槽模拟件的榫槽中，使被测叶片底部与高度调节装置顶部相接触；步骤s2：根据实验需求，调节高度调节装置自身的高度，使得高度调节装置的顶部相对于高度调节装置的底部产生产生形位偏差，进而与高度调节装置的顶部相接触的被测叶片叶根具有相同的形位偏差，模拟被测叶片的叶根榫头相对于榫槽模拟件的榫槽的初始界面形位偏差；步骤s3：通过液压施力装置施加垂直向上方向的载荷f，使被测叶片的叶根榫头与榫槽模拟件相接触，随着压力变大，被测叶片的叶根榫头匹配面与榫槽模拟件的榫槽匹配面压紧，模拟实际受离心力作用下含形位偏差的榫连接界面受力状态；步骤s4：将弹压件安装在叶冠受力模拟件的齿形受力面上，再将两个叶冠受力模拟件对称固定在榫槽模拟件，通过弹压件压紧被测叶片的叶冠齿形面，进而可以模拟服役状态下相邻叶冠之间的接触受力状态；步骤s5：将加速传感器置于被测叶片的侧部，用力锤敲击被测叶片的侧面，加速度传感器采集振动信号，通过信号处理系统进行数据分析，得到叶片各阶固有频率频率值；同时，观察高度调节装置高度调节变化量，进而得到被测叶片叶根处榫界面偏差值与相应的叶片各阶频率值之间的对应关系；步骤s6：继续通过液压施力装置施加液压力，重复步骤5，可得到不同离心力作用下的叶片各阶频率。

12、相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

13、1、本发明所提供的带冠叶片频率测量装置与方法中，高度调节装置的安装和操作简单方便。可以根据实际叶根处匹配界面加工制造所产生的形位偏差随机性分布特点，来控制高度调节装置中螺纹杆的空间高度位置，实现榫头与榫槽之间不同的界面偏差配合，进而可以很好地模拟服役条件下叶根-轮盘之间榫连接结构真实的界面配合状态，具有较好的灵活性。

14、2、本发明所提供的带冠叶片频率测量装置与方法中，叶冠受力模拟装置的弹簧压力可以模拟叶冠接触面的受力；通过改变弹簧长度以及弹簧刚度，可以对不同服役条件下叶冠齿形接触面的受力状态进行模拟，具有很高的灵活性和可操作性。

15、3、本发明所提供的带冠叶片频率测量装置与方法中，高度调节装置中螺纹杆上面带有刻度，当进行高度调节步骤时，可以通过观察刻度精确记录叶片界面偏差的数值，具有很好的可操作性。

16、4、本发明所提供的带冠叶片频率测量装置与方法中，叶根处施加垂直方向的载荷可以根据实验需要进行调整，用于模拟不同转速下离心力对叶根榫连接结构的受力作用，具有较好灵活性。