风机叶片流固耦合特性分析与故障诊断
发布时间：2020-10-29 12:36
失速颤振是风机中常见的故障之一,同时叶片裂纹又是风机中普遍存在的一种严重安全隐患,所以探明失速颤振机理及尽早检测出裂纹现象的存在对于风机的安全运行具有重要意义。论文对叶片结构与气流脉动的关系、流固耦合互体现特性、以及根据以上两点进行叶片故障诊断等内容进行系统化研究。详细工作如下: 为探讨风机失速颤振产生的机理,论文提出从气流脉动和叶片结构之间的关系来寻找失速颤振发生频率的方法。通过对风机叶片的模态分析和叶轮出口气动信号频谱分析发现,一定来流速度范围内气流脉动引起的颤振和某一阶固有频率有关,即气流的脉动频率与叶片固有频率趋于相同,远离失速攻角时气流脉动频率逐步摆脱固有频率的影响,在大攻角下叶片结构仍影响气流脉动频率,但已没有一个明显的频率锁定区域。这为探明叶片失速颤振的机理提供了实验依据,证明叶片结构影响气流脉动频率。 为研究风机叶轮系统气固耦合振动互体现的特性,论文利用刻画非线性系统的多特征分析方法,从相空间重构、关联维、近似熵、L-Z复杂度等不同角度对多次重复实验采集的不同工况下叶轮轴向振动信号及叶轮出口气动信号进行分析。实验分析结果证明这两种信号在某些量化特征上具有耦合互体现特征。这为利用气动信号进行叶片故障诊断奠定基础。 基于信号的能量主要集中在低频附近,高频信号的能量随频率的增加而迅速衰减的特点以及耦合振子距离越近,越具互体现特性。论文提出了对叶片不同状态下的气动信号进行多带小波分解,与基于二带小波分解的方法互补,检测叶片裂纹故障的方法。首先对多次实验采集的气动信号进行小波分解;然后计算每个频段的能量,形成多维特征向量集;最后由特征向量集训练分类器,利用设计好的分类器对特征向量进行分类检测,识别故障。多次实验证明,该方法能够快速、有效的检测出早期裂纹现象的存在。 最后为进一步了解叶片裂纹扩展时气动信号的变化,论文对不同工作状态下的气动信号的小波子带能量进行统计分析。分析结果表明,随着叶片裂纹的扩展,高频带相对于正常叶片的气动信号的同子带能量明显降低,而低频带对应的气动信号同子带能量大幅增强。由此可以说明,叶片的裂纹扩展过程中,低频进一步降低,高频进一步升高,气流脉动频率范围逐步扩大。这为转子叶片裂纹故障的监测与诊断提供了依据。同时裂纹的扩展带来叶片结构刚度逐步降低和气动信号低频部分的逐步降低,进一步说明叶片结构影响气流的脉动频率。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TK83
【部分图文】：
图 2-1 模态测试系统示意图Fig. 2-1 Model Testing System主要模态或内部各结构动态[53]比较理想（如图 2-1）。依据测试精度的要就是激振点和响应测试点。采用脉冲力，用带冲，若力作用时间极短，其频谱在所有频段内易激起结构的多阶固有模态。实验时垂直敲击移，并控制好锤击力的大小和时间长短，避免 中混入噪声和虚假模态。选用加速度传感器，数影响很小能满足模态分析所需要的高频振动用有激振力jF 时，在 i 点产生的加速度为iX ，iX=
图 2-2 叶轮的三维模型 图 2-3 叶片模态网格 图 2-4 一阶振型ure 2-2.Three-Dimensional Wheel Model Figure 2-3. Grid of the Modal Figure 2-4 One Order VibMode图 2-5 二阶振型 图 2-6 三阶振型 图 2-7 四阶振型Figure 2-5 Two Order Vibration Mode Figure 2-6 Three Order Vibration ModeFigure 2-7 Four OrdVibration Mode
进而在 UTEKMA 模态分析软件中运用人工建模的方法建立了叶片模态工程的模型网格（如图2-3），图中各标号点为将要测试的叶片模型的节点。叶根处为 43-49 点，叶顶处为 36-42点。在靠近叶根处的中部 3、4、11、10 点之间放了信号接受传感器。2.2.2.2 模态实验过程及分析（1）动态数据的采集及分析激励方法及设备：实验模态分析是在实验室内人为的对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号用各种参数识别方法获取模态参数。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）、多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机、瞬态激励等。根据实验的需要采用了 SISO 的激励方法；输入的力信号特征为瞬态激励，采用了扬州泰司电子有限公司的 TS5000 力锤，该力锤与其他力锤相比较小巧，锥击时可尽量的避免连激非线性信号的产生，符合实验的具体需要，其主要技术参数为：测力范围：0～1000N 参考灵敏度：4.00pC/N过载能力：120％ 线性度：±1.0％F·S数据采集及设备：SISO 方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型精确数据。SIMO 及 MIMO 的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量传感器或激振器，实验成本极高。由于本实验
【引证文献】
本文编号：2860908
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TK83
【部分图文】：
图 2-1 模态测试系统示意图Fig. 2-1 Model Testing System主要模态或内部各结构动态[53]比较理想（如图 2-1）。依据测试精度的要就是激振点和响应测试点。采用脉冲力，用带冲，若力作用时间极短，其频谱在所有频段内易激起结构的多阶固有模态。实验时垂直敲击移，并控制好锤击力的大小和时间长短，避免 中混入噪声和虚假模态。选用加速度传感器，数影响很小能满足模态分析所需要的高频振动用有激振力jF 时，在 i 点产生的加速度为iX ，iX=
图 2-2 叶轮的三维模型 图 2-3 叶片模态网格 图 2-4 一阶振型ure 2-2.Three-Dimensional Wheel Model Figure 2-3. Grid of the Modal Figure 2-4 One Order VibMode图 2-5 二阶振型 图 2-6 三阶振型 图 2-7 四阶振型Figure 2-5 Two Order Vibration Mode Figure 2-6 Three Order Vibration ModeFigure 2-7 Four OrdVibration Mode
进而在 UTEKMA 模态分析软件中运用人工建模的方法建立了叶片模态工程的模型网格（如图2-3），图中各标号点为将要测试的叶片模型的节点。叶根处为 43-49 点，叶顶处为 36-42点。在靠近叶根处的中部 3、4、11、10 点之间放了信号接受传感器。2.2.2.2 模态实验过程及分析（1）动态数据的采集及分析激励方法及设备：实验模态分析是在实验室内人为的对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号用各种参数识别方法获取模态参数。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）、多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机、瞬态激励等。根据实验的需要采用了 SISO 的激励方法；输入的力信号特征为瞬态激励，采用了扬州泰司电子有限公司的 TS5000 力锤，该力锤与其他力锤相比较小巧，锥击时可尽量的避免连激非线性信号的产生，符合实验的具体需要，其主要技术参数为：测力范围：0～1000N 参考灵敏度：4.00pC/N过载能力：120％ 线性度：±1.0％F·S数据采集及设备：SISO 方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型精确数据。SIMO 及 MIMO 的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量传感器或激振器，实验成本极高。由于本实验
【引证文献】
相关博士学位论文 前1条
1 卢秀泉;调速型液力偶合器流固耦合与振动特性研究[D];吉林大学;2012年
相关硕士学位论文 前2条
1 张瑞琴;基于流固耦合的叶片气动弹性分析[D];南京航空航天大学;2009年
2 王海娟;考虑叶轮前侧盖板流固耦合的转子系统动力学特性研究[D];郑州大学;2012年
本文编号：2860908
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