一種魚雷渦輪機葉輪和葉片模態試驗技術

劉景云, 孫 濤, 彭 博, 伊 寅, 嚴 海, 高慧中

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一種魚雷渦輪機葉輪和葉片模態試驗技術

劉景云1,2, 孫 濤1, 彭 博1, 伊 寅1, 嚴 海1, 高慧中1

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西西安, 710077)

魚雷渦輪機葉輪體積小、質量輕、葉片短, 常用的接觸式加速度傳感器的附件質量對葉輪模態的測試精度有直接影響, 且無法在短葉片上布置。為了完全消除傳感器的附加質量影響, 增加測點數量, 提高測試精度, 將非接觸式激光測振技術和聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜引入葉輪模態測試中, 解決魚雷渦輪機葉輪的模態測試難題, 測量出葉輪前5階固有頻率和振型。將2種測振方法對比分析, 結果表明, 2種測振方法測量葉輪固有頻率精度均較高, 激光測振技術測量葉輪模態可布置多個測點、測量范圍寬、振型結果顯示清晰直觀; PVDF壓電薄膜在較高頻率范圍的測試精度和抗干擾性較好, 但不適用于低頻測量, 且測量的葉輪模態振型難以辨識。

魚雷渦輪機; 葉輪; 葉片; 激光測振; PVDF壓電薄膜; 模態測試

0 引言

魚雷渦輪發動機具有功率大、體積小、質量輕等特點, 是提高魚雷航速, 研究超重型魚雷和閉式循環魚雷動力系統的首選之一[1]。葉輪是渦輪機的關鍵部件, 為避免渦輪機葉輪在發動機升速、部分進氣脈沖激勵力影響下發生共振, 增大振動噪聲甚至危及發動機的安全運行, 有必要準確測量出葉輪的模態。

然而魚雷渦輪機葉輪具有體積小、質量輕、葉片短的特點, 且葉片和葉輪盤為一體式加工而成, 文獻[2]的研究結果表明, 壓電式加速度傳感器的附加質量對葉輪固有頻率的測量精度影響較大, 會引起雙峰現象, 且只能識別出前3階固有頻率, 無法在葉片上安裝布置。從目前公開資料來看, 魚雷渦輪機葉輪模態的研究以有限元仿真計算為主[3], 各種新興的小附加質量甚至無附加質量的振動測量工具, 諸如激光測振儀和聚偏氟乙烯(polyvinylidence fluoride, PVDF)壓電薄膜, 都沒有用于魚雷渦輪機葉輪模態測試的實踐報道。由于不同的測振技術針對不同的測試對象其優缺點各有不同, 對魚雷渦輪機葉輪的模態測試而言, 究竟哪種模態測試方法更好, 其所對應的測量精度如何仍是未知數。

為了消除振動加速度計的附加質量對模態測試的影響, 有學者嘗試將激光測振技術引入到試驗模態中, 較好地解決了汽車車身復雜鈑金件、倒裝芯片鍵合機鈑金件等輕質量薄壁件的模態測試的難題[4-5]。PVDF壓電薄膜傳感器具有質量輕、柔韌性好、頻響寬等優勢, 可應用于輕質量試驗件和復雜工況下微振動、模態測試。有學者將PVDF壓電薄膜應用于模態測量[6-7], 驗證了在某種特殊試驗件模態測試時其可靠性和測試精度具有一定的優越性。

文章將非接觸式激光測振技術和PVDF壓電薄膜引入葉輪模態測試, 解決傳統測試方法測量魚雷渦輪機葉輪模態時存在測不準、測不全的難題, 消除傳感器附加質量影響, 測量出葉輪的固有頻率和振型, 并探索葉片模態的測試方法。將不同模態測試方法的測量結果從不同維度進行對比分析, 評估2種測試方法的優缺點和適用范圍。

1 測振原理

1.1 激光測振原理

基于激光多普勒技術的Polytec PSV-400型激光測振儀具有測量精度高、動態響應快、測量范圍大、非接觸測量等特點, 已經在振動測量領域廣泛應用, 尤其在薄壁件或復雜結構表面難以安裝普通傳感器等特殊工況下的振動測量時具有顯著優勢。基于多普勒效應的激光測振基本原理[8]如圖1所示。

激光頭發射出的激光束通過分光鏡分解成2束等強的測量信號光束和參考光束。信號光束通過透鏡聚焦入射到被測物體的表面, 從被測物體的表面反射回來的信號光和參考光產生干涉現象。具有不同相位角的信號光束和參考光束可分別表示為

(2)

記光束出射點與被測點的距離為, 光程差即為2倍路程, 則有

(4)

(6)

則多普勒頻率為

(8)

1.2 PVDF壓電薄膜測振原理

PVDF是一種高分子聚合物型材料, 具有很強的壓電特性和較好的加工性能, 可根據需要設計加工成不同形狀的傳感器。對于粘貼于2D結構表面的任意形狀PVDF壓電薄膜, 其電荷輸出方程為[9]

應用積分中值定理, 故在平面上總存在一點(), 使得下式成立

2 葉輪模態測試系統及方案

2.1 測試方案

將葉輪彈性固定在支架上, 利用激光測振儀的形貌掃描單元獲取葉輪的形貌數據, 直接在圖像上定義掃描區域并布點。在所選的激勵點處分別采用單點錘擊和激振器來激振, 測量葉輪模態的固有頻率和振型。

用力錘激勵葉輪并產生激勵信號, 同時PVDF壓電薄膜采集葉輪的響應信號, 輸出的微弱電荷信號經電荷放大器放大并轉換為電壓信號, 與力錘上的力傳感器采集的激勵信號一同輸入LMS采集器。測振方案如圖3和圖4所示。

2.2 測試系統

1) 激光測試系統

激光測振數據采集及分析系統采用德國Polytec PSV-400激光測振儀, 主要包括PSV-I- 400激光掃描頭, PSV-E-401聯接箱, OFV-5000控制器, 帶有PSV Software8.7測試分析軟件的數據管理系統。激振系統有東華公司的LC02-5kN電壓型力錘, B&K激振器、GF-300B功率放大器、PSV-400內置函數發生器。激光測振儀性能參數如表1所示。

表1 激光測振儀主要性能參數

為增強激光測試的反射光強度, 在葉輪盤上粘貼反光紙, 根據葉輪的外形特點, 按照圖5布置圓形掃描網格, 避開葉輪盤圓角位置, 布置5圈, 每圈20個測點。

進行激光測振測量葉片時, 調整激光焦距, 放大葉片圖像, 在放大后的單個葉片圖像上布置3×3矩形掃描網格, 如圖6所示。

2) PVDF壓電薄膜測試系統

模態的測點布置位置如圖7所示。在葉輪盤前端面外圈均勻布置8個測點, 內圈布置4個測點, 每次測量4個測點。由于葉片尺寸限制, 在葉片的正中位置布置1個PVDF壓電薄膜。

PVDF壓電薄膜選取錦州科信電子材料公司生產的傳感器, 其型號參數如表2所示。選用B&K2693型電荷放大器, LMS信號采集系統及LMS Test.lab12A模態分析軟件。

表2 PVDF傳感器主要參數

3 測試結果及數據處理

3.1 基于激光測振的模態測試結果

1) 葉輪模態測量

測量固有頻率時, 用力錘對葉輪施加激勵力, 選取任意2個掃描網格節點作為振動響應測點。力錘每敲擊1次, 高精度激光干涉儀輸出激光, 垂直照射到待測目標點上, 同時收集由目標散射回的激光, 經干涉產生正比與目標速度的多普勒頻移信號, 完成1個測點的振動響應信號測量。在Polytec分析軟件中, 根據各測點的頻響函數解算出葉輪固有頻率。其中2個測點的頻響曲線如圖8所示, 分析得2個測點對應每階固有頻率基本一致, 取其平均得葉輪的前5階固有頻率(如表3所示)。

表3 不同測振方法測量葉輪的固有頻率對比

測量葉輪振型時, 激振器通過功率放大器與激光測振儀的連接箱相連, 由其內置信號發生器產生單頻正弦激振信號驅動激振器工作。同時, 激光頭按照掃描網格對測點逐個測量。在Polytec分析軟件中根據各測點的振動響應信號構造出葉輪的前5階振型, 如圖9所示, 可以看出由于激光可以大量布點, 測量出的振型清晰直觀, 將變形細節顯示的非常清楚。

2) 葉片模態測量

任意選取一個葉片, 在葉片表面布置3×3的掃描網格, 測試過程與葉輪模態測試一樣。測得葉片中心點的頻譜特性曲線如圖10所示, 譜線光滑, 譜峰清晰明辨。測得葉片固有頻率見表4。

表4 不同測振方法測量葉片的固有頻率對比

采用激振器激振, 分別施加各階固有頻率對應的單頻正弦激勵信號, 獲取各階固有頻率下的模態振型, 測試結果顯示葉片的振型如圖11所示。其中: 1階振型以徑向為對稱中心, 邊緣振幅較大; 其他階振型均以對角線為對稱中心, 2階和3階振型相反, 4階和5階振型相似。

由于葉片結構所能布置測點有限, 測點數目不足無法完整反映葉片振型, 導致掃描結果并不清晰。且葉片振型掃描時采用激振器激振, 激振器的質量和激振桿的剛度以及激勵點的位置皆有可能導致測量結果誤差較大。

3.2 基于PVDF壓電薄膜的模態測試結果

1) 葉輪模態測量

在LMS Test.lab模態測試系統進行通道設置、錘擊示波、觸發設置, 輸入信號加力指數窗, 響應信號加指數窗。為獲得較寬頻帶的激勵信號, 力錘選用硬度最大的鋼質錘頭。力錘對葉輪激勵的同時PVDF壓電薄膜采集葉輪的響應信號, 輸出的微弱電荷信號經電荷放大器放大并轉換為電壓信號, 與力傳感器采集的激勵信號一同輸入采集器。記錄5次測量平均值, 獲得各個測點的頻響信號功率譜之和, 如圖12所示。

由圖可知, PVDF壓電薄膜采集到的頻響函數在低頻段(0~500 Hz)噪聲較大, 且均為50 Hz及其倍頻程的工頻干擾信號。雖然通過將采集器和電荷放大器接地可在一定程度上降低噪聲信號, 但仍無法完全消除干擾。但由于葉輪模態的固有頻率較高, 避開了低頻干擾頻段, 且在信號后處理過程中, 可明顯辨識出固有頻率處的極點。采用PloyMAX算法進行模態分析, 選取譜線中S(stable)點最多的峰值作為極點, 并識別出各階固有頻率和模態振型。

從振型測試結果(見圖13)來看, 1~4階依次為1節徑擺振, 2節徑翹曲振動、軸向呼吸, 3節徑翹曲振動, 5階振型理應為4節徑翹曲振動, 但測試結果與2階振型極為相似。所有階次的模態振型較難辨識, 究其原因在于以有限的傳感器節點建立的點和線模型難以準確反映局部變形。

2) 葉片模態測量

任意選取2個葉片, 測得葉片中心點的功率譜線如圖14所示。采用PloyMAX算法進行固有頻率參數識別, 分析出葉片的固有頻率見表4。由于葉片尺寸限制, 無法在其表面布置多個PVDF壓電薄膜, 所以無法測量出葉片的振型。

3.3 不同測試方法結果對比

由激光測振和PVDF壓電薄膜測振技術測量的葉輪盤和葉片模態固有頻率的對比分別見表3和表4。研究結果表明, 2種模態測試方法測量葉輪盤固有頻率的誤差在1.22%以內, 測量葉片固有頻率的誤差不超過0.73%, 階次越高誤差越小, 測試精度也越高。而且葉輪與葉片的固有頻率十分接近, 主要是由于魚雷渦輪機葉輪的特點決定了其結構是葉輪盤、葉片、圍帶及主軸為一體式的整體轉子結構, 所以測得的固有頻率是葉輪盤和葉片等結構振動特性的疊加。

綜合分析比較2種測振方法, 可以看出二者測量葉輪葉片固有頻率的頻響函數譜峰清晰明辨。在模態振型測量時, 激光測振可進行高密度測點布置, 測量的葉輪振型相對PVDF壓電薄膜的測量結果更加清晰直觀, 更能反映局部振動狀態。且激光測量光束較細(約2 mm), 相比傳感器的尺寸更接近于點的振動測量。但其測試系統復雜昂貴, 激光束要與被測面垂直, 以免無法接收反射光束。PVDF壓電薄膜測振技術具有附加質量影響小、價格低廉、測試系統簡單等顯著優點, 但其傳感器在粘貼及拆除過程會容易造成膜片損壞, 可重復利用率不高。

4 結束語

將完全無附加質量的非接觸式激光測振技術和小附加質量的PVDF壓電薄膜引入魚雷渦輪機葉輪模態測試中, 有效消除了普通接觸式加速度傳感器測振所帶來的附加質量問題, 克服了加速度傳感器無法在小尺寸葉片上安裝布置的難題, 首次測量出葉輪前5階模態參數。探索了葉片模態測試的可行性, 而更好的葉片模態測試方法及測試結果的精度有待進一步研究。

研究表明, 非接觸式激光測振技術具有無需接觸或損害被測試件、可大量布置測點、振型結果顯示清晰直觀等顯著優點, 適用于小體積、輕質量、薄壁件的振動測量。采用PVDF壓電薄膜測量葉輪時在較高頻率范圍的測試精度和抗干擾性較好, 但不適用于低頻測量, 且振型容易產生混淆, 可用于激光測振無法實現等工況下的測量。

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(責任編輯: 陳 曦)

A Modal Test Technology of Impeller and Blade for Torpedo Turbine

LIU Jing-yun1,2, SUN Tao1, PENG Bo1, YI Yin1, YAN Hai1, GAO Hui-zhong1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

Torpedo turbine impeller has small size, light weight and short blades, so the additional mass of a common contact acceleration sensor directly affects the measurement accuracy of impeller modal, and the sensor cannot be installed on the short blade. To completely eliminate the influence of the sensor′s additional mass and increase the measurement points and accuracy, the non-contact laser measurement technology of vibration and the PVDF piezoelectric film are introduced into the impeller modal test for improving the measurement accuracy and obtaining the first five orders of impeller natural frequency and vibration modes. Comparison between the contact and non-contact vibration measurement methods shows that: both methods achieve high measurement accuracy of impeller natural frequency, while the non-contact laser measurement technology of vibration allows more measurement points for impeller vibration modal and wider measurement range, and achieves clearer modal shape; PVDF piezoelectric film has higher measurement accuracy and anti-interference ability in higher frequency range, but it is not suitable in lower frequency range and the obtained modal shapes of the impeller are difficult to be identified.

torpedo turbine; impeller; blade; laser measurement of vibration; PVDF piezoelectric film; modal test

TJ630.32; TJ630.6

A

2096-3920(2017)01-0094-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.01.011

2017-02-17;

2017-03-02.

船舶工業國防科技預研基金項目(14J4.4.1).

劉景云(1991-), 男, 碩士, 主要研究方向為測試測量技術.

[引用格式]劉景云, 孫濤, 彭博, 等. 一種魚雷渦輪機葉輪和葉片模態試驗技術[J]. 水下無人系統學報, 2017, 25(1): 94-100.