一種魚雷渦輪機(jī)葉輪和葉片模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)

劉景云, 孫 濤, 彭 博, 伊 寅, 嚴(yán) 海, 高慧中

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一種魚雷渦輪機(jī)葉輪和葉片模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)

劉景云1,2, 孫 濤1, 彭 博1, 伊 寅1, 嚴(yán) 海1, 高慧中1

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安, 710077)

魚雷渦輪機(jī)葉輪體積小、質(zhì)量輕、葉片短, 常用的接觸式加速度傳感器的附件質(zhì)量對(duì)葉輪模態(tài)的測(cè)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(zhì)量影響, 增加測(cè)點(diǎn)數(shù)量, 提高測(cè)試精度, 將非接觸式激光測(cè)振技術(shù)和聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜引入葉輪模態(tài)測(cè)試中, 解決魚雷渦輪機(jī)葉輪的模態(tài)測(cè)試難題, 測(cè)量出葉輪前5階固有頻率和振型。將2種測(cè)振方法對(duì)比分析, 結(jié)果表明, 2種測(cè)振方法測(cè)量葉輪固有頻率精度均較高, 激光測(cè)振技術(shù)測(cè)量葉輪模態(tài)可布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)、測(cè)量范圍寬、振型結(jié)果顯示清晰直觀; PVDF壓電薄膜在較高頻率范圍的測(cè)試精度和抗干擾性較好, 但不適用于低頻測(cè)量, 且測(cè)量的葉輪模態(tài)振型難以辨識(shí)。

魚雷渦輪機(jī); 葉輪; 葉片; 激光測(cè)振; PVDF壓電薄膜; 模態(tài)測(cè)試

0 引言

魚雷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有功率大、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn), 是提高魚雷航速, 研究超重型魚雷和閉式循環(huán)魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的首選之一[1]。葉輪是渦輪機(jī)的關(guān)鍵部件, 為避免渦輪機(jī)葉輪在發(fā)動(dòng)機(jī)升速、部分進(jìn)氣脈沖激勵(lì)力影響下發(fā)生共振, 增大振動(dòng)噪聲甚至危及發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行, 有必要準(zhǔn)確測(cè)量出葉輪的模態(tài)。

然而魚雷渦輪機(jī)葉輪具有體積小、質(zhì)量輕、葉片短的特點(diǎn), 且葉片和葉輪盤為一體式加工而成, 文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)果表明, 壓電式加速度傳感器的附加質(zhì)量對(duì)葉輪固有頻率的測(cè)量精度影響較大, 會(huì)引起雙峰現(xiàn)象, 且只能識(shí)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(jī)葉輪模態(tài)的研究以有限元仿真計(jì)算為主[3], 各種新興的小附加質(zhì)量甚至無附加質(zhì)量的振動(dòng)測(cè)量工具, 諸如激光測(cè)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(jī)葉輪模態(tài)測(cè)試的實(shí)踐報(bào)道。由于不同的測(cè)振技術(shù)針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象其優(yōu)缺點(diǎn)各有不同, 對(duì)魚雷渦輪機(jī)葉輪的模態(tài)測(cè)試而言, 究竟哪種模態(tài)測(cè)試方法更好, 其所對(duì)應(yīng)的測(cè)量精度如何仍是未知數(shù)。

為了消除振動(dòng)加速度計(jì)的附加質(zhì)量對(duì)模態(tài)測(cè)試的影響, 有學(xué)者嘗試將激光測(cè)振技術(shù)引入到試驗(yàn)?zāi)B(tài)中, 較好地解決了汽車車身復(fù)雜鈑金件、倒裝芯片鍵合機(jī)鈑金件等輕質(zhì)量薄壁件的模態(tài)測(cè)試的難題[4-5]。PVDF壓電薄膜傳感器具有質(zhì)量輕、柔韌性好、頻響寬等優(yōu)勢(shì), 可應(yīng)用于輕質(zhì)量試驗(yàn)件和復(fù)雜工況下微振動(dòng)、模態(tài)測(cè)試。有學(xué)者將PVDF壓電薄膜應(yīng)用于模態(tài)測(cè)量[6-7], 驗(yàn)證了在某種特殊試驗(yàn)件模態(tài)測(cè)試時(shí)其可靠性和測(cè)試精度具有一定的優(yōu)越性。

文章將非接觸式激光測(cè)振技術(shù)和PVDF壓電薄膜引入葉輪模態(tài)測(cè)試, 解決傳統(tǒng)測(cè)試方法測(cè)量魚雷渦輪機(jī)葉輪模態(tài)時(shí)存在測(cè)不準(zhǔn)、測(cè)不全的難題, 消除傳感器附加質(zhì)量影響, 測(cè)量出葉輪的固有頻率和振型, 并探索葉片模態(tài)的測(cè)試方法。將不同模態(tài)測(cè)試方法的測(cè)量結(jié)果從不同維度進(jìn)行對(duì)比分析, 評(píng)估2種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

1 測(cè)振原理

1.1 激光測(cè)振原理

基于激光多普勒技術(shù)的Polytec PSV-400型激光測(cè)振儀具有測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大、非接觸測(cè)量等特點(diǎn), 已經(jīng)在振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用, 尤其在薄壁件或復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面難以安裝普通傳感器等特殊工況下的振動(dòng)測(cè)量時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)?；诙嗥绽招?yīng)的激光測(cè)振基本原理[8]如圖1所示。

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

(2)

記光束出射點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)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(cè)振原理

PVDF是一種高分子聚合物型材料, 具有很強(qiáng)的壓電特性和較好的加工性能, 可根據(jù)需要設(shè)計(jì)加工成不同形狀的傳感器。對(duì)于粘貼于2D結(jié)構(gòu)表面的任意形狀PVDF壓電薄膜, 其電荷輸出方程為[9]

應(yīng)用積分中值定理, 故在平面上總存在一點(diǎn)(), 使得下式成立

2 葉輪模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)及方案

2.1 測(cè)試方案

將葉輪彈性固定在支架上, 利用激光測(cè)振儀的形貌掃描單元獲取葉輪的形貌數(shù)據(jù), 直接在圖像上定義掃描區(qū)域并布點(diǎn)。在所選的激勵(lì)點(diǎn)處分別采用單點(diǎn)錘擊和激振器來激振, 測(cè)量葉輪模態(tài)的固有頻率和振型。

用力錘激勵(lì)葉輪并產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào), 同時(shí)PVDF壓電薄膜采集葉輪的響應(yīng)信號(hào), 輸出的微弱電荷信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào), 與力錘上的力傳感器采集的激勵(lì)信號(hào)一同輸入LMS采集器。測(cè)振方案如圖3和圖4所示。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

1) 激光測(cè)試系統(tǒng)

激光測(cè)振數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)采用德國Polytec PSV-400激光測(cè)振儀, 主要包括PSV-I- 400激光掃描頭, PSV-E-401聯(lián)接箱, OFV-5000控制器, 帶有PSV Software8.7測(cè)試分析軟件的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。激振系統(tǒng)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(nèi)置函數(shù)發(fā)生器。激光測(cè)振儀性能參數(shù)如表1所示。

表1 激光測(cè)振儀主要性能參數(shù)

為增強(qiáng)激光測(cè)試的反射光強(qiáng)度, 在葉輪盤上粘貼反光紙, 根據(jù)葉輪的外形特點(diǎn), 按照?qǐng)D5布置圓形掃描網(wǎng)格, 避開葉輪盤圓角位置, 布置5圈, 每圈20個(gè)測(cè)點(diǎn)。

進(jìn)行激光測(cè)振測(cè)量葉片時(shí), 調(diào)整激光焦距, 放大葉片圖像, 在放大后的單個(gè)葉片圖像上布置3×3矩形掃描網(wǎng)格, 如圖6所示。

2) PVDF壓電薄膜測(cè)試系統(tǒng)

模態(tài)的測(cè)點(diǎn)布置位置如圖7所示。在葉輪盤前端面外圈均勻布置8個(gè)測(cè)點(diǎn), 內(nèi)圈布置4個(gè)測(cè)點(diǎn), 每次測(cè)量4個(gè)測(cè)點(diǎn)。由于葉片尺寸限制, 在葉片的正中位置布置1個(gè)PVDF壓電薄膜。

PVDF壓電薄膜選取錦州科信電子材料公司生產(chǎn)的傳感器, 其型號(hào)參數(shù)如表2所示。選用B&K2693型電荷放大器, LMS信號(hào)采集系統(tǒng)及LMS Test.lab12A模態(tài)分析軟件。

表2 PVDF傳感器主要參數(shù)

3 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

3.1 基于激光測(cè)振的模態(tài)測(cè)試結(jié)果

1) 葉輪模態(tài)測(cè)量

測(cè)量固有頻率時(shí), 用力錘對(duì)葉輪施加激勵(lì)力, 選取任意2個(gè)掃描網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為振動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)。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(cè)目標(biāo)點(diǎn)上, 同時(shí)收集由目標(biāo)散射回的激光, 經(jīng)干涉產(chǎn)生正比與目標(biāo)速度的多普勒頻移信號(hào), 完成1個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)測(cè)量。在Polytec分析軟件中, 根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)解算出葉輪固有頻率。其中2個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻響曲線如圖8所示, 分析得2個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(cè)振方法測(cè)量葉輪的固有頻率對(duì)比

測(cè)量葉輪振型時(shí), 激振器通過功率放大器與激光測(cè)振儀的連接箱相連, 由其內(nèi)置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生單頻正弦激振信號(hào)驅(qū)動(dòng)激振器工作。同時(shí), 激光頭按照掃描網(wǎng)格對(duì)測(cè)點(diǎn)逐個(gè)測(cè)量。在Polytec分析軟件中根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)構(gòu)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(diǎn), 測(cè)量出的振型清晰直觀, 將變形細(xì)節(jié)顯示的非常清楚。

2) 葉片模態(tài)測(cè)量

任意選取一個(gè)葉片, 在葉片表面布置3×3的掃描網(wǎng)格, 測(cè)試過程與葉輪模態(tài)測(cè)試一樣。測(cè)得葉片中心點(diǎn)的頻譜特性曲線如圖10所示, 譜線光滑, 譜峰清晰明辨。測(cè)得葉片固有頻率見表4。

表4 不同測(cè)振方法測(cè)量葉片的固有頻率對(duì)比

采用激振器激振, 分別施加各階固有頻率對(duì)應(yīng)的單頻正弦激勵(lì)信號(hào), 獲取各階固有頻率下的模態(tài)振型, 測(cè)試結(jié)果顯示葉片的振型如圖11所示。其中: 1階振型以徑向?yàn)閷?duì)稱中心, 邊緣振幅較大; 其他階振型均以對(duì)角線為對(duì)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(jié)構(gòu)所能布置測(cè)點(diǎn)有限, 測(cè)點(diǎn)數(shù)目不足無法完整反映葉片振型, 導(dǎo)致掃描結(jié)果并不清晰。且葉片振型掃描時(shí)采用激振器激振, 激振器的質(zhì)量和激振桿的剛度以及激勵(lì)點(diǎn)的位置皆有可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差較大。

3.2 基于PVDF壓電薄膜的模態(tài)測(cè)試結(jié)果

1) 葉輪模態(tài)測(cè)量

在LMS Test.lab模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行通道設(shè)置、錘擊示波、觸發(fā)設(shè)置, 輸入信號(hào)加力指數(shù)窗, 響應(yīng)信號(hào)加指數(shù)窗。為獲得較寬頻帶的激勵(lì)信號(hào), 力錘選用硬度最大的鋼質(zhì)錘頭。力錘對(duì)葉輪激勵(lì)的同時(shí)PVDF壓電薄膜采集葉輪的響應(yīng)信號(hào), 輸出的微弱電荷信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào), 與力傳感器采集的激勵(lì)信號(hào)一同輸入采集器。記錄5次測(cè)量平均值, 獲得各個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻響信號(hào)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(shù)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(hào)。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(hào), 但仍無法完全消除干擾。但由于葉輪模態(tài)的固有頻率較高, 避開了低頻干擾頻段, 且在信號(hào)后處理過程中, 可明顯辨識(shí)出固有頻率處的極點(diǎn)。采用PloyMAX算法進(jìn)行模態(tài)分析, 選取譜線中S(stable)點(diǎn)最多的峰值作為極點(diǎn), 并識(shí)別出各階固有頻率和模態(tài)振型。

從振型測(cè)試結(jié)果(見圖13)來看, 1~4階依次為1節(jié)徑擺振, 2節(jié)徑翹曲振動(dòng)、軸向呼吸, 3節(jié)徑翹曲振動(dòng), 5階振型理應(yīng)為4節(jié)徑翹曲振動(dòng), 但測(cè)試結(jié)果與2階振型極為相似。所有階次的模態(tài)振型較難辨識(shí), 究其原因在于以有限的傳感器節(jié)點(diǎn)建立的點(diǎn)和線模型難以準(zhǔn)確反映局部變形。

2) 葉片模態(tài)測(cè)量

任意選取2個(gè)葉片, 測(cè)得葉片中心點(diǎn)的功率譜線如圖14所示。采用PloyMAX算法進(jìn)行固有頻率參數(shù)識(shí)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(gè)PVDF壓電薄膜, 所以無法測(cè)量出葉片的振型。

3.3 不同測(cè)試方法結(jié)果對(duì)比

由激光測(cè)振和PVDF壓電薄膜測(cè)振技術(shù)測(cè)量的葉輪盤和葉片模態(tài)固有頻率的對(duì)比分別見表3和表4。研究結(jié)果表明, 2種模態(tài)測(cè)試方法測(cè)量葉輪盤固有頻率的誤差在1.22%以內(nèi), 測(cè)量葉片固有頻率的誤差不超過0.73%, 階次越高誤差越小, 測(cè)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(jī)葉輪的特點(diǎn)決定了其結(jié)構(gòu)是葉輪盤、葉片、圍帶及主軸為一體式的整體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu), 所以測(cè)得的固有頻率是葉輪盤和葉片等結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的疊加。

綜合分析比較2種測(cè)振方法, 可以看出二者測(cè)量葉輪葉片固有頻率的頻響函數(shù)譜峰清晰明辨。在模態(tài)振型測(cè)量時(shí), 激光測(cè)振可進(jìn)行高密度測(cè)點(diǎn)布置, 測(cè)量的葉輪振型相對(duì)PVDF壓電薄膜的測(cè)量結(jié)果更加清晰直觀, 更能反映局部振動(dòng)狀態(tài)。且激光測(cè)量光束較細(xì)(約2 mm), 相比傳感器的尺寸更接近于點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)量。但其測(cè)試系統(tǒng)復(fù)雜昂貴, 激光束要與被測(cè)面垂直, 以免無法接收反射光束。PVDF壓電薄膜測(cè)振技術(shù)具有附加質(zhì)量影響小、價(jià)格低廉、測(cè)試系統(tǒng)簡單等顯著優(yōu)點(diǎn), 但其傳感器在粘貼及拆除過程會(huì)容易造成膜片損壞, 可重復(fù)利用率不高。

4 結(jié)束語

將完全無附加質(zhì)量的非接觸式激光測(cè)振技術(shù)和小附加質(zhì)量的PVDF壓電薄膜引入魚雷渦輪機(jī)葉輪模態(tài)測(cè)試中, 有效消除了普通接觸式加速度傳感器測(cè)振所帶來的附加質(zhì)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(cè)量出葉輪前5階模態(tài)參數(shù)。探索了葉片模態(tài)測(cè)試的可行性, 而更好的葉片模態(tài)測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果的精度有待進(jìn)一步研究。

研究表明, 非接觸式激光測(cè)振技術(shù)具有無需接觸或損害被測(cè)試件、可大量布置測(cè)點(diǎn)、振型結(jié)果顯示清晰直觀等顯著優(yōu)點(diǎn), 適用于小體積、輕質(zhì)量、薄壁件的振動(dòng)測(cè)量。采用PVDF壓電薄膜測(cè)量葉輪時(shí)在較高頻率范圍的測(cè)試精度和抗干擾性較好, 但不適用于低頻測(cè)量, 且振型容易產(chǎn)生混淆, 可用于激光測(cè)振無法實(shí)現(xiàn)等工況下的測(cè)量。

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(責(zé)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(yè)國防科技預(yù)研基金項(xiàng)目(14J4.4.1).

劉景云(1991-), 男, 碩士, 主要研究方向?yàn)闇y(cè)試測(cè)量技術(shù).

[引用格式]劉景云, 孫濤, 彭博, 等. 一種魚雷渦輪機(jī)葉輪和葉片模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(1): 94-100.