带冠涡轮叶片复杂碰撞振动及多点碰摩机理研究

The vibro-impact occurs between the shrouds when the turbine blades work with a complicated type of the shroud (e.g. triangle shroud, Z type of shroud,concave-convex shroud and circular arc shroud). The contact states are so complex that it is hard to build the accurate model for the impact vibration. The multi-point rub-impact method is employed to investigate the complicated vibro-impact and multi-point rub-impact mechanism. The theoretical research and experiments will be carried out to study the effect of the parameters on the vibration and nonlinear characteristics under the harmonic or multiple harmonic excitations; the switch mechanism is elaborated from one state to another state of the vibro-impact; dynamic characteristic of the system is presented under multiple nonlinear factors. The work is meaningful to choose the optimal parameter of the system and helpful to control the nonlinear vibration and to diagnose the faults of the system. The analytical method used here can be extended to study the rub-impact of rotors and other similar problems.

带冠涡轮叶片工作中叶冠间常发生碰摩作用，对于较为复杂的冠形（如三角形，凹凸性，Z字形，圆弧形等），碰摩接触面间的状态亦较为复杂。本课题拟采用多点碰摩接触的方法，进行复杂叶冠碰撞振动及多点碰摩机理的研究。通过理论推导及建模、数值模拟和试验，研究简谐激励及多谐激励下系统参数对振动特性和非线性特性的影响；阐明碰撞振动各细分状态之间的转换机制，揭示系统在碰摩等多重非线性因素下的动力学规律，为系统参数优化及非线性振动控制奠定基础，对系统故障诊断与识别也有一定的意义。该研究方法亦可推广而用于研究转子碰摩等类似问题中。

研究背景：汽轮机带冠涡轮叶片间的连接方式较为较为复杂，工作状态时为碰撞或者摩擦，或者碰摩兼有，因此研究难度比较大。研究者虽然提出了多种处理方式，但都存在不同程度的局限性，与工程实际存在一定的差距。在带冠叶片系统模态分析中，理论计算的结果与实验结果相差较大。怎样建立合理而可靠的分析模型，从而更准确地模拟叶冠之间的连接，得到准确的分析结果，是当前带冠叶片动力特性研究中的一个难题。.研究内容及科学意义：（1）建立高速旋转的梁-质量-弹簧系统叶片碰摩模型，基于此模型进行简谐激励下复杂叶片接触系统的动力学特性研究。通过数值方法计算系统在简谐激励下的动力学特性，研究系统参数对响应的影响规律。（2）多谐激励下复杂叶片接触系统的动力学特性研究。在简谐激励研究的基础上，进一步综合考虑叶片受到的离心力和气流激振力作用，研究系统参数对响应的影响规律。该研究更为贴近工程实际，对叶片参数设计更具指导意义。（3）系统相关非线性特性研究。带冠叶片系统中的碰摩复合作用具有强非线性。当带冠叶片系统受到碰摩复合作用，系统可能会呈现出分叉、跳跃和混沌等非线性特性，这些现象使得系统的响应混乱而无规律，严重时会影响叶片的正常工作。因此，对带冠叶片系统非线性的研究具有一定的工程实际意义。.重要结果关键数据等：建立了带冠叶片的单边碰撞和双边碰撞的悬臂梁-集中质量-弹簧模型，该模型相比于之前的质量-弹簧模型可以更为准确、可靠地描述实际叶片；基于该模型，可得到研究更为普遍碰摩现象的方法；可得到考虑叶片碰摩及气流激振力作用下，参数对系统响应的影响规律；通过对考虑多重非线性因素的叶片进行研究，提供了一种研究复杂非线性模型的方法。该研究方法亦可推广而用于研究转子碰摩、轴承、离心泵等旋转机械的相关问题中。关键数据请详见论文。在该基金资助下发表了多篇重要学术论文。