[发明专利]一种三维振动模态可调的叶片激振器及其设计方法

说明书

本发明公开了一种三维振动模态可调的叶片激振器及其设计方法，属于叶轮机械气动弹性实验技术领域，其关键在于采用了可多向调节振动的振动盘，通过改变主动偏心轮的偏心位置及相位夹角，实现所连叶片的轴向、周向及扭转振动及多模态耦合振动。该发明可直接用于叶轮机械叶片气动弹性试验，通过合理的选择偏心距和相位夹角，改变振动的振幅和振动模态，使叶片进行轴向弯曲、周向弯曲、扭转及耦合模态从而还原低阶振动时的叶片的振动状态。

技术领域

本发明涉及一种激振器，尤其涉及一种三维振动模态可调的叶片气动弹性实验激振器，动力偏心轮的转动通过振动盘和传动柱的转换实现叶片的轴向弯曲、周向弯曲及扭转振动，通过机械接触式激励，还原叶片在低阶模态下的振动状态，特别适用于航空燃气涡轮发动机气动弹性实验领域。

背景技术

气动弹性问题是叶片及其绕流之间的非定常气动力、弹性力和惯性力之间的动态耦合，通常导致叶片的高频振动，后果是叶片的高周疲劳。气弹问题引起的高周疲劳是影响发动机安全、可运行性和准备状态的一个重要因素。为提高发动机效率，缩小发动机尺寸，高负荷的定制叶型已被广泛采用。小尺寸和高负荷意味着流固气弹之间的相互耦合作用加强。突出的气弹问题，意味着在压缩系统设计过程中很有必要尽可能早的对气弹性能进行评估。

有关叶轮机械气动弹性实验的实验数据尤其是可靠地实验数据一直是制约气弹预测理论准确性和可行性的瓶颈问题。当今的计算资源已经可以支持复杂的气动弹性数值预测方法，但是可供校核代码的实验数据极度稀少。进行气动弹性实验的系统较复杂，实验耗费较大，有限的实验数据已经成为学术界研究叶轮机械气动弹性问题的典型验算算例。气动弹性实验的复杂性最终导致：一方面缺少详细的实验数据，另一方面所发展的气弹预测方法缺少实验数据的校核，如此形成恶性循环。当前叶轮机械气动弹性问题数值模拟方法的发展极度缺乏实验数据的校核，使方法的准确度和适用范围受到严重质疑。

可控式叶轮机械气动弹性实验激振方式分为机械激振、电磁激励、压电激励、射流激励等，其中机械激励具有结构简单、工作稳定、可靠性强的优点。但由于机械激励往往导致振动模式单一，振动频率较低，因此有其局限性。

发明内容

为发挥机械激励的优点并弥补其激励模式单一的不足，本发明提出了一种采用双动力偏心轮驱动的振动模态可调叶片激振器。可通过双动力偏心轮相位夹角的调整，实现叶片的周向弯曲、轴向弯曲和扭转振动，适用于气动弹性实验的叶片激振。

本发明为达到上述目的采取的技术方案是：

一种三维振动模态可调的叶片激振器，包括激振器主体、传动柱和叶片，所述叶片设置在叶轮机匣中，所述叶片的叶根穿过轮毂与设置在其下方的所述传动柱的顶端固定连接，所述传动柱的末端与所述激振器主体连接，所述叶片的叶根与轮毂之间或所述传动柱与轮毂之间使用球铰轴承连接，其特征在于，

所述激振器主体包括盘状外壳、振动盘、动力偏心轮、导轨销、球铰基座，其中，

所述盘状外壳的顶部设有一条形凹腔，所述条形凹腔的中心与所述盘状外壳的中心重叠，所述条形凹腔的两相对的短边呈曲面状，所述条形凹腔的每一所述短边的中部设有一所述导轨销，每一所述导轨销的内侧面B为向外凸出的圆弧形工作面；

所述振动盘整体呈梭形并设置在所述条形凹腔中，其长度方向的两弧形端面A均为圆弧形工作面，所述弧形端面A与所述导轨销的内侧面B构成相互配合的工作外切面；

所述振动盘上沿其长度方向设有两对称的条形凹槽，每一所述条形凹槽中均设有一所述动力偏心轮，所述动力偏心轮可在所述条形凹槽中滑动，所述动力偏心轮由设置在所述盘状外壳底部的动力输入轴进行驱动；

所述振动盘的中心设置所述球铰基座，所述传动柱的末端设置在所述球铰基座上。