摘要：近十多年来，由于计算机技术、FFT分析、高速数据采集系统以及振动传感器、激振器等技术的发展，实验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。本文对模态分析法在汽轮机叶片频率测试中的应用进行分析。
关键词：模态分析法；汽轮机叶片频率测试；分析；
引言：模态分析方法就是以无阻尼系统的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标，使坐标耦合的微分方程组解耦为各个坐标独立的微分方程组，从而求出系统的各阶模态参数。本文以内蒙古杭锦发电有限公司2号汽轮机低压叶片为研究对象，用力锤单点激励，移动传感器的试验方法，采用多参考点最小二乘复频域法（POLYLSCF）进行模态参数识别，对实测的频响函数数据进行处理分析，得到叶轮的固有频率、阻尼比和振型等模态参数，了解结构的固有动态特性，为叶轮的振动分析、以及以后对叶轮检修提供依据。
1模态分析目的
模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。首先，将结构在静止状态下进行人为激励，通过测量激振力与响应并通过FFT分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数或频响函数）。用模态分析理论通过对实验频响函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数，从而建立起结构的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构的实际振动的响应历程或响应谱。
2.模态分析测试具体内容
2.1 建立模型
通过在模态软件快速建模中选择圆，设置好圆周角，外径，内径，周角等分数，径向等分数设置好，并按实际测试要求编辑好测点号。测点布置模型如图1、图2所示。
图1 励端末级、汽端末级测点布置图 图2 励端次末级、汽端次末级测点布置图
2.2 划分测点
测点的数目取决于所选频率范围、期望的模态数、试件上我们所关心的区域、可用的传感器数以及时间。高频模态的振型驻波波长比较短，所以要恰当描述这些模态就需要比较多的响应点。在试件上我们可能有一些特别感兴趣的区域需要仔细研究，因而在这些区域应多布一些响应点。时间和现有的传感器数目在实际上也限制了响应点的数目。
除了在感兴趣区域多布测点这个原则之外，使测点在试件上某种程度地均匀分布也是比较好的做法。这样可以减少漏掉模态的机会，通常能够得到像样的结构线框动画。
假如测点数目不足，或侧点位置选择不当（例如缺少一个方向的测量），就有可能使可观性条件遭到破坏，即没有测到结构上重要部分或重要方向的运动。
根据上述原则，我们根据试验目的的要求，测量尽可能多的响应点，总计24个测点。
2.3 边界条件的确定
根据试验的目的，可以将试验的边界条件分为几类：
（1）在很多情况下，要求模态实验的边界条件是自由-自由条件，这意味着试件与环境之间不存在连接。一般采用某种适当的方式（如空气弹簧和气、磁悬挂装置）支承试验对象，近似模拟自由状态。保证刚体共振频率远低于第一阶弹性体共振频率（例如小于10%），就能近似认为是自由边界条件；
（2）约束支承方式：将试验对象安装在刚性基础上。理想的情况是基础绝对刚性、也就是当激励试验对象时，基础绝对不动，即激励力对基础的位移频响函数值为零。实际上这是不可能实现的。一般认为，如果在整个试验频带内，基础上的频响函数值远小于试验对象结构上的频响函数值，可以近似认为满足了约束支承的要求。
本试验中，叶轮直接接放置在刚性安装座上进行模态试验。
2.4 传感器的安装
每个传感器配置一个磁力座，安装的时候传感器通过磁力座吸在试件上，并调整在叶片上的位置。本实验选用在叶片接近顶端围带以及叶片中部各布置一个测点，每个叶片共计2个测点，每测一批数据，都做相应的记录。
2.5 激励方式及位置的确定
本试验采用力锤单点激励，移动传感器的方法。锤击法所要求的装置、试件固定及仪器设备较为简单，不需要与试件有任何的连接，所以，不会出现附加质量和弯矩误差，因而不会影响试件的动态特性。
激励点选择的基本原则是：尽量避免节点，同时使各测点的响应值最大。所以，在现场通过试采样，比较不同点激励参数的信号，确定激励点的位置。
力锤敲击要有规律，每次敲击的量级要得当，不要连击。本实验选择3号测点作为激励点。
2.6 数据采集
本实验对励端末级，励端次末级，汽端末级，汽端次末级叶轮进行实验。整个试验共采集22批数据，每批采集3个测点的数据，采样频率为1.28kHz，分析选择“频响分析”，参考点为力锤激励点所在3号测点。数据采集前，输入每通道传感器对应的灵敏度，选择合适的量程，如果是第一次采样，对于所采信号大小不确定，可先预采样，根据所采信号的大小来确定量程范围；设置连接力锤的数采通道为参考通道；根据每批测点及参考点的信息设置对应通道“几何参数”中的“测点号”和“方向”，设置无误后开始采样。每采集完一批数据需进行备份操作，以免误操作将数据覆盖；在更改“测点号”和“方向”前首先要“新建项目”（项目名称推荐用采样的批次进行命名）。
采集过程中时刻观察每个通道的时域信号，以免信号过载，尤其是达到共振点时，振动明显变大，最易发生过载；若采集过程中有信号过载的现象发生，应停止采样，更改量程后重新采集。
2.7 参数识别
此次模态试验参数识别的原理是POLYLSCF方法，PolyMax模态识别方法也称作多参考点最小二乘复频域法（Polyreference least squares complex frequency domain method），是最小二乘复频域法（LSCF）的多输入形式，是一种对极点和模态参预因子进行整体估计的多自由度法，一般首先通过实验建立稳态图，以判定真实的模态频率、阻尼和参预因子；建立可以线性化的直交矩阵分式模型，然后基于正则方程缩减最小二乘问题，得到压缩正则方程，于是模态参数可以通过求解最小二乘问题得到。该方法集合了多参考点法和LSCF方法的优点，可以得出非常清晰的稳态图，并且密集空间可以被分离出来，尤其在模态较密集的系统（动力总成系统），或者FRF数据受到严重噪声污染的情况下仍可以建立清晰的稳态图，识别出高度密集的模态，对每一个模态的频率、阻尼和振型都有很好的识别精度，是国际最新发展并流行的基于传递函数的模态分析方法。
3.模态试验结果分析
通过本次模态试验，可以得到以下结论：
（1）励端末级和汽端末级外围围带和叶片中间连接件处有间隙，导致整个结构存在非线性特性（间隙），力无法正常传递，对试验造成一定影响。
（2）由于存在非线性，所以用力锤进行激励时，力幅不一样的话，结构的响应特性会变得不一样，锤击时需要保持力幅的基本一致；
（3）非线性特性的存在，造成每次测量的频率值存在一定的偏差，稳定图的效果产生一定的影响；
（4）由测试计算得到的阻尼比和频率可以看出，汽端末级和励端末级，汽端次末级和励端次末级有差异，由此可见汽端和励端结构不同；
参考文献：
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[3]杨长柱，何斌，卢中俊.超超临1000MW汽轮机动叶片静频试验研究[J].东方汽轮机，2010（03）：20-23.
论文作者:孙伟国
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：模态论文; 叶片论文; 频率论文; 汽轮机论文; 结构论文; 传感器论文; 函数论文; 《电力设备》2019年第16期论文;