叶轮模态测试

1、项目背景与需求

        在工程实践领域，叶轮作为旋转机械的重要组成部分，在高速运转时承受着巨大的机械应力，其中叶片折断是常见的风险之一，而这种故障往往由共振效应引发。共振发生时，叶轮的运行频率与固有频率重合，导致结构振动加剧，最终可能引起机械失效。为了确保叶轮的安全性和稳定性，东方所启动了一项模态测试项目，旨在全面掌握叶轮整盘的模态特性，包括固有频率、阻尼比和振型等关键参数，以精准判断叶片折断是否由共振效应造成，并采取有效措施进行预防，从而提升叶轮的可靠性和延长其使用寿命。叶轮模态测试结果的目的是为了校核叶轮有限元模型的准确性。

2、难点分析

        叶轮模态测试过程中遇到的挑战主要包括：

（1）模型建模困难：叶轮叶片形状不规则，存在角度偏转，导致准确的数学模型构建复杂。

（2）测点布置受限：叶轮独特的几何形状限制了测点的布置，某些关键位置因物理空间限制而无法设置传感器，而根据经验，测点需置于叶轮底盘加筋处，否则可能只捕捉到局部模态。

（3）小叶轮测试难度大：小叶轮直径仅有10cm，质量轻至225g，接触式传感器的附加质量会显著影响其自然模态频率和振型，从而影响测试结果的准确性。

图2-1 小叶轮实物图

图2-2 大叶轮实物图

3、东方所解决方案

        为应对上述挑战，东方所采取了以下先进技术与设备：

（1）INV3062X智系列数据采集仪：具备24位高精度A/D转换能力，采样率范围广泛（0.5Hz~256kHz），有效解决了数据采集的质量问题，确保了信号采集的准确性和完整性。

（2）DASP MAS模态与动力学软件：集成多种国际领先算法，如polyIIR和提纯算法，通过多算法策略优化模态参数识别，极大提高了模态分析的准确性和可靠性。

（3）高保真声压传感器：针对小叶轮的测试，采用声模态测试技术，避免了传感器安装对试件自然振动状态的干扰。传感器灵敏度稳定，无需校准即可使用，简化了测试流程。

图3-1 大叶轮整盘模态测试系统

图3-2 小叶轮整盘模态测试系统

4、试验结果

        东方所的技术方案成功克服了测试中的各种难点，获取了大叶轮和小叶轮整盘的关键模态振型，测试结果如图4-2和图4-4所示。

图4-1 大叶轮整盘模态测点布置示意图

图4-2 大叶轮整盘模态振型

图4-3  小叶轮整盘模态测点布置示意图

图4-4  小叶轮整盘模态振型

        通过对叶轮叶片的局部模态和整盘模态的详细分析，验证了测试方法的有效性。试验结果不仅为叶轮的设计优化提供了重要参考，还有助于预防由共振引起的叶片折断，确保叶轮在实际工况下的安全稳定运行，为后续的工程应用和设计改进提供了宝贵的数据支持。