Links drei Optomet SMART Scan+ um eine Turbinenschaufel im Labor, rechts die damit gemessene, farbcodierte Schwingungsform der Schaufel auf dem CAD-Modell.

应用报告

涡轮叶片与整体叶盘（Blisks）的 3D 振动分析

Tobias Adam, Pre-Sales-Engineer bei Optomet

以非接触方式获取固有频率、振型和动态应变，并直接在 3D 模型上呈现结果。

激光多普勒测振仪由 Optomet 提供，可对涡轮叶片和压气机叶片的振动进行 精确的非接触测量，即使在不同载荷和温度条件下也能实现。借助 SMART 系列，您可以测量一个或三个空间方向上的运动。通过多视角测量，可全面获取涡轮叶片各个表面的振动数据，并将结果直接呈现在 3D 模型上。本报告以涡轮叶片为例介绍测量流程，并说明如何利用这些数据分析振型、与仿真结果进行对比以及开展零部件检测。

探讨测量需求查看 3D 测量流程

为什么要对涡轮零部件的振动进行全场三维测量？

变化的压力场、热载荷和反复激励使涡轮叶片承受负荷。当激励频率接近某一 固有频率时，可能产生剧烈振动。这些振动会引起动态应变，并可能使材料中的应力达到危险水平。因此，在设计过程中，仅考虑静态载荷并不足够；三维振动和载荷循环次数同样是关键因素。

为什么少量传感器测点往往不够

低频整体振型通常只需少量测点即可识别。然而，随着频率升高，振动的空间分布通常会变得更加复杂。局部峰值、节线和耦合运动可能出现在相距较远的传感器测点之间，从而无法被检测到。

使用单个粘贴式传感器进行测量存在局限：它们只能采集选定位置的数据，还可能影响轻质涡轮叶片的振动特性。

高密度测点，捕捉局部振型

扫描式测振仪可测量数百至数千个自由定义的位置。测量网格可根据几何形状、预期的空间波长以及FE模型中的相关区域进行调整，从而清晰呈现较高频段中局限于局部区域的振型。

传统传感器

少量测点可以识别整体模态，但传感器之间的局部峰值、节线和耦合运动往往难以被发现。
传感器、胶粘剂和线缆会改变轻质或薄壁涡轮叶片的振动特性。
需要对部件进行布线和测前准备。
传感器无法固定在炽热表面上，且在大振幅条件下可能脱落。

扫描式激光测振

数百至数千个测点可自由定义，并根据几何形状、预期波长和FE模型进行调整，从而清晰呈现较高频段的局部模态。
没有传感器附加质量，也没有线缆作用力：固有频率和振型不受影响。
几乎所有表面都可直接测量，无需预处理，通常也无需反光膜。
即使是炽热部件和极大振幅，也能进行测量。220 dB的动态范围和0–50 MHz的测量范围，是其他振动测量原理无法达到的。

Vergleich einer globalen Schwingungsform bei 10,1 Kilohertz und einer räumlich komplexeren lokalen Schwingungsform bei 23 Kilohertz an einer Turbinenschaufel. — 10.1 kHz下的整体振型与23 kHz下空间分布明显更复杂的局部振型并列展示。

测量流程：从3D模型到实际测量

为捕捉局部振型，测点直接在 3D几何模型 上定义。CAD模型或有限元模型（FE模型）为此提供统一的坐标系，使测点、测量方向和测量结果能够明确对应。

测量准备从CAD或FE模型开始，而非等到相机成像后才进行。在数字几何模型上，测点按后续与仿真结果对比所需的位置进行定义。

定义测点
在 3D 几何模型上设定测量区域和测点密度。测点可自动生成，并可随后按需调整。这样，即使在曲面上也能形成 间距均匀的 360° 测量网格。FE 模型中的节点可直接用作测点。
将相机图像与 3D 模型匹配
几何标定分两步进行。首先，算法将 3D 几何模型与实际部件的相机图像自动匹配。
对准激光
随后，将 3D 模型中定义的标定点映射到实际部件上。激光会自动对准这些点，同时确定激光与涡轮叶片之间的空间关系。每个扫描测量头的标定仅需几分钟。完整 3D 测量系统的对准约需 3 至 10 分钟。
创建数字模型
此时，涡轮叶片、测量头、视线和测点均位于同一坐标系中。
激励叶片
使用冲击锤、自动模态锤、激振器或声学方式对涡轮叶片进行激励。 参考信号 用于计算频率响应函数 (FRF)。在所示示例中，该信号由模态锤中的力传感器提供。
实时检查数据
测量过程中， SMART Lab 即可显示时域数据、参考信号、测量进度以及已测点的振动动画，便于及时检查信号质量和设置。