CN100346089C - 液体式转子在线自动平衡头 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种转子在线自动平衡头。在本发明中，有一个旋转圆盘固定在轴上，圆盘上有二个以上的储液室，各个储液室分别有进液和排液孔。在调节时，利用离心力场中进液和排液的动态平衡，对排液采用不加控制的自流式排放，只通过调节外部向各储液室进液的流量，使进液和排液的平衡改变，从而使各个储液室液位变化。本发明通过持续排液避免了调节过程中储液室变满、失去进一步调节的能力的情况，保持了可以长持续反复调节不平衡量的能力；同时旋转圆盘上结构简单，不需要向圆盘送控制信号和供给能量驱动动作元件，保证了平衡头的高可靠性。

Description

液体式转子在线自动平衡头

技术领域

本发明涉及一种用于转子在线自动平衡的平衡头，特别是一种液体式在线自动平衡头。

背景技术

对于理想的转子，它的质量分布应该是对旋转轴线轴对称的，但是总会存在一些不平衡量，对于制造和维修工程中的不平衡量可以通过在制造车间做静平衡、动平衡或做现场动平衡，采用在配重面上某一位置加重或减重的方法，使转子的不平衡量减到可以接受的程度，这些均属离线动平衡。但是，在实际运行工况下会有一些因素导致新的不平衡量产生，而这些不平衡量也往往不是恒定的。例如，透平机械转子叶片的受冲蚀、结垢的影响导致的不平衡；在汽轮机冷车开车中，汽轮机转子受热膨胀总会有些不均匀，导致的不平衡量等等。这些不平衡量的共同特征是它们是在机器运行过程中产生的，具有一定随机性的，随时间变化而变化的。传统的离线式的动平衡方式对于这样的不平衡量引起的振动是无能为力的。运行中产生的过大不平衡量会导致机器振动加剧，使轴承、密封等部位磨损加剧，振动严重时甚至会毁坏机器或是迫使机器连锁停车，严重影响生产。因此这种不平衡通常用在线自动平衡技术解决，在线自动平衡技术一类是利用自动定心原理的自补偿自动平衡器，例如滚球式平衡器以及采用可滑动的环或液体起类似作用的装置。另一类是通过输入信息和能量流使某配重面上的质量分布发生变化，来主动抵消原有的不平衡量的技术。也就是在旋转机械的一个或多个配重面上加装自动控制的平衡头，该平衡头可以在不停机的情况下在它所在的配重面处产生一个大小和方向可调的不平衡量。在运行中，通过在线测试，辩识转子残余不平衡量，然后通过平衡算法算出各个配重面的平衡配重，发出信号驱动平衡头动作到相应的位置，使转子达到运行中的自动动平衡。根据平衡头产生质量不平衡量的方式的不同，可以把它们分为固体式和液体式。

固体式平衡头是通过驱动平衡头上固体质量块或质量环移动来产生质量不平衡量的。这类平衡头在应用中最突出的问题是在机械长期运行中的机械可靠性不够而造成整个系统的性能瓶颈。

液体式平衡头是通过控制平衡头上液体质量的增减或空间分布来产生质量不平衡量的。例如：Kerlin在1984年申请的美国专利4432253中采用了一个有三个以上的储液室平衡头，通过在某一储液室加热，使液体汽化，在较冷的储液室冷凝，可以使液体从较热的储液室流到较冷的储液室，从而调整各个储液室里的液体量分配，由此改变平衡头的不平衡量的大小和方向。然而用加热汽化和冷凝调节不平衡量的方式调节的速度、精度都不太理想。

注液式平衡头是采用不停机在线向平衡头上的储液室里注入液体来调节配重，通常有3个以上的储液室。例如，1976年Birkenstack申请的美国专利3950897通过将各个室的注液入口分布在不同半径的位置上，从而简化了向各个室分别注液的控制。但是，注液式平衡头缺乏长期持续的调节能力，一旦储液室充满液体，这个储液室就失去了进一步注液调节的能力。

2001年浙江大学贺世正等人报道了一种转子自动平衡用注液-释液式平衡头的设计(《释放液体式自动平衡头的研究》，浙江大学学报2001年第35卷第4期第418～422页)，使各储液室在满了以后可以通过一个电磁阀释放掉其中的液体，这就克服了前面注液式平衡头的缺点，然而由于释液控制阀是安装在高速旋转的盘上的可控活动机械部件，需要较复杂的机械驱动装置并需要向它提供控制信号和驱动所需的能量，增加了制造难度，降低了可靠性。。

发明内容

本发明克服现有注液-释液式平衡头的缺点，采用不受控的持续排液结构，使高速旋转部分的结构简单化，保证了平衡头的高可靠性，利用离心力场中进液和排液的动态平衡，通过调整注液流量达到改变平衡头质量不平衡量的目的，从而提供一种结构简单、制造加工容易、可靠性高、可长时间持续调节的液体式在线自动平衡头。

本发明的主要技术方案：在转子轴上安装一个旋转圆盘，圆盘上有多个中心对称的储液室，储液室半径较小内环处的盘面上开有进液孔，各储液室的进液孔处于圆盘不同半径的位置上，对应每个进液口位置开有与外部供液管和供液控制阀连通的环形槽，可以通过这些槽分别地向各个储液室注液；在圆盘上储液室半径较大的外环处的盘面上开有排液孔，在圆盘上内环位置各个储液室盘面都开有平衡孔，用来使储液室的压力和环境压力平衡；

圆盘上开有进液孔的盘面通过端面动密封由压盖压紧，压盖上对应每个储液室进液口位置开有环形槽，通过这些槽分别地向各个储液室注液，压盖上的各个环形槽通过一个孔道跟外部供液管和供液控制阀连通。

上述的圆盘上储液室的优选方案是：有为3个或4个储液室，使得各储液室位置为中心对称。

上述的储液室排液孔的优选方案是：在外环处开设两个沿轴向相反方向排液的排液孔，可分别沿轴向两个相反的方向排液，使排液时的反作用力相互抵消。

本发明的原理如下：旋转的圆盘上设置多个储液室，每个储液室由外环处的底边排液孔不受控排液，内环处顶边进液孔控制进液。储液室内空气压力与环境压力平衡。设排液出口处半径为R，若一个储液室液面高度为h。当圆盘以角速度ω旋转时，在半径为r处会产生一个大小为rω²的离心加速度，对应地储液室内液体产生的向外的静压P¹为：P¹＝ρh(R+h/2)ω²；其中ρ为液体密度，(R+h/2)ω²为液体所受的平均离心加速度，设排放口外压力为P⁰，则该储液室排放液体流量F₂为：F₂＝C_o(P¹-P⁰)^1/2；其中C_o为排液微孔的孔流系数，在排液微孔不变，液体密度、粘度等不变的情况下，在一定的流量范围内可以认为C_o是常数，则有：F₂＝C_o[ρh(R+h/2)ω²-P⁰]^1/2，可以看出，在外部压力P⁰和圆盘转速保持恒定的情况下，储液室排放液体流量F₂是由储液室液面高度h决定的。液面高则排液流量高，反之亦然。如果通过进液口向储液室注液的流量为F₁，在F₁＞F₂时，储液室液面高度h将上升，反之则下降，直到在一新的液面高度h’下F₂’＝F₁，达到新的平衡。所以，通过控制各个储液室的注液流量，就可以分别控制各个储液室的储液量，从而在平衡头上产生所需要的质量不平衡量。而各个储液室产生的不平衡量矢量的加和可以产生平衡盘平面上任意方向的不平衡量。

本发明的效果：通过采用不加控制的持续排液结构和控制各个储液室的注液流量，不但使平衡头旋转部分上没有任何控制执行机构，而且可以通过持续排液避免因储液室充满而失去进一步调节的能力的情况，保持了长时间持续反复调节不平衡量的能力，结构简单、制造加工容易、可靠性高。

附图说明

图1是本发明平衡头的结构示意图

图2是图1的A-A剖视图

图3是图2的B-B剖视图

图4是本发明平衡头排液孔出口处设有排液节流装置示意图

图5是图4排液节流装置局部放大结构图

图6是采用封闭式设计的平衡头结构示意图

图7是可以实现不平衡量的锁定的结构示意图

图8是图7的A-A剖视图

具体实施方式：

如图1、图2、图3所示：在转子轴1上安装一个旋转圆盘2，圆盘2上有多个中心对称的储液室3，储液室底边(半径较大处)开有沿轴向相反方向的排液孔4，分别沿轴向两个相反的方向排液，使排液时的反作用力相互抵消，进液孔5开在圆盘2的内环处，即半径较小的位置，各个储液室的进液孔开在不同半径的位置上。在各个储液室内环位置都开有一个平衡孔6，用来使储液室的压力和环境压力平衡。圆盘对应进液口的一端盘面通过端面动密封8由压盖7压紧，盘上或压盖上对应每个进液口位置开有环形槽9，盘旋转时压盖7静止，由于各储液室的进液口安放在半径不同的位置，可以通过这些槽分别地向各个储液室注液，压盖和盘接触处构成多个环形的动密封面。各个环形槽通过一个孔道10跟外部供液管11和供液控制阀12连通。为了实现可靠密封，压盖7由压紧弹簧13压紧。本发明的进液也可采用圆盘上开槽，压盖端面为平的，面上开孔的方式，或是圆盘和压盖两边都是槽。另外，也可以采用几个喷嘴以不接触的方式向圆盘上的不同的槽喷水。

本发明要产生一平面内任意方向的不平衡质量，储液室的个数必须是2个以上。理论上说，只要有两个互相成90度角位置上的储液室就可以产生任意方向的不平衡量了，通过对盘配重，可以使得在储液室液面大致为一半的时候平衡头的总不平衡量为零。不过优选3个或4个储液室的方案可以使得各储液室位置为中心对称，而一旦供液中断，平衡头的总不平衡会趋于0，是相对比较安全的位置。3个或4个储液室的方案各有其优点：3个储液室的方案注液管和密封环道各少一个，只需要3个注液控制阀。在4个储液室的方案里，可以把相对180度位置安装的储液室组成一个组来调节，这样就可以把4个储液室分为两个组，分别独立地控制在两个正交方向上的质量不平衡，而同一组内的两个储液室可以协调地调节，不会出现两端同时增重或减重的情况。例如，可以采用分程控制来协调地控制每一组的两个阀，或是用一个三通阀来代替这两个阀，控制每一组里两个储液室的两股注液流量。由于流量较小，所需的控制阀在工业中通常属于被归为小流量调节阀或超小流量调节阀的范畴。由于工作液体大都比较清洁，不会堵塞阀门，所以一般直接购买市售的小流量调节阀或超小流量调节阀即可。在排液时，依据动量平衡的原理，会对平衡头产生反作用力。这种反作用力可能对转子有激振的作用。为了消除这一反作用力，将各储液室的排液孔口设计为分叉的，分成方向不同的多股排出，使排液的反作用力能互相抵消。优选在各储液室的两侧盘面上设置两个排液孔，使排液沿轴向两个相反的方向排出。

为了调整平衡头排液口在不同速度下的排液特性，在本发明中还设计了一种排液流量特性补偿装置。由前面的原理可知，流体孔道不变的情况下，瞬态排液流量主要受储液室液位和当前转速的影响。为了在转速变化时不影响或少影响当前建立的注液/排液平衡，可以采用转速升高时减小流道截面的设计，例如弹簧和柱塞或钢球等的组合。当转速升高时，柱塞或钢球所受的离心力增大，使柱塞或钢球克服弹簧的力量向外移动减小排液流道截面。这种装置只是排液特性补偿装置，是一种机械应变装置，并不是排液流量控制阀，所以结构比排液流量控制阀要简单得多。可以在变速运行的旋转机械中根据需要选用。通过适当的设计，这种装置还可以在停机状态时关闭排液通道。

本发明的一种设计是开放式的设计，排液直接排到环境中，这比较适合以水为工作液体，同时设备也允许现场有一定的排液的情况。水是一种非常好的工作液体，然而在某些场合，例如，在低于摄氏0度的低温或高于摄氏100度的高温条件，需要选用其它的工作液体。如果环境不允许直接排放工作液体，或是工作液体有毒、易燃、昂贵、不易清理，需要采用封闭式设计来收集排液。因此，

本发明中还提出了一种更加紧凑的封闭式设计，利用排液压力来给进液供压，实现了工作流体自循环。

本发明中还提出了一种特殊的不平衡质量锁定装置，可以采用无接触电磁控制方式截断注液和排液，实现平衡头当前不平衡质量的锁定。

下面结合实施例来进一步说明本发明。

实施例1：如图1、图2、图3所示：在转子轴1上安装一个旋转圆盘2，圆盘2上有三个中心对称的储液室3，储液室底边(半径较大处)开有排液孔4，为了消除排液时的反作用力，各储液室的排液孔最好为两个，分别沿轴向两个相反的方向排液，使排液时的反作用力相互抵消。进液孔5开在圆盘2的内环，即半径较小的位置。各个储液室的进液孔开在不同半径的位置上。在圆盘2的内环位置各个储液室都开有一个平衡孔6，用来使储液室的压力和环境压力平衡。圆盘对应进液口的一端盘面由压盖7压紧，由于各储液室的进液口安放在半径不同的位置，压盖上对应每个进液口位置开环形的槽9，通过压盖7上的这些槽分别地向各个储液室注液，盘旋转时是压盖7静止的，盘和压盖之间有几道端面动密封8。压盖上的各个环形槽通过一个孔道10跟外部供液管11和供液控制阀12连通。为了实现可靠密封，压盖7由压紧弹簧13压紧。

实施例2：与实施例1类似，所不同的是出口处流体通道安装一个排液节流装置，见图4、图5。它包括一个活动固体块14，一个弹簧15，一段有一定锥度的流体孔道16，孔道入口17的尺寸小于固体块14。通过调整弹簧15的预紧力，在圆盘不旋转时，可以使得固体块顶在孔道入口17上，堵塞流体通道。达到一定转速后，离心力使固体块14克服弹簧压紧力向外移动，打开流体通道。在实施例1中，如果圆盘转速增大，排液流量会增大，这样会打破已建立的排液和进液的平衡。在实施例2中，由于流体通道16有一定的锥度，越向外越收缩，所以当圆盘转速增大时，固体块向外移动，使固体块14和流体通道16之间的间隙缩小，流道的变小使流体排液的阻力增大。这样，可以抵消转速增加使排液流量增大的趋势。该实施例2中排液节流装置可以补偿转速对排液流量的影响。同时也可以在圆盘不旋转时堵塞流体通道。这个设计稍增加了机械设计和制造的复杂性，但由于这个排液节流装置只是一个不受控的机械应变装置，不需要额外的控制和能量供给来驱动它，在频繁变转速的场合具有一定的实用价值。

实施例3：如图6所示的封闭式设计，与实施例1类似，所不同的是各储液室的排液口与一个相对封闭的静止的壳体18连接，壳体上有收集或循环液体的回液管道19，壳体和旋转圆盘之间形成排液密封面20。各储液室的排液不是直接排到环境中，而是排到封闭、静止的壳体18中，壳体中的液体通过回液管道19被收集或循环。这种设计适合于不允许直接排放的场合。这可能是由于环境不允许排放，或是工作液体的有毒、易燃、昂贵、不易清理等原因。水作为工作液体具有很多优点，然而在某些特殊的场合，例如低于摄氏0度的低温或高于摄氏100度的高温条件，需要选用其它的工作液体。该种设计增加了动密封面20，但是该密封面工作条件并不严苛。首先，在保证排液后路通畅的情况下，压力可以通过回液管道19被泄掉，这样，密封面承受的压力差并不高。其次，由于该密封是一个内环面的密封，在离心力作用下密封缝隙里的液体会径向甩出，起到阻止泄漏的作用。所以该密封面可以采用非接触式的间隙密封。非接触式的设计使得密封可承受的线速度大大增加。也可选用其它形式的密封，如非接触式的螺旋端面密封。这种设计需要有至少为微正压的工作液体供应。

实施例4：自循环式设计，与实施例2类似，所不同的是，回液管道19直接联接到各供液控制阀12和供液管11，通过排液压力来实现自持的供液。实施例3的设计需要有至少为微正压的工作液体供应。而在本实例4中直接利用排液的压力来给各室供液，构成一个封闭的回路。在排液压力较高的时候，可能会出现通过排液孔向空的室倒灌的情况。在排液压力不高的时候，跟离心力相比，倒灌的影响可忽略不计(可以通过计算倒灌压力在离心力场下可产生的液位高度来估计)。本实施例中需要防止排液憋压，这个只需要保持注液的各阀门不要同时关闭即可。通过对阀门开度的协调控制，这个现象是可以避免的。另一个方案是对控制阀安装一个最小开度限位装置，使各进液控制阀至少有一定的开度，这样就可以保证进液流量，从而使每个室都能有一定的液位。实施例3和4可以通过自然散热或强制冷却解决循环工作流体的散热问题。同时，在实施4中，以排液压力为指示，可以确定是否需要在液体回路里补充工作液体。

实施例5：如图7、图8所示：是一种可以实现不平衡量的锁定的设计。所谓不平衡量的锁定是指使平衡头不平衡质量的大小的相位保持不变。在已调节好动平衡，短期内不需要再做调节的情况下，或是事故状态下，需要不平衡量的锁定。与前面的实施例1，3，4类似，所不同的是，圆盘2为非磁性材料，圆盘储液室内采用磁流变液作为工作液体，磁流变液是一种随磁场变化改变粘度的流体，在外加磁场的情况下其粘度会增大甚至达到失去流动性的程度。国外LORD公司有多种商业磁流变液销售。圆盘两侧嵌入导磁材料条21，可以将外加磁场导通到需要增加磁场强度的地方。导磁材料条在半径较小处为环形，然后向各储液室3延伸出一个条形。两面的导磁材料条21被非磁性材料和储液室隔开不直接接触，在各储液室的进液孔5和排液孔4处两面的导磁材料条间隙22最小(见图8)。外加电磁铁23固定在机座上，与导磁材料条21的环形部分接近，但不直接接触。电磁铁的磁场通过导磁材料被集中在储液室的进液孔5和排液孔4处。在电磁铁加足够强的磁场的条件下，进液孔和排液孔处的磁流变液失去流动性，从而使各储液室封闭，实现了不平衡量的锁定。外加磁场采用电磁铁，优选带有永磁偏置的电磁铁，这样在电磁铁故障失电的情况下永磁偏置的电磁铁磁场强度不为0，可以堵塞各进液孔和排液孔，使平衡头当前不平衡量锁定。这样的不平衡量的锁定装置具有本质安全性。在需要调节的时候，可以给电磁铁线圈加电，使线圈产生的磁场抵消掉永磁磁场，使各进液孔5和排液孔4打开。除了磁流变液外，也可以采用类似的原理使用其它类型的电磁控制变粘度液体，如电流变液等实现平衡头不平衡量的锁定。

Claims (9)

1、一种液体式转子在线自动平衡头，在转子轴上安装有旋转圆盘，圆盘上有多个中心对称的储液室，各储液室的进液孔处于圆盘不同半径的位置上，对应每个进液孔位置开有环形槽，并与外部由控制阀控制的供液管连通，控制进液，其特征在于，所述进液孔位于储液室半径较小内环处，在圆盘上储液室半径较大外环处开有非受控的排液孔，各个储液室内环处的盘面上都开有平衡孔。

2、根据权利要求1所述的自动平衡头，其特征在于：圆盘上开有进液孔的盘面通过端面动密封由压盖压紧，压盖上对应每个储液室进液孔位置开有环形槽，通过这些槽分别地向各个储液室注液，压盖上的各个环形槽通过一个孔道跟外部供液管和供液控制阀连通。

3、根据权利要求1所述的自动平衡头，其特征在于：圆盘上均布3个或4个所述的储液室。

4、根据权利要求1所述的自动平衡头，其特征在于：在各储液室外环处两侧盘面上设置两个所述排液孔，排液沿轴向方向相反。

5、根据权利要求1所述的自动平衡头，其特征在于：排液孔出口处流体通道内安装一个排液节流装置，它包括一个活动固体块，一个弹簧，流体通道带有锥度，通道入口的尺寸小于固体块，固体块由弹簧调整顶住，使得在圆盘不旋转时，固体块顶在通道入口上，堵塞流体通道，达到一定转速后，固体块克服弹簧压紧力向外移动，打开流体通道。

6、根据权利要求1所述的自动平衡头，其特征是：各储液室的排液孔与一个相对封闭的静止的壳体连接，壳体上有收集或循环液体的回液管道，壳体和旋转圆盘之间形成排液密封面。

7、根据权利要求6所述的自动平衡头，其特征是：回液管道直接联接到各供液控制阀和供液管，通过排液压力来实现自持的供液。

8、根据权利要求1所述的自动平衡头，其特征是：圆盘为非磁性材料，圆盘储液室内采用磁流变液作为工作液体，圆盘两侧嵌入导磁材料条，导磁材料条在半径较小处为环形，然后向各储液室延伸出一个条形，两面的导磁材料条被非磁性材料和储液室隔开不直接接触，在各储液室的进液孔和排液孔处两面的导磁材料条间隙最小，外加电磁铁固定在机座上，与导磁材料条的环形部分接近，但不直接接触。

9、根据权利要求8所述的转子自动平衡头，其特征是：所述的电磁铁采用带有永磁偏置的电磁铁。

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