CN103680270A - 一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置及调试方法 - Google Patents

一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置及调试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置及调试方法，包括基座、电动机、底部悬空的主轴和平面轴承，平面轴承与基座之间设置有压力传感器；主轴上还同轴连接有金属推力盘与带有励磁线圈的电磁铁，压力传感器及励磁线圈均与单片机连接，电磁铁与主轴之间的电磁可调节。采用上述结构与方法后，上述单片机能够实时调节励磁线圈中通过的励磁电流大小，从而调节电磁铁对金属推力盘，也即对主轴的电磁吸力的大小，压力传感器可实时对该平面轴承承受的压力进行监测。从而，对转子系统进行有目标的轴向负荷的减载，为解决推力轴承由摩擦引起的机械磨损和发热问题，提供积极参考。同时，软磁电磁铁的成本低，便于研究、分析与推广。

Description

一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置及调试方法
技术领域
本发明涉及一种水轮发电机承重系统实验装置及调试方法，特别是一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置及调试方法。
背景技术
目前，在大中型立轴式发电机组承重系统中传统的承重方式主要是推力轴承。推力轴承承受整个机组转子系统的重量以及水轮机轴向的水推力，由于水轮发电机轴向重量很大，包括发电机转子、水轮机转轮和主轴，以中型水轮发电机为例其轴向总负荷约为1600吨，所有的重量有推力轴承承担，推力轴承处相对运动形成摩擦力，加上传统推力轴承自身的结构特征，摩擦力大小同其所受压力成正比，发热问题又与摩擦存在正相关关系等因素，长期运行状态下产生机械牢固性老化等问题。对于重载大型推力轴承，特别是长期重负状态下由摩擦引起的机械磨损和发热问题非常突出。水轮机组推力轴承的状态是影响水轮机正常运行的重要因素，为提高发电机组的效率，减小发电机组轴承的摩擦和损耗至关重要。
目前，现有技术中，有提出通过利用电磁悬浮系统（主要是稀土永磁铁）对转子系统进行减载，减轻施加在推力轴承上的重量，来克服现有推力轴承的摩擦及发热问题的构想。但该构想在实施起来，仍需克服诸多问题。这样，便需要一个实验平台，来进行模拟详细的试验研究，找出可能的影响因素及各因素间的相互关系。另外，稀土永磁铁，成本高，材料稀缺，不利于研究推广。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种能对转子系统进行减载，克服现有推力轴承的摩擦及发热问题，同时，成本低、便于研究、分析与推广，且电磁吸力可检测的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置及调试方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
    一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置，包括带有中心孔的基座和顶端与电动机相连接的主轴，基座的中心孔上同轴设置有平面轴承，该平面轴承与基座之间均匀设置有若干个压力传感器；主轴的下端从中心孔及平面轴承中穿过且底部悬空；主轴中部同轴固定有金属推力盘，该金属推力盘顶部的主轴上套设有同轴的带有励磁线圈的电磁铁；主轴能相对基座、平面轴承及电磁铁自由转动；所述每个压力传感器及励磁线圈均与单片机连接，该单片机与电脑相连接。
    所述平面轴承外侧的基座上均匀设置有至少两个用于支撑电磁铁的外部支撑体，所述电磁铁外围由两片可拆卸连接的尼龙固定，尼龙放置于外部支撑体上，电磁铁与金属推力盘之间的距离可调节。
    所述电磁铁与金属推力盘之间的距离小于5mm。
    所述压力传感器有两个，左右对称设置于平面轴承底部的一条直径方向上。
    所述电磁铁为中间设置有凹槽的环形电磁铁，凹槽底部设置有两个贯通的引线槽；所述励磁线圈置于凹槽中，励磁线圈的两个自由端分别从相应的引线槽中穿出并与单片机相连接。
    所述基座的中心孔内壁设置有滚珠轴承。
    所述主轴顶端通过齿轮键连接有第一齿轮，所述电动机固定于基座的支架上，电动机底部的第二齿轮与第一齿轮相耦合。
    一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置的调试方法，包括以下步骤：
    第一步，压力传感器的固定：将每个压力传感器均匀固定于中心孔上方的基座上；
    第二步，平面轴承及主轴的安装调试：将平面轴承置于第一步的压力传感器上，后将主轴下端穿过平面轴承并插入中心孔内，主轴底部悬空，金属推力盘将置于平面轴承上，平面轴承将重量传递给下方的压力传感器；
    第三步，电磁铁安装调试：将电磁铁嵌入第二步中的主轴上方，安置平衡，励磁线圈的两个自由端分别与单片机连接；
    第四步，主轴与电动机的连接：电动机将带动主轴转动；
    第五步，压力传感器的信号传输：用信号线将第四步中的压力传感器与单片机进行连接，单片机与电脑连接，单片机及电脑将检测的信号进行转换、放大后并动态显示；
    第六步，电动机带动主轴转动：电动机通入电流，将带动主轴转动，观察并记录单片机及电脑显示的数据；
    第七步，电磁吸力调节：通过调节励磁线圈中励磁电流的大小，实时改变电磁铁对金属推力盘的电磁吸力，压力传感器将实时检测平面轴承承受的压力变化；
    第八步，实验数据分析：通过第六步及第七步中记录的数据，进行分析电磁力大小的影响因素。
    在电磁铁嵌入第三步的主轴前，先计算出电磁铁与金属推力盘之间的需要距离，再在基座上均匀安装至少两个与计算高度相对应的外部支撑体，后在电磁铁外围用两片可拆卸连接的尼龙固定，再将尼龙放置于外部支撑体上；第七步中，通过调节尼龙与电磁铁的固定位置，从而调节电磁铁对金属推力盘的电磁吸力。
    所述电磁铁为带有凹槽的环形电磁铁，在电磁铁嵌入第三步的主轴前，先将励磁线圈置于凹槽内并用环氧树脂浇封。 
    本发明采用上述结构与方法后，上述与电脑连接的单片机，能够实时调节励磁线圈中通过的励磁电流大小，从而调节电磁铁对金属推力盘，也即对主轴的电磁吸力的大小，压力传感器可实时对该平面轴承承受的压力（也即间接对电磁吸力）进行监测，达到控制磁悬浮力的大小，也即对转子系统进行有目标的进行轴向负荷减载，为验证该模型解决大中型转子系统的推力轴承在长期重负状态下由摩擦引起的机械磨损和发热问题上的实际作用，为优化发电机组的效率、有效延长发电机组转子承重系统的使用寿命提供了积极的参考。同时，软磁电磁铁的成本低，便于研究、分析与推广。
附图说明
图1是本发明一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置的立体结构示意图；
图2是本发明一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置的纵向剖视图。
其中有：1.电动机；2.主轴；3.电磁铁；4.金属推力盘；5.压力传感器；6.外部支撑体；7.单片机；8.齿轮键；9.引线槽；10.励磁线圈；11.平面轴承；12.滚珠轴承；13.基座；14.中心孔；15.电脑；16.凹槽；17.第一齿轮；18.第二齿轮；19.尼龙。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
    如图1和图2所示，一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置，包括带有中心孔14的基座13和顶端与电动机1相连接的主轴2，基座13的中心孔14上同轴设置有平面轴承11，该平面轴承11与基座13之间均匀设置有若干个压力传感器5，优选为两个，分别左右对称设置于平面轴承11底部的一条直径方向上，压力传感器5可以均匀检测平面轴承11承受的压力。主轴2的下端从中心孔14及平面轴承11中穿过且底部悬空，即穿出中心孔14的主轴2的长度小于基座13的高度；主轴2中部同轴固定有金属推力盘4，该金属推力盘4顶部的主轴2上套设有同轴的带有励磁线圈10的电磁铁3；主轴2能相对基座13、平面轴承11及电磁铁3自由转动；所述每个压力传感器5及励磁线圈10均与单片机7连接，该单片机7与电脑15相连接。作为变形，上述压力传感器5的数量也可以为3个、4个或多个；金属推力盘4优选为铁质材料，吸力好，成本低，但也可以为铜质或其它金属。
    上述平面轴承11外侧的基座13上均匀设置有至少两个用于支撑电磁铁3的外部支撑体6，电磁铁3外围由两片可拆卸连接的尼龙19固定，如螺栓连接或卡接，尼龙19放置于外部支撑体6上，这样，电磁铁3可将重力均匀作用于外部支撑体6上。同时，可以根据设计的电磁铁3与金属推力盘4之间的电磁吸力大小，计算出电磁铁3与金属推力盘4之间的需要距离，从而计算出相对应的外部支撑体6的高度，实现电磁铁3与金属推力盘4距离的粗调节。后续试验过程中，当需要微量调节电磁铁3与金属推力盘4之间的距离时，只需将尼龙19松开，微量调节电磁铁3在尼龙19中的上下位置后，再将尼龙19紧固即可。经多次试验验证，电磁铁3与金属推力盘4之间的距离小于5mm时，电磁铁3与金属推力盘4之间的吸力最大，平面轴承11的减重效果较显著。
    上述电磁铁3优选为中间设置有凹槽16的环形电磁铁，凹槽16底部设置有两个贯通的引线槽9；励磁线圈置10放置于凹槽16中，励磁线圈10的两个自由端分别从相应的引线槽9中穿出并与单片机7相连接。作为变形，电磁铁3也可以回型或椭圆形等，励磁线圈10也可直接缠绕在电磁铁3上。
    另外，上述基座13的中心孔14内壁设置有滚珠轴承12，以保证主轴2的平滑转动。
    进一步，上述主轴2顶端通过齿轮键8连接有第一齿轮相17，电动机1固定于基座13的支架上，电动机1底部的第二齿轮18与第一齿轮17相耦合。
    一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置的调试方法，包括以下步骤。
   第一步，压力传感器5的固定：将每个压力传感器5均匀固定于中心孔14上方的基座13上。
   第二步，平面轴承11及主轴2的安装调试：将平面轴承11置于第一步的压力传感器5上，后将主轴2下端穿过平面轴承11并插入中心孔14内，主轴2底部悬空，金属推力盘4将置于平面轴承11上，平面轴承11将重量传递给下方的压力传感器5。
   第三步，电磁铁3安装调试：将电磁铁3嵌入第二步中的主轴2上方，安置平衡，励磁线圈10的两个自由端分别与单片机7连接。
上述电磁铁3为带有凹槽16的环形电磁铁，在电磁铁3嵌入第三步的主轴2前，先将励磁线圈10置于凹槽16内，并用环氧树脂浇封。浇封后的电磁铁3具有体积小、吸力大、牢固可靠、全密封和环境适应性强等特点，同时，这种结构的电磁铁3可方便进行远程操作，动作简单灵敏，功能稳定可靠。
另外，在电磁铁3嵌入第三步的主轴2前，还需先计算出电磁铁3与金属推力盘4之间的需要距离，再在基座13上均匀安装至少两个与计算高度相对应的外部支撑体6，后在电磁铁3外围用两片可拆卸连接的尼龙19固定，再将尼龙19放置于外部支撑体6上。 
    第四步，主轴2与电动机1的连接：将第一齿轮17安装在第三步中的主轴2上并嵌紧，将电动机1倒置固定在基座13的支架上，安装第二齿轮18，使第一齿轮17和第二齿轮18相耦合，电动机1将带动主轴2转动。作为替换，主轴2与电动机1之间也可采用皮带传动或其它等同方式。
    第五步，压力传感器5的信号传输：用信号线将第四步中的压力传感器5与单片机7进行连接，单片机7与电脑15连接，单片机7及电脑15将检测的信号进行转换、放大后并动态显示。
    第六步，电动机1带动主轴2转动：电动机1通入电流，将带动主轴2转动，观察并记录单片机7及电脑15显示的数据。
    第七步，电磁吸力调节：通过调节励磁线圈10中励磁电流的大小或调节尼龙19与电磁铁3的固定位置，实时改变电磁铁3对金属推力盘4的电磁吸力，压力传感器5将实时检测平面轴承11承受的压力变化。通电前，压力传感器5感应的压力来自由平面轴承11传导而来的主轴2及金属推力盘4的重量。通电后，电磁铁3产生电磁吸力，将与主轴2相连的金属推力盘4向上吸引，使主轴2对平面轴承11的压力减小，从而压力传感器5感应的压力为通电前感应的压力与向上的电磁吸引力之差。从而可将主轴2对压力传感器5的压力动态平衡地稳定在一个较小阈值内。
第八步，实验数据分析：通过第六步及第七步中记录的数据，如电磁铁3中励磁线圈10的电流、气隙、电磁力之间的各种关系曲线，来进行分析电磁力大小的影响因素。
考虑到高速运转的转子系统运行的稳定性， 本磁悬浮承重系统并不使转子系统真正全部悬浮起来，而是利用磁悬浮承重系统分担转子系统的大部分轴向负荷(即减载)。这样既可以从根本上减小施加在推力轴承上的轴向负荷，从而减小了推力轴承轴瓦之间的摩擦，又可以保持转子系统的稳定运行，并且利用电磁悬浮装置的悬浮力可调性的优势，来调节电磁悬浮力的大小，使之与转子系统实际所承受的轴向负荷相适应，这样就解决了承重系统的推力与转子系统的轴向负荷有关变化相适应的问题。从数据显示来看，达到了减轻转子系统承重的要求。因此，推力轴承所感受的压力减轻，推力轴承处摩擦与发热问题相应得到有效缓和。故此模型，有利于解决大中型转子系统的推力轴承在长期重负状态下由摩擦引起的机械磨损和发热问题。

Claims (10)

1.一种水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置，其特征在于：包括带有中心孔（14）的基座（13）和顶端与电动机（1）相连接的主轴（2），基座（13）的中心孔（14）上同轴设置有平面轴承（11），该平面轴承（11）与基座（13）之间均匀设置有若干个压力传感器（5）；主轴（2）的下端从中心孔（14）及平面轴承（11）中穿过且底部悬空；主轴（2）中部同轴固定有金属推力盘（4），该金属推力盘（4）顶部的主轴（2）上套设有同轴的带有励磁线圈（10）的电磁铁（3）；主轴（2）能相对基座（13）、平面轴承（11）及电磁铁（3）自由转动；所述每个压力传感器（5）及励磁线圈（10）均与单片机（7）连接，该单片机（7）与电脑（15）相连接。
2.根据权利要求1所述的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置，其特征在于：所述平面轴承（11）外侧的基座（13）上均匀设置有至少两个用于支撑电磁铁（3）的外部支撑体（6），所述电磁铁（3）外围由两片可拆卸连接的尼龙（19）固定，尼龙（19）放置于外部支撑体（6）上，电磁铁（3）与金属推力盘（4）之间的距离可调节。
3.根据权利要求2所述的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置，其特征在于：所述电磁铁（3）与金属推力盘（4）之间的距离小于5mm。
4.根据权利要求1所述的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置，其特征在于：所述压力传感器（5）有两个，左右对称设置于平面轴承（11）底部的一条直径方向上。
5.根据权利要求1所述的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置，其特征在于：所述电磁铁（3）为中间设置有凹槽（16）的环形电磁铁，凹槽（16）底部设置有两个贯通的引线槽（9）；所述励磁线圈（10）置于凹槽（16）中，励磁线圈（10）的两个自由端分别从相应的引线槽（9）中穿出并与单片机（7）相连接。
6.根据权利要求1所述的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置，其特征在于：所述基座（13）的中心孔（14）内壁设置有滚珠轴承（12）。
7.根据权利要求1所述的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置，其特征在于：所述主轴（2）顶端通过齿轮键（8）连接有第一齿轮（17），所述电动机（1）固定于基座（13）的支架上，电动机（1）底部的第二齿轮（18）与第一齿轮（17）相耦合。
8.一种根据权利要求1所述的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置的调试方法，包括以下步骤：
第一步，压力传感器（5）的固定：将每个压力传感器（5）均匀固定于中心孔（14）上方的基座（13）上；
第二步，平面轴承（11）及主轴（2）的安装调试：将平面轴承（11）置于第一步的压力传感器（5）上，后将主轴（2）下端穿过平面轴承（11）并插入中心孔（14）内，主轴（2）底部悬空，金属推力盘（4）将置于平面轴承（11）上，平面轴承（11）将重量传递给下方的压力传感器（5）；
第三步，电磁铁（3）安装调试：将电磁铁（3）嵌入第二步中的主轴（2）上方，安置平衡，励磁线圈（10）的两个自由端分别与单片机（7）连接；
第四步，主轴（2）与电动机（1）的连接：电动机（1）将带动主轴（2）转动；
第五步，压力传感器（5）的信号传输：用信号线将第四步中的压力传感器（5）与单片机（7）进行连接，单片机（7）与电脑（15）连接，单片机（7）及电脑（15）将检测的信号进行转换、放大后并动态显示；
第六步，电动机（1）带动主轴（2）转动：电动机（1）通入电流，将带动主轴（2）转动，观察并记录单片机（7）及电脑（15）显示的数据；
第七步，电磁吸力调节：通过调节励磁线圈（10）中励磁电流的大小，实时改变电磁铁（3）对金属推力盘（4）的电磁吸力，压力传感器（5）将实时检测平面轴承（11）承受的压力变化；
第八步，实验数据分析：通过第六步及第七步中记录的数据，进行分析电磁力大小的影响因素。
9.根据权利要求8所述的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置的调试方法，其特征在于：在电磁铁（3）嵌入第三步的主轴（2）前，先计算出电磁铁（3）与金属推力盘（4）之间的需要距离，再在基座（13）上均匀安装至少两个与计算高度相对应的外部支撑体（6），后在电磁铁（3）外围用两片可拆卸连接的尼龙（19）固定，再将尼龙（19）放置于外部支撑体（6）上；第七步中，通过调节尼龙（19）与电磁铁（3）的固定位置，从而调节电磁铁（3）对金属推力盘（4）的电磁吸力。
10.根据权利要求8或9所述的水轮发电机转子磁悬浮承重系统实验装置的调试方法，其特征在于：所述电磁铁（3）为带有凹槽（16）的环形电磁铁，在电磁铁（3）嵌入第三步的主轴（2）前，先将励磁线圈（10）置于凹槽（16）内并用环氧树脂浇封。
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