CN103759934B - 双转子故障模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
双转子故障模拟实验装置，本发明基于燃气轮机双转子试验台，利用带力传感器的动静碰摩支架和动静碰摩块、间隙可调节的动动碰摩调节螺栓等模拟转子碰摩故障，并测量水平方向碰撞力大小；通过在轴承润滑腔内注入细粒度金属屑模拟轴承磨损故障；利用不同厚度的不锈钢间隙片与轴承座组合，模拟转子不对中故障；通过轮盘的定位孔、质量块并配合键相盘，模拟质量大小和相位可调的转子质量不平衡故障；通过碟型弹簧与轴承座模拟松动度可调的轴承座松动故障。本发明可用于燃气轮机双转子系统转子碰摩、轴承磨损、转子不对中、转子质量不平衡和轴承座松动故障的模拟，提高燃气轮机双转子系统故障分析的准确性，为仿真计算提供实验参考数据。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机双转子系统实验设备技术领域，特别涉及针对燃气轮机双转子结构的故障模拟实验装置。
背景技术
燃气轮机作为效率高，输出功率大的动力设备，在国防和工业领域得到广泛应用。舰船和航空用燃气轮机常采用多转子结构，其中双转子结构应用较多。目前高校和科研机构建立的双转子实验装置，多用来研究正常情况下双转子结构的动力学特性。发明专利申请号CN201310179723.8中涉及一种由提供基础运动的两轴基础转台与航空发动机双转子模型实验台组成的综合型动力学实验装置。实用新型专利申请号CN201020260715.8中涉及一种内外转子系统的振动实验装置。针对双转子结构典型故障模拟的实验台很少，特别是没有涉及双转子结构动动碰摩故障模拟，动静碰摩故障碰撞力测量及轴承磨损故障模拟的实验装置。
在双转子结构中，内转子和外转子相互耦合，且转速较高，转子振动比较复杂。在转子碰摩、轴承磨损、转子不对中、转子质量不平衡、轴承座松动故障中，双转子结构轴系的运动更加复杂，且常表现为非线性动力学行为。因此有必要结合双转子结构特点，设计一种双转子结构故障模拟实验装置，特别是针对常见的碰摩故障，设计动动碰摩实验装置，测量动静碰摩中的碰撞力，为转子碰摩故障的理论计算提供较好的参考数据。
发明内容
本发明的目的是针对双转子结构轴系的运动特点，提供一种双转子故障模拟实验装置，对转子碰摩、轴承磨损、转子不对中、转子质量不平衡以及轴承座松动故障进行模拟实验，从而为转子碰摩故障的理论计算提供较好的参考数据。
本发明的技术方案如下：
一种双转子故障模拟实验装置，含有实验台基座、转子底座、内转子、外转子、第一驱动电机和第二驱动电机；第一电机通过第一联轴器与内转子相连；内转子从外转子中穿过，两端通过轴承座支承在转子底座上；内转子安装有第一键相盘、第一轮盘和第一齿盘；外转子安装有第二键相盘、第二齿盘、第二轮盘和鼠笼弹性支承固定盘；该支承固定盘上安装有保护套筒；外转子一端通过轴承和轴承座支承在转子底座上，另一端通过鼠笼弹性支承和中介轴承支承在内转子上；第二电机通过皮带轮和第二联轴器驱动外转子；其特征在于：双转子故障模拟实验装置还包括动动碰摩故障装置和动静碰摩故障装置；所述的动动碰摩故障装置包括至少两个动动碰摩固定块，至少两个动动碰摩固定块沿第一轮盘圆周均匀分布，该固定块位于保护套筒的外侧并留有间隙；在每个动动碰摩固定块上安装有动动碰摩调节螺栓；所述的动静碰摩故障装置包括动静碰摩支架、动静碰摩块、力传感器和滑动限定套；所述的力传感器的一端固定在动静碰摩支架上，另一端安装有动静碰摩调节螺栓，动静碰摩块安装在动静碰摩调节螺栓的末端；所述的滑动限定套沿动静碰摩调节螺栓的轴向固定在动静碰摩支架上。
本发明所述的双转子故障模拟实验装置中，所述的实验台基座通过橡胶隔振器支承。
本发明所述的双转子故障模拟实验装置还在内转子和所述轴承的内圈之间设有楔形胀紧套，在轴承座两端面安装有盖板，在盖板的内侧紧贴楔形胀紧套一端的内转子上安装有毛毡垫圈，在轴承座两个端面与盖板之间均设置有O型橡胶圈，用于模拟轴承磨损故障实验。
本发明所述的双转子故障模拟实验装置还在轴承座下端面与转子底座之间塞入不同规格厚度的不锈钢间隙片，模拟转子不对中故障；不锈钢间隙片33由HRC43-47、高碳钢和黄铜材料经热处理精磨制成，厚度在0.005mm～2mm之间。
本发明所述的双转子故障模拟实验装置还在第一轮盘5或第二轮盘8的盘面周向均匀设有多个螺纹孔，不平衡质量螺栓34固定在螺纹孔内，不平衡质量块35通过螺栓固定在第一轮盘5或第二轮盘8的盘面上；通过改变不平衡质量螺栓34和不平衡质量块35的数量，调节转子不平衡质量的大小，模拟转子质量不平衡故障。
本发明所述的该双转子故障模拟实验装置还在轴承座固定螺栓与轴承座的压力接触面之间设有多个串连的碟形弹簧，固定螺栓从中心孔穿过，改变轴承座的松动度，模拟轴承座松动故障。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明针对双转子结构特点设计了动动碰摩故障装置，较好实现了高速旋转的转子间动动碰摩故障的模拟，改变了其它双转子结构试验台较难模拟动动碰摩故障的现状。②通过在动静碰摩装置中增加力传感器和滑动限定套，实现了动静碰摩过程中水平方向碰撞力的测量，为双转子动静碰摩故障的理论计算提供了实验参考数据。
总之，本发明在动力学特性、转子结构和轴承支承三个方面与燃气轮机双转子结构相似性较高，模拟转子碰摩、轴承磨损、转子不对中、转子质量不平衡和轴承座松动故障，原理清晰，避免了因形式差异造成的实验结果的失效，且易于实现，重复性和可操作性好，为燃气轮机双转子结构转子系统故障的动力学特性研究提供了可靠保障。
附图说明
图1为双转子结构试验台示意图。
图2为动动碰摩故障模拟装置剖面图。
图3为动静碰摩故障模拟装置示意图。
图4为轴承磨损故障模拟装置剖面图。
图5为转子不对中故障模拟装置示意图。
图6为转子不平衡故障模拟装置示意图。
图7为轴承座松动故障模拟装置示意图。
图中：1－第一电机； 2－第一联轴器； 3－第一键相盘；
4－第二电机； 5－第一轮盘； 6－保护套筒；
7－鼠笼弹性支承固定盘； 8－第二轮盘； 9－外转子；
10－第二齿盘； 11－轴承座； 12－第二键相盘；
13－第二联轴器； 14－皮带轮； 15－第一齿盘；
16－内转子； 17－转子底座； 18－实验台基座；
19－橡胶隔振器； 20－动动碰摩固定块； 21－动动碰摩调节螺栓；
22－鼠笼弹性支承； 23－中介轴承； 24－动静碰摩支架；
25－动静碰摩块； 26－力传感器； 27－滑动限定套；
28－动静碰摩摩调节螺栓；29－毛毡垫圈； 30－胀紧套；
31－盖板； 32－○型密封圈； 33－不锈钢间隙片；
34－不平衡质量螺栓； 35－不平衡质量块； 36－碟形弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程进一步详细描述。
如图1所示，双转子故障模拟实验装置含有实验台基座18、转子底座17、内转子16、外转子9、第一驱动电机1和第二驱动电机4；第一电机通过第一联轴器2与内转子16相连；内转子16从外转子9中穿过，两端通过轴承座11支承在转子底座17上；内转子16安装有第一键相盘3、第一轮盘5和第一齿盘15，第一键相盘3安装在靠近第一电机的一端；外转子9安装有第二键相盘12、第二齿盘10、第二轮盘8和鼠笼弹性支承固定盘7，在鼠笼弹性支承固定盘上安装有保护套筒6，第二键相盘12安装在靠近皮带轮14的一端；外转子9一端通过轴承和轴承座11支承在转子底座17上，另一端通过鼠笼弹性支承22和中介轴承23支承在内转子16上；第二电机4通过皮带轮14和第二联轴器13驱动外转子9。
本发明所述的动动碰摩故障装置包括至少两个动动碰摩固定块20，多个动动碰摩固定块第一轮盘5的侧面沿圆周均匀分布，该固定块位于保护套筒6的外侧并留有间隙；在每个动动碰摩固定块20上安装有动动碰摩调节螺栓21；调节该螺栓可调整其与保护套筒6之间的间隙。当间隙调整合适，转子在高速旋转过程中，动动碰摩调节螺栓21会与保护套筒6之间发生碰摩，实现动动碰摩故障的模拟(如图2所示)。
本发明所述的动静碰摩故障装置包括动静碰摩支架24、动静碰摩块25、力传感器26和滑动限定套27；所述的力传感器26的一端固定在动静碰摩支架24上，另一端通过螺纹孔安装有动静碰摩调节螺栓28，动静碰摩块25安装在动静碰摩调节螺栓的末端；所述的滑动限定套27沿动静碰摩调节螺栓的轴向固定在动静碰摩支架24上；所述的动静碰摩故障装置安装在转子底座17上。动静碰摩支架24可安装在外转子9轴段或内转子16轴段上，调节动静碰摩调节螺栓28可改变动静碰摩块25与内转子16或外转子9的间隙大小，间隙调整合适，外转子9或内转子16可以与动静碰摩块25发生碰摩，实现动静碰摩故障的模拟(如图3所示)。
动动碰摩调节螺栓21和动静碰摩块25为铜、铝合金、尼龙或其他塑料材料。力传感器为电阻应变式压力传感器，铝合金材料。
本发明的故障模拟实验装置还可以实现轴承磨损故障模拟实验，主要基于轴承座11实现的，如图4所示。模拟实验是在内转子16和所述轴承的内圈之间设有楔形胀紧套30，在轴承座两端面安装有盖板31，在盖板的内侧紧贴楔形胀紧套一端的内转子16上安装有毛毡垫圈29，在轴承座两个端面与盖板31之间均设置有○型密封圈32，用于模拟轴承磨损故障实验。即将轴承内圈通过胀紧套30固定在内转子16上，利用盖板31，将轴承外圈压紧固定在轴承座11内；毛毡垫圈29与轴承座11、胀紧套30和盖板31等部件构成半封闭的轴承润滑腔，正常工作时，腔内有润滑油保证高速旋转过程中轴承的润滑；模拟故障时，注入细粒度金属屑，使得轴承滚子和轴承内圈、外圈之间相互摩擦，模拟轴承磨损故障。此外盖板31和轴承座11之间的○型密封圈32可防止润滑油等渗出。金属粉末颗粒大小在50μm～300μm之间。
图5为转子不对中故障模拟装置示意图，在轴承座11下端面与转子底座17之间塞入不同规格厚度的不锈钢间隙片33，模拟转子不对中故障；在第一轮盘5和第二轮盘8的盘面上周向均匀分布多个螺纹孔，配合第一键相盘3或第二键相盘12，通过改变螺栓34和质量块35的大小及位置，模拟转子质量不平衡故障。不锈钢间隙片33由HRC43-47、高碳钢和黄铜材料经热处理精磨制成，厚度在0.005mm～2mm之间。
图6为转子质量不平衡故障模拟装置示意图，转子质量不平衡故障主要通过在第一轮盘5或第二轮盘8的盘面周向均匀设有多个螺纹孔，不平衡质量螺栓34可固定在螺纹孔内，不平衡质量块35可通过螺栓固定在第一轮盘5或第二轮盘8的盘面上。通过改变不平衡质量螺栓34和不平衡质量块35的数量调节转子不平衡质量的大小；通过改变紧固位置，配合第一键相盘3或第二键相盘12，改变不平衡质量的相位。
图7为轴承座松动故障模拟装置示意图，所述的轴承座松动故障是在轴承座固定螺栓与轴承座的压力接触面之间设有碟形弹簧36，多个弹簧串连，固定螺栓从中心孔穿过，调节螺栓可改变轴承座11的松动度，限制其运动范围，使得系统既能实现松动故障模拟，又能缓冲松动时部件剧烈运动的冲击。碟型弹簧36为51CrV4、镍基合金或铍铜合金制造，单个碟型弹簧可承受载荷0～370N。
内转子16的转速范围为0～9000转/分，外转子9的转速范围为0～10000转/分。两转子通过控制柜内的变频控制器控制第一电机1和第二电机4做变速转动，当转子阻力矩超出电机保护阈值时，变频控制器会自动断电保护。两转子的驱动电机均可正反转旋转，因此可开展对转状态下双转子故障模拟实验。
Claims (5)
1.一种双转子故障模拟实验装置，含有实验台基座(18)、转子底座(17)、内转子(16)、外转子(9)、第一驱动电机和第二驱动电机；第一电机(1)通过第一联轴器(2)与内转子(16)相连；内转子(16)从外转子(9)中穿过，两端通过轴承座(11)支承在转子底座(17)上；内转子(16)安装有第一键相盘(3)、第一轮盘(5)和第一齿盘(15)；外转子(9)安装有第二键相盘(12)、第二齿盘(10)、第二轮盘(8)和鼠笼弹性支承固定盘(7)；该支承固定盘上安装有保护套筒(6)；外转子(9)一端通过轴承和轴承座(11)支承在转子底座(17)上，另一端通过鼠笼弹性支承(22)和中介轴承(23)支承在内转子(16)上；第二电机(4)通过皮带轮(14)和第二联轴器(13)驱动外转子(9)；其特征在于：双转子故障模拟实验装置还包括动动碰摩故障装置和动静碰摩故障装置；所述的动动碰摩故障装置包括至少两个动动碰摩固定块(20)，至少两个动动碰摩固定块沿第一轮盘(5)圆周均匀分布，该固定块位于保护套筒(6)的外侧并留有间隙；在每个动动碰摩固定块(20)上安装有动动碰摩调节螺栓(21)；所述的动静碰摩故障装置包括动静碰摩支架(24)、动静碰摩块(25)、力传感器(26)和滑动限定套(27)；所述的力传感器(26)的一端固定在动静碰摩支架(24)上，另一端安装有动静碰摩调节螺栓(28)，动静碰摩块(25)安装在动静碰摩调节螺栓的末端；所述的滑动限定套(27)沿动静碰摩调节螺栓的轴向固定在动静碰摩支架(24)上；
所述的故障模拟实验装置还在内转子(16)和所述轴承的内圈之间设有楔形胀紧套(30)，在轴承座两端面安装有盖板(31)，在盖板的内侧紧贴楔形胀紧套一端的内转子(16)上安装有毛毡垫圈(29)，在轴承座两个端面与盖板(31)之间均设置有○型密封圈(32)，用于模拟轴承磨损故障实验。
2.根据权利要求1所述双转子故障模拟实验装置，其特征在于：该双转子故障模拟实验装置还在轴承座固定螺栓与轴承座的压力接触面之间设有多个串连的碟形弹簧(36)，固定螺栓从中心孔穿过，改变轴承座的松动度，模拟轴承座松动故障。
3.根据权利要求1或2所述的双转子故障模拟实验装置，其特征在于：所述的实验台基座(18)通过橡胶隔振器(19)支承。
4.根据权利要求1或2所述双转子故障模拟实验装置，其特征在于：双转子故障模拟实验装置还在轴承座(11)下端面与转子底座(17)之间塞入不同规格厚度的不锈钢间隙片(33)，模拟转子不对中故障；不锈钢间隙片(33)由HRC43-47、高碳钢和黄铜材料经热处理精磨制成，厚度在0.005mm～2mm之间。
5.根据权利要求1或2所述双转子故障模拟实验装置，其特征在于：双转子故障模拟实验装置还在第一轮盘(5)或第二轮盘(8)的盘面周向均匀设有多个螺纹孔，不平衡质量螺栓(34)固定在螺纹孔内，不平衡质量块(35)通过螺栓固定在第一轮盘(5)或第二轮盘(8)的盘面上；通过改 变不平衡质量螺栓(34)和不平衡质量块(35)的数量，调节转子不平衡质量的大小，模拟转子质量不平衡故障。
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