CN106382882B - 一种旋转机械转静间隙场的测试系统及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种旋转机械转静间隙场的测试方法，通过在旋转机械转子的键槽上设置键相信号点，在转子系统和静子系统的各测试面周向外侧水平和垂直位置分别设置一个电涡流位移传感器，获取转子测试面和静子测试面的水平和垂直方向的位移量。转速检测装置用于检测转子的速度。将电涡流位移传感器以及转速检测装置测得的信号接入数据采集器并发送至计算机处理，合成转子和静子的实时运行轨迹，进而拟合得到整机的转静间隙场，并进行三维动画显示，计算各测试面碰摩危险程度，判断碰摩危险截面，并输出各测试面的转静间隙。该测试方法可靠性高，结果直观形象，易于观察。

Description

一种旋转机械转静间隙场的测试系统及测试方法
技术领域
本发明属于旋转机械转静间隙技术领域，具体涉及一种旋转机械转静间隙场的测试方法。
背景技术
工程实际中，由于制造、装配误差引起的不平衡、不对中等因素，时常会发生发动机转子结构和静子结构的转静间隙分配不合适，从而导致碰摩故障。碰摩故障是转子系统失稳的一个重要原因，轻者使系统的振动剧烈增加，影响使用寿命；重者会引起转子的永久弯曲，甚至造成机械设备的破坏。转静间隙的影响因素很多，主要有离心力、热，以及振动，其中离心力和热对转静间隙的影响都可以通过计算得到精确的补偿，然而振动因素却是复杂且很难计算准确的。因此，从振动角度对转静间隙进行测试和评估非常重要。
目前有关转静间隙的测量方法很多，主要有接触式、涡流式、阻抗式、 X射线式、电容式、光学式、微波式、射流式等。以上方法都是通过打孔等方式将传感器固定在静子结构上，测量某个截面转子叶片到静子结构相对位移来实现转静间隙的测试。但是，利用这些测量方法进行整个旋转机械的转静间隙场的测量和动画显示研究较少。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的不足，提供了一种实时动态反应整个旋转机械转静间隙场的测试系统及测试方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种旋转机械转静间隙场的测试系统，包括设置于旋转机械的转速检测装置，所述旋转机械包括转子、静子；转子的一个端面通过尼龙绳联轴器连接电机，电机驱动转子旋转；在转子、静子的若干径向截面的周向外侧水平和垂直位置分别设置有电涡流位移传感器，用于分别获取转子径向截面和静子径向截面的水平和垂直方向的位移量；所述转速检测装置的信号输出端连接数据采集器；所述电涡流位移传感器连接数据采集器，数据采集器连接计算机。
进一步的，所述转速检测装置包括感光片和光电转速传感器，所述感光片固定设置于转子的键槽处，跟随转子同步旋转；光电转速传感器通过固定支架设置于转子键槽外侧，正对感光片。
进一步的，所述电涡流位移传感器与数据采集器之间还连接有前置放大器。
进一步的，所述电涡流位移传感器采用支架固定。
一种旋转机械转静间隙场的测试方法，包括以下步骤：
步骤1：以转子轴端面轴心为坐标原点，以该端面的水平方向为z轴，以该端面的垂直方向为y轴，以转子轴向方向为x轴建立坐标系；沿x轴方向，在转子、静子上分别选取若干径向截面作为测试面，并记录各测试面中心的坐标值；
步骤2：在各个测试面的z向坐标轴和y向坐标轴方向分别设置一个电涡流位移传感器；
步骤3：将各个电涡流位移传感器获取的信号经由前置放大器进行放大，放大后的信号接入到数据采集器，然后发送至计算机；
步骤4：在转子的键槽处设置键相信号点，标定该键相信号点为起始位置；将感光片固定设置于键相信号点，跟随转子同步旋转，光电转速传感器通过固定支架设置于转子键槽外侧，正对感光片，用于当检测到感光片的时候产生一个脉冲信号，然后传输至数据采集器；
步骤5：启动电机带动转子匀速旋转，获取转子的当前转速，各测试面处电涡流位移传感器测试所处测试面沿z向坐标轴和y向坐标轴方向的位移量；
步骤6：数据采集器将采集的数据传输给计算机，通过计算机对电涡流位移传感器读入的每个时刻的转子和静子各测试面水平和垂直方向的实时位移值，合成各个测试面的形心运动轨迹；将各个测试面上对应时刻的轨迹点进行连接，即构成弹性线；通过若干次样条函数差值，使弹性线更为光滑；利用计算机图形学对弹性线进行可视化建模和显示，实现弹性线的动态显示；
步骤7：计算转静碰摩危险系数，判断可能发生碰摩的危险测试面，并输出各测试面的转静间隙。
进一步的，所述转子的转速为任意转速。
更进一步的，所述步骤6中，利用Visual C++编程调用OPENGL图形函数，对转子和静子运行轨迹及转静间隙场进行三维动画显示。
更进一步的，所述步骤7中，计算转静碰摩危险系数采用下述公式：
其中，和分别表示t时刻截面a静子和转子形心的运动情况，a为静止状态下，该截面处叶片叶尖与机匣内壁的最近距离。Ta为转静碰摩危险系数。Ta≥1时，该截面发生碰摩，且Ta越大，碰摩的危险性越大，碰摩程度越剧烈。通过比较各截面转静碰摩危险系数大小，判断转静碰摩危险截面，该系数越大的截面，发生碰摩的危险程度越高。
本发明的有益效果是：1、本发明提供的测试系统和测试方法可以通过几个测试面测试得到整个旋转机械的转静间隙场，而非仅仅只是测试面处的转静间隙。
2、本发明中可以实现转静间隙场的实时动态显示，直观反映全转子与全静子的相对变形。
3、本发明定义测试面碰摩危险系数，对测试面碰摩危险程度进行定量评估，可以实时智能判断容易各测试面发生转静碰摩的危险程度，并显示任意测试面转静间隙。
4、本发明利用计算机图形学方法，对全转子和全静子的转静间隙场进行动态显示，对我国自主研发旋转机械转静间隙场测试系统提供了新的方法和思路。
附图说明
图1为旋转机械转静间隙场的测试系统；
图2为旋转机械转静间隙场测试流程图；
图3为转子转速为1900rpm时测得的转静间隙场图，其中，3(a)、3(b) 分别为实时转静间隙场、三维实体转静碰摩危险测试面。
图中标号：1、转子；2、静子；3、尼龙绳联轴器；4、电机；5、电涡流位移传感器；6、数据采集器；7、计算机；8、前置放大器；9、光电转速传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本实施例选用的旋转机械为带机匣的航空发动机转子试验器。如图1 所示旋转机械转静间隙场的测试系统，航空发动机转子试验器包括转子1、静子2；转子1的轴的一个端面通过尼龙绳联轴器3连接电机4，电机4驱动转子1旋转。在转子1、静子2上分别选取若干径向截面作为测试面；在每个测试面的周向外侧水平和垂直外置分别设置一个电涡流位移传感器5，电涡流位移传感器5采用支架固定，用于分别获取转子1和静子2测试面的水平和垂直方向的位移量。
在转子1的键槽处设置一个键相信号点，标定该键相信号点为起始位置。将感光片固定设置于键相信号点，并跟随转子1同步旋转。转子1的键槽外侧用固定支架设置光电转速传感器9，正对感光片。当光电传感器9 对准感光片时，则产生一个脉冲，转子1旋转一周产生一个脉冲，通过对一定时间内的脉冲数目统计，得到当前转子1的转速。光电转速传感器9 连接数据采集器6；电涡流位移传感器5连接前置放大器8，前置放大器8 连接数据采集器6；数据采集器6连接计算机7。
图2为旋转机械转静间隙场测试流程图。下面以在转子1上选取3个测试面，静子上选取3个测试面为例说明本发明的具体测试方法：
借助键相信号将各个测试面振动信号的起始时刻统一到光电转速传感器9对准感光片的时刻，剔除键相脉冲之前的数据点，不足部分补零。以转子轴端面轴心为坐标原点，以该端面的水平方向为z轴，以该端面的垂直方向为y轴，以转子轴向方向为x轴建立坐标系，记录下各个测试面的坐标值。
在转子1的3个测试截面和静子2的3个测试截面的z坐标轴方向和y 坐标轴方向分别搭建一个电涡流位移传感器5，固定转子转速为1900rpm，通过电涡流位移传感器5得到各个测试面处水平和垂直方向的位移量。将各个电涡流位移传感器5获取的信号经由前置放大器8进行放大，放大后的信号接入到数据采集器6，然后发送至计算机7。
数据采集器6将采集的数据传输至计算机7；通过计算机7对电涡流位移传感器5读入的每个时刻的转子1和静子2各测试面水平和垂直方向的实时位移值，合成各个测试面的形心运动轨迹；将各个测试面上对应时刻的轨迹点进行连接，即构成弹性线；通过3次样条函数差值，使弹性线更为光滑；利用Visual C++编程调用OPENGL图形函数对弹性线进行可视化建模和显示，实现转静间隙场的三维动画显示。
计算转静碰摩危险系数，判断可能发生碰摩的危险测试面，并输出各测试面的转静间隙。计算转静碰摩危险系数采用下述公式：
其中，和分别表示t时刻截面a静子和转子形心的运动情况，a为静止状态下，该截面处叶片叶尖与机匣内壁的最近距离。Ta为转静碰摩危险系数。Ta≥1时，该截面发生碰摩，且Ta越大，碰摩的危险性越大，碰摩程度越剧烈。通过比较各截面转静碰摩危险系数大小，判断转静碰摩危险截面，该系数越大的截面，发生碰摩的危险程度越高。
图3为在采样频率为10KHz，转子转速为1900rpm的条件下，测试得到的转静间隙图，其中，3(a)为实时转静间隙场，图中显示了转子、静子截面最大振幅，转子各截面轨迹以及静子轨迹，可以直接反映转子和静子的实时间隙场；3(b)为碰摩截面，图中各部件为三维实体动态显示，可以显示转子和静子的实时相对位移，转子静子碰摩时会产生碰摩火花，并实时显示该截面的碰摩危险系数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种旋转机械转静间隙场的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：以转子轴端面轴心为坐标原点，以该端面的水平方向为z轴，以该端面的垂直方向为y轴，以转子轴向方向为x轴建立坐标系；沿x轴方向，在转子、静子上分别选取若干径向截面作为测试面，并记录各测试面中心的坐标值；
步骤2：在各个测试面的z向坐标轴和y向坐标轴方向分别设置一个电涡流位移传感器；
步骤3：将各个电涡流位移传感器获取的信号经由前置放大器进行放大，放大后的信号接入到数据采集器，然后发送至计算机；
步骤4：在转子的键槽处设置键相信号点，标定该键相信号点为起始位置；将感光片固定设置于键相信号点，跟随转子同步旋转，光电转速传感器通过固定支架设置于转子键槽外侧，正对感光片，用于当检测到感光片的时候产生一个脉冲信号，然后传输至数据采集器；
步骤5：启动电机带动转子匀速旋转，获取转子的当前转速，各测试面处电涡流位移传感器测试所处测试面沿z向坐标轴和y向坐标轴方向的位移量；
步骤6：数据采集器将采集的数据传输至计算机；通过计算机对电涡流位移传感器读入的每个时刻的转子和静子各测试面水平和垂直方向的实时位移值，合成各个测试面的形心运动轨迹；将各个测试面上对应时刻的轨迹点进行连接，即构成弹性线；通过若干次样条函数差值，使弹性线更为光滑；利用计算机图形学对弹性线进行可视化建模和显示，实现弹性线的动态显示；
步骤7：计算转静碰摩危险系数，判断可能发生碰摩的危险测试面，并输出各测试面的转静间隙；计算转静碰摩危险系数采用下述公式：
其中，和分别表示t时刻测试面a静子和转子形心的运动情况，a为静止状态下，该截面处叶片叶尖与机匣内壁的最近距离；Ta为转静碰摩危险系数；
Ta≥1时，该截面发生碰摩，且Ta越大，碰摩的危险性越大，碰摩程度越剧烈；通过比较各截面转静碰摩危险系数大小，判断转静碰摩危险截面，该系数越大的截面，发生碰摩的危险程度越高。
2.根据权利要求1所述的一种旋转机械转静间隙场的测试方法，其特征在于，所述转子的转速为任意转速。
3.根据权利要求1所述的一种旋转机械转静间隙场的测试方法，其特征在于，所述步骤6中，通过计算机利用Visual C++编程调用OPENGL图形函数，对转子和静子运行轨迹及转静间隙场进行三维动画显示。
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