CN106996870A - 多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，利用气体径向轴承、气体止推轴承、气体径向‑止推联合轴承来模拟气体流场的作用；利用永磁转子与定子线圈来模拟磁场力的作用；利用永磁转子的柔性化设计来模拟转子弹性变形作用；利用激振器来模拟不同形式的激励载荷；利用主动控制的橡胶隔振器来模拟实验台多变机动状态。本发明可用于微型燃气轮机及高速永磁电机转子系统气体轴承支承作用下、气‑弹耦合作用下、气‑弹‑磁多场耦合作用下、多种激励力作用下、多变机动状态下的转子非线性动力学特性的模拟，提高微型燃气轮机及高速永磁电机转子系统动力学分析的准确性，为仿真计算提供实验参考依据。

Description

多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置

技术领域

本发明涉及转子动力学特性模拟实验系统，特别是一种多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置。

背景技术

近年来，在航空航天、车载舰船和分布式能源等领域的涡轮动力系统中，普遍存在以提高轴系运行转速为核心，使动力装置逐步向高转速、高功率比、高推重比和微型化、集成化、功能化、智能化方向发展的趋势。随着轴系转速的不断提高，系统的轻结构、大柔性特征逐渐凸显，使得转子更容易出现非线性运动耦合失稳现象。因此，如何揭示转子非线性动力学响应机理和有效地控制轴系的非线性振动成为制约高速柔性轴系及其动力装置发展的关键问题之一。

微型燃气轮机及高速永磁电机的典型轴系结构之一为气体轴承支承的单跨永磁柔性转子结构。其典型特点是采用气体轴承支承，在超临界、强磁场耦合、多变机动状态、多振源干扰下运行，因此其动力学问题特别复杂与突出，尤其是在采用气体轴承实现转子高转速运行时，转轴的涡动和柔性变形与轴承、磁场耦合效应、多变机动工况效应会使系统的动力学行为与稳定性变得异常复杂。因此有必要结合微型燃气轮机及高速永磁电机转子结构特点，设计一种多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，为多场耦合作用下转子的动力学理论计算提供较好的参考数据及实验支撑。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是针对微型燃气轮机及高速永磁电机转子轴系的结构特点，提供一种多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，对转子在气体轴承支承作用下、气-弹耦合作用下、气-弹-磁多场耦合作用下、多种激励力作用下、多变机动状态下的转子非线性动力学特性的模拟，从而为微型燃气轮机及高速永磁电机转子系统动力学仿真计算提供实验参考依据。

(二)技术方案

本发明提供了一种多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，包括：轴承-转子系统实验台本体单元、非线性振动测试单元、激振装置、橡胶隔振器主动控制装置和控制分析单元；所述轴承-转子系统实验台本体单元，用于安装永磁转子；所述激振装置，用于提供激振力；所述橡胶隔振器主动控制装置，用于模拟实验装置的可变机动状态；所述非线性振动测试单元，用于检测永磁转子的参数；所述控制分析单元，用于分析转子非线性动力学特性。

在本发明的一些实施例中，所述轴承-转子系统实验台本体单元包括：实验台基座、转子底座、第一气体轴承座第二气体轴承座、定子线圈座定子线圈、气体径向-止推联合轴承、气体止推轴承、气体径向轴承、驱动叶轮、蜗壳和中间体；所述转子底座安装于所述实验台基座上，所述转子底座上安装有所述第一气体轴承座、第二气体轴承座和定子线圈座；所述气体径向-止推联合轴承、气体止推轴承安装于所述第一气体轴承座，所述气体径向轴承安装于所述第二气体轴承座，所述定子线圈固定在所述定子线圈座；所述永磁转子贯穿定子线圈座，与所述定子线圈组成发电机，永磁转子安装于气体径向-止推联合轴承和气体径向轴承，并安装于气体止推轴承，其一端安装驱动叶轮，蜗壳通过中间体固定在第一气体轴承座上。

在本发明的一些实施例中，所述橡胶隔振器主动控制装置包括：橡胶隔振器和主动控制器；所述实验台基座通过橡胶隔振器支撑于地面，所述橡胶隔振器连接主动控制器，所述主动控制器连接控制分析单元，所述主动控制器控制橡胶隔振器的刚度及阻尼特性。

在本发明的一些实施例中，所述非线性振动测试单元包括：电涡流位移传感器、加速度传感器、激光转速传感器和振动采集仪；两个电涡流位移传感器成对布置于第一气体轴承座一侧，两个电涡流位移传感器成对布置于第二气体轴承座一侧，用于测量永磁转子的水平方向和垂直方向的动力学响应；两个加速度传感器分别黏贴在第一气体轴承座和第二气体轴承座上，用于测量永磁转子的加速度；激光转速传感器布置于第二气体轴承座一侧，用于测量永磁转子的旋转速度；电涡流位移传感器、加速度传感器、激光转速传感器连接振动采集仪，振动采集仪连接控制分析单元。

在本发明的一些实施例中，所述激振装置包括：激振器、载荷单元和力传感器；激振器通过载荷单元作用在第二气体轴承座上。

在本发明的一些实施例中，还包括30kW负载箱，通过电缆连接发电机，30kW负载箱连接控制分析单元。

在本发明的一些实施例中，橡胶隔振器的数量为至少四个。

在本发明的一些实施例中，电涡流位移传感器的数量为至少四个；加速度传感器的数量为至少两个；激光转速传感器的数量为至少一个。

在本发明的一些实施例中，力传感器为电阻应变式压力传感器。

在本发明的一些实施例中，控制分析单元为计算机。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明能够模拟转子在气体轴承支承作用下、气-弹耦合作用下、气-弹-磁多场耦合作用下、多种激励力作用下、多变机动状态下的非线性动力学行为，能够为微型燃气轮机及高速永磁电机转子系统动力学仿真计算提供实验参考依据。

(2)本发明在结构和功能上具有可拓展性，能够为更复杂结构的转子动力学特性研究模拟实验装置提供可借鉴的思路。

(3)本发明在动力学特性、转子结构和轴承支承三个方向与微型燃气轮机及高速永磁发电机转子结构相似度较高，能够模拟转子在多场耦合作用下的动力学特性，原理清晰，避免了因形式差异造成的实验结果的实效，且易于实现，重复性和可操作性好，为微型燃气轮机及高速永磁电机转子系统的动力学特性研究提供了可靠的保障。

附图说明

图1是本发明实施例多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置的轴承-转子系统实验台本体单元的结构示意图。

图2是本发明实施例多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置的整体结构示意图。

图3是激振装置的结构示意图。

【符号说明】

1-实验台基座；2-转子底座；3-第一气体轴承座；4-第二气体轴承座；5-定子线圈座；6-永磁转子；7-定子线圈；8-气体径向-止推联合轴承；9-气体止推轴承；10-气体径向轴承；11-驱动叶轮；12-蜗壳；13-中间体；14-橡胶隔振器；15-紧固螺栓；16-激振器；17-载荷单元；18-力传感器；19-主动控制器；20-振动采集仪；21-电涡流位移传感器；22-加速度传感器；23-激光转速传感器；24-计算机；25-30kW负载箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，包括：轴承-转子系统实验台本体单元、非线性振动测试单元、激振装置、橡胶隔振器主动控制装置。

如图1所示，轴承-转子系统实验台本体单元包括：实验台基座1、转子底座2、第一气体轴承座3、第二气体轴承座4、定子线圈座5、定子线圈7、气体径向-止推联合轴承8、气体止推轴承9、气体径向轴承10、驱动叶轮11、蜗壳12和中间体13。

实验台基座1上安装转子底座2，转子底座2上安装有第一气体轴承座3和第二气体轴承座4、定子线圈座5，定子线圈座5位于第一气体轴承座3和第二气体轴承座4之间，第一气体轴承座3和第二气体轴承座4用紧固螺栓15固定在转子底座2上，定子线圈座5通过紧固螺栓15与转子底座2连接。

气体径向-止推联合轴承8、气体止推轴承9安装于第一气体轴承座3，气体径向轴承10安装于第二气体轴承座4，定子线圈7固定在定子线圈座5。

实验装置的测试对象为永磁转子6，永磁转子6贯穿定子线圈座5，与定子线圈7组成发电机，永磁转子6安装于气体径向-止推联合轴承8和气体径向轴承10，并同时安装于气体止推轴承9。永磁转子6一端安装驱动叶轮11，蜗壳12通过中间体13固定在第一气体轴承座3上，驱动叶轮11位于蜗壳12中。

同时参见图2，橡胶隔振器主动控制装置包括橡胶隔振器14和主动控制器19，实验台基座1通过橡胶隔振器14支撑于地面，橡胶隔振器14通过导线连接主动控制器19，主动控制器19通过导线连接计算机24。主动控制器19控制橡胶隔振器14的刚度及阻尼特性，用于模拟实验装置的可变机动状态。在本实施例中，包括四个或以上的橡胶隔振器14，由对应数量的主动控制器19分别控制。

非线性振动测试单元包括电涡流位移传感器21、加速度传感器22、激光转速传感器23和振动采集仪20。

两个电涡流位移传感器21通过传感器支架成对布置于第一气体轴承座3的一侧，另两个电涡流位移传感器21通过传感器支架成对布置于第二气体轴承座4的一侧，用以测量气体轴承附近处永磁转子的水平方向和垂直方向的动力学响应。两个加速度传感器22分别黏贴在第一气体轴承座3和第二气体轴承座4上，用以测量永磁转子的加速度。激光转速传感器23通过传感器支架布置于第二气体轴承座4的一侧，用以测量永磁转子的旋转速度。电涡流位移传感器21、加速度传感器22、激光转速传感器23通过导线连接到八通道振动采集仪20，振动采集仪20通过导线连接到计算机24。

在其他示例中，电涡流位移传感器21的数量可以多于四个，加速度传感器22的数量可以多于两个，激光转速传感器23的数量可以多于一个，振动采集仪20的通道数可以多于八个。

激振装置包括激振器16、载荷单元17及其力传感器18。激振装置能够提供正弦激励、脉冲激励、固定激励等多种类型的激振力，用以模拟基础激励特性。

如图3所示，激振器16通过载荷单元17作用在第二气体轴承座4上，并通过力传感器18测量所施加载荷的特性。力传感器18优选为电阻应变式压力传感器，采用铝合金材料。

在本实施例中，实验装置还包括30kW负载箱25，通过电缆连接发电机，30kW负载箱25连接计算机24，在计算机24的控制下，模拟不同负载、不同磁场特性下转子的动力学特性。当实验装置不接入负载时，其可以模拟气-弹作用下永磁转子的动力学特性。

在本实施例中，气体径向-止推联合轴承8、气体止推轴承9及气体径向轴承10可更换为不同结构形式的气体轴承，用以模拟不同轴承支承参数对转子动力学特性的影响。

本实施例的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，工作时，将永磁转子6贯穿定子线圈座5，并安装于气体径向-止推联合轴承8、气体径向轴承10和气体止推轴承9，永磁转子一端安装驱动叶轮11。驱动叶轮11被高压气体驱动，带动同轴的永磁转子6旋转。主动控制器19控制橡胶隔振器14的刚度及阻尼特性，激振装置提供激振力。电涡流位移传感器21将检测的永磁转子的水平方向和垂直方向的动力学响应、激光转速传感器23将检测的永磁转子旋转速度、加速度传感器22将检测的永磁转子加速度传输给振动采集仪20，振动采集仪20对上述信号采集处理后发送至计算机24，计算机24作为控制分析单元，结合上述参数，分析转子非线性动力学特性。

本发明的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，能够模拟转子在气体轴承支承作用下、气-弹耦合作用下、气-弹-磁多场耦合作用下、多种激励力作用下、多变机动状态下的非线性动力学行为，能够为微型燃气轮机及高速永磁电机转子系统动力学仿真计算提供实验参考依据。本发明实验装置在结构和功能上具有可拓展性，能够为更复杂结构的转子动力学特性研究模拟实验装置提供可借鉴的思路。

总之，本发明在动力学特性、转子结构和轴承支承三个方向与微型燃气轮机及高速永磁发电机转子结构相似度较高，能够模拟转子在多场耦合作用下的动力学特性，原理清晰，避免了因形式差异造成的实验结果的实效，且易于实现，重复性和可操作性好，为微型燃气轮机及高速永磁电机转子系统的动力学特性研究提供了可靠的保障。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，包括：轴承-转子系统实验台本体单元、非线性振动测试单元、激振装置、橡胶隔振器主动控制装置和控制分析单元；

所述轴承-转子系统实验台本体单元，用于安装永磁转子；

所述激振装置，用于提供激振力；

所述橡胶隔振器主动控制装置，用于模拟实验装置的可变机动状态；

所述非线性振动测试单元，用于检测永磁转子的参数；

所述控制分析单元，用于分析转子非线性动力学特性。

2.如权利要求1所述的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，所述轴承-转子系统实验台本体单元包括：实验台基座、转子底座、第一气体轴承座第二气体轴承座、定子线圈座定子线圈、气体径向-止推联合轴承、气体止推轴承、气体径向轴承、驱动叶轮、蜗壳和中间体；

所述转子底座安装于所述实验台基座上，所述转子底座上安装有所述第一气体轴承座、第二气体轴承座和定子线圈座；

所述气体径向-止推联合轴承、气体止推轴承安装于所述第一气体轴承座，所述气体径向轴承安装于所述第二气体轴承座，所述定子线圈固定在所述定子线圈座；

所述永磁转子贯穿定子线圈座，与所述定子线圈组成发电机，永磁转子安装于气体径向-止推联合轴承和气体径向轴承，并安装于气体止推轴承，其一端安装驱动叶轮，蜗壳通过中间体固定在第一气体轴承座上。

3.如权利要求2所述的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，所述橡胶隔振器主动控制装置包括：橡胶隔振器和主动控制器；

所述实验台基座通过橡胶隔振器支撑于地面，所述橡胶隔振器连接主动控制器，所述主动控制器连接控制分析单元，所述主动控制器控制橡胶隔振器的刚度及阻尼特性。

4.如权利要求2所述的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，所述非线性振动测试单元包括：电涡流位移传感器、加速度传感器、激光转速传感器和振动采集仪；

两个电涡流位移传感器成对布置于第一气体轴承座一侧，两个电涡流位移传感器成对布置于第二气体轴承座一侧，用于测量永磁转子的水平方向和垂直方向的动力学响应；

两个加速度传感器分别黏贴在第一气体轴承座和第二气体轴承座上，用于测量永磁转子的加速度；

激光转速传感器布置于第二气体轴承座一侧，用于测量永磁转子的旋转速度；

电涡流位移传感器、加速度传感器、激光转速传感器连接振动采集仪，振动采集仪连接控制分析单元。

5.如权利要求2所述的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，所述激振装置包括：激振器、载荷单元和力传感器；激振器通过载荷单元作用在第二气体轴承座上。

6.如权利要求2所述的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，还包括30kW负载箱，通过电缆连接发电机，30kW负载箱连接控制分析单元。

7.如权利要求3所述的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，橡胶隔振器的数量为至少四个。

8.如权利要求4所述的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，电涡流位移传感器的数量为至少四个；加速度传感器的数量为至少两个；激光转速传感器的数量为至少一个。

9.如权利要求5所述的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，力传感器为电阻应变式压力传感器。

10.如权利要求1所述的多场耦合作用下转子非线性动力学特性模拟实验装置，控制分析单元为计算机。