CN109556814A - 一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置及方法，包括转子动力系统、单级透平试验系统和信号测量系统。单级透平试验系统包括由内至外设置的内壁和外壁以及设置在内外壁两端的端壁，外壁一端的周向上均匀开设有两个进气口，与外壁另一端相连的端壁上开设有出气口，在进气、出气口及内壁和外壁之间依次形成稳压腔、进气段腔体、激振腔体和排气段腔体，激振腔体处设置有可替换密封段，并在其外壁上设置有激振器；转子动力系统与转子连接，为转子提供动力；信号测量系统包括多组传感器，传感器信号经导线连接至多通道数据采集仪。本发明用于研究不同条件下的气流激振规律，为生产实践中预防高参数涡轮中的气流激振问题提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置及方法，用于对涡轮机械中的气流激振现象进行模拟并测量。
背景技术
近年来涡轮机械正逐步朝着高参数方向发展，这就使得涡轮机械内部的气流参数提高，进而引发气流激振问题，严重影响转子系统的稳定及安全运行。因此，设计气流激振试验装置，研究气流激振特性及激振作用下的转子动力学规律，对高参数涡轮的设计和安全运行具有十分重要的意义。
现有的气流激振试验台多为密封激振试验台，试验台的主要测量段为密封腔室内部流道，不包含叶片流道，因此测量中仅能够考虑密封腔内的气流造成的激振效应，而无法对叶顶附近气流造成的激振效应即叶顶间隙气流激振进行测量，因而难以对涡轮机械内部的气流激振问题进行全面准确的评估。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置及方法，其可以实现对气流激振现象的模拟，并且采用模块化设计，能够测试不同进气条件下多种结构参数(叶顶结构及密封结构)及多种运行参数(转速大小、气流边界状态及涡动状态)的气流激振动特性系数，以研究其对转子动力学响应参数的影响规律。
为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案来实现的：
一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，包括转子动力系统、单级透平试验系统和信号测量系统；其中，
单级透平试验系统包括单级透平部件和转子，转子穿过单级透平部件并与其活动连接，转子上套装有动叶，单级透平部件包括由内至外设置的内壁和外壁以及设置在内外壁两端的端壁，外壁一端的周向上均匀开设有两个进气口，与外壁另一端相连的端壁上开设有出气口，在进气口与出气口之间以及内壁和外壁之间依次形成稳压腔、进气段腔体、激振腔体和排气腔体，激振腔体处的外壁周向上开设有通孔，该通孔处设置有可替换密封段，并通过外侧的密封盖实现密封，靠近动叶的外壁周向上设置有激振器；
转子动力系统与转子连接，用于为转子提供动力；信号测量系统包括多组传感器，传感器信号经导线连接至多通道数据采集仪。
本发明进一步的改进在于，单级透平试验系统还包括设置在密封盖与外壁之间的密封圈。
本发明进一步的改进在于，单级透平试验系统还包括弹簧螺栓，其与密封盖螺纹连接，并通过套装在螺杆上的弹簧用于对可替换密封段施加压紧力。
本发明进一步的改进在于，单级透平试验系统还包括试验台基础，单级透平部件设置在试验台基础上。
本发明进一步的改进在于，转子动力系统包括直流电机基座、齿轮变速箱以及设置在直流电机基座上的三相异步电动机，三相异步电动机的输出端与齿轮变速箱输入端连接，齿轮变速箱的输出端通过弹性联轴器与转子的输入端连接，转子的两端通过左轴承座和右轴承座活动连接。
本发明进一步的改进在于，转子动力系统还包括电器控制柜和测速电机，电器控制柜用于为三相异步电动机提供工作电源，并通过测速电机反馈的转速信号监测及控制转子转速的变化。
本发明进一步的改进在于，信号测量系统包括通过测速齿轮设置在弹性联轴器周向上的磁电转速传感器，分别设置在转子两端靠近轴承座处的电涡流位移传感器，设置在靠近轮盘处的激光位移传感器，设置在进气口处的孔板流量计，设置在进气段腔体壁上的振膜压力传感器和热电偶温度传感器，设置在动叶顶部的若干振膜压力传感器，以及设置在排气腔体壁上的振膜压力传感器。
一种高参数涡轮机械气流激振试验测量方法，该测量方法基于上述一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，包括：
试验装置不通入气流，且转子不旋转，在X方向施加大小为A的力，Y方向不施加，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移，同样的，在X方向不施加静态力，在Y方向施加大小为A的力，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移；在通入气流的情况下保持转子不旋转，重复上述步骤得到结果；
试验装置不通入工作气流，转子旋转，在X方向施加大小为A的力，Y方向不施加，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移；同样的，在X方向不施加静态力，在Y方向施加大小为A的力，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移；在通入气流的情况下保持转子旋转，重复上述步骤得到结果；
试验装置通入工作气流，转子旋转工作，X、Y方向分别施加激振力，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移Dxx、Dxy、Dyx、Dyy及密封齿间的压力分布，其中Dij为傅里叶变化后位移的复数形式，代入公式即可解得相应的直接和交叉阻抗系数H，进而由H＝K+j(ΩC)求得相应刚度、阻尼系数K、C。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置中的单级透平试验系统，包含叶片流道及密封腔室通道，较为准确的还原了实际透平结构，能够测量包括密封激振力和叶顶间隙激振力在内的气流激振效应，从而更为准确的评估分析气流激振问题。本发明装置采用分体模块化设计，可以对多种结构参数(叶顶结构及密封结构)下的气流激振特性进行测量，具有较强的适用性。本发明装置中的进气段腔体、激振腔体及排气段腔体均为多个腔体通过螺栓连接，便于安装和拆卸。本发明装置中布置了相互正交的激振器，能够实现静态和动态位移，因而能够测量多种初始偏心下，多种涡动状态下气流激振动特性系数。
本发明提供的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量方法，能够同时满足多种进气条件、多种运行参数(转速大小、气流边界状态)下的测量工作，进而研究不同条件下的气流激振规律，从而为生产实践中预防高参数涡轮中的气流激振问题提供可靠依据。
附图说明
图1是本发明高参数涡轮机械气流激振试验测量装置结构示意图；
图2是本发明试验台传感器布置示意图；
图3是本发明单级透平试验段结构示意图；
图4是本发明激振腔体钢丝固定方法示意图；
图5是本发明激振腔体与进气腔体端面结构示意图；
图6是本发明试验台可替换密封段剖面示意图。
附图标记说明：
1为电器控制柜，2为测速电机，3为三相异步电动机，4为直流电机基座，5为齿轮变速箱，6为弹性联轴器，7为左轴承座，8为单级透平部件，9为试验台基础，10为激振器，11为右轴承座，12为可替换密封段，13为磁电转速传感器，14为测速齿轮，15为稳压腔，16为进气段腔体，17为激振腔体，18为排气段腔体，19为螺栓，20为密封圈，21为定位螺栓，22为弹簧螺栓，23为电涡流位移传感器，24为激光位移传感器，25为进气口，26为密封盖，27为动叶，28为外壁，29为内壁，30为出气口，31为孔板流量计，32为振膜压力传感器，33为热电偶温度传感器，34为转子。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1，本发明提供的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，包括转子动力系统、单级透平试验系统和信号测量系统。
转子动力系统包括电器控制柜1、测速电机2、直流电机基座4、齿轮变速箱5以及设置在直流电机基座4上的三相异步电动机3，三相异步电动机3的输出端与齿轮变速箱5输入端连接，齿轮变速箱5的输出端通过弹性联轴器6与转子34的输入端连接，转子34的两端通过左轴承座7和右轴承座11活动连接，电器控制柜1用于为三相异步电动机3提供工作电源，并通过测速电机2反馈的转速信号监测及控制转子34转速的变化。
单级透平试验系统包括单级透平部件8和转子34，转子34穿过单级透平部件8并与其活动连接，转子34上套装有动叶27，单级透平部件8包括由内至外设置的内壁29和外壁28以及设置在内外壁两端的端壁，外壁28一端的周向上开设有进气口25，与外壁28另一端相连的端壁上开设有出气口30，在进气口25与出气口30之间以及内壁29和外壁28之间依次形成稳压腔15、进气段腔体16、激振腔体17和排气腔体18，激振腔体17处的外壁28周向上开设有通孔，该通孔处设置有可替换密封段12，并通过外侧的密封盖26实现密封，靠近动叶27的外壁28周向上设置有激振器10；此外，单级透平试验系统还包括设置在密封盖26与外壁28之间的密封圈20，还包括弹簧螺栓22和试验台基础9，弹簧螺栓22与密封盖26螺纹连接，并通过套装在螺杆上的弹簧用于对可替换密封段12施加压紧力，单级透平部件8设置在试验台基础9上。
信号测量系统包括通过测速齿轮14设置在弹性联轴器6周向上的磁电转速传感器13，分别设置在转子34两端靠近轴承座处的电涡流位移传感器23，设置在靠近轮盘处的激光位移传感器24，设置在进气口25处的孔板流量计31，设置在进气段腔体16壁上的振膜压力传感器32和热电偶温度传感器33，设置在动叶27顶部的若干振膜压力传感器32，以及设置在排气腔体18壁上的振膜压力传感器32。
本发明由电器控制柜1为三相异步电动机3提供工作电源，并通过测速电机2反馈的转速信号监测及控制转子34转速的变化，装置通过齿轮变速箱5调节使转子34转速达到设定值，三相异步电动机3通过弹性联轴器6与转子34的左端相连并驱动其旋转，弹性联轴器6处布置有测速齿轮14，在测速齿轮14直径方向位置对称布置一对磁电转速传感器13。试验用转子34安装在试验台基础9上左右相对的左轴承座7和右轴承座11之间。
本发明中，试验段传感器的选取与布置参见图2，在进气段腔体16的上下两个进气口25处分别设置一个孔板流量计31测量进气口流量，在进气段腔体16设置热电偶温度传感器33及振膜压力传感器32测量进气口气流温度及压力，出气口流道中同样设置有一个振膜压力传感器32测量排气压力，另外在激振腔体17密封处的每个密封齿间沿周向每隔60°装有一个振膜压力传感器32测量齿间压力。多组传感器信号经导线连接多通道数据采集仪。
参见图3，转子34横跨左轴承座7和右轴承座11并靠轴承座定位支撑，转子外部装有试验段腔体。试验段腔体采用分体式的结构，沿轴向分为三个部分：进气段腔体16、激振腔体17和排气段腔体18，三者彼此分开。进气段腔体和排气段腔体都采用了上下分体式设计，便于安装。进气段上腔体与进气段下腔体通过法兰螺栓连接形成进气段腔体，排气段上腔体与排气段下腔体通过法兰螺栓连接形成排气段腔体。进气段腔体与排气段腔体都依靠法兰螺栓固定在试验台架上，在试验过程中保持静止。进气段腔体与排气段腔体中间安装有激振腔体，由三块各120°的弧形腔体沿周向围成。激振腔体的固定参见图4，依靠两组共六根钢丝固定，钢丝一组利用螺栓19与进气段腔体连接，一组利用螺栓20与排气段腔体连接，起到了激振腔体轴向定位的作用，同时防止了激振腔体在试验过程中发生倾斜。激振腔体下方为两个相互正交安置的激振器10，每个激振器可单独提供约0.1mm的振幅，从而实现腔室与转子间的相对位移以模拟转子实际运行中的涡动状态。在转子近轴承处装有一对电涡流位移传感器23，互成90°安装在转子上以测量转子振动，在转子近轮盘处装有激光位移传感器24以测量转子34的相对位移。
本发明中，进气段腔体上下分别开设有两个进气口，进气口通过进气管与供气设备相连，进气管上还安装有进气阀，通过阀门的开闭来调节流量的大小。气流从两个进气口流入试验段，随后进入稳压腔，在稳压腔内的预混使气流自身沿周向分布均匀。之后气流沿轴向依次通过静叶、动叶，最后通过排气段腔室轴向排出。
本发明中，为减小试验段腔体间的气流泄漏，采取图5所示方法。借鉴曲径式密封的思想，在激振腔体端面采取曲径式设计同时利用密封圈进行密封，密封圈采用环形密封圈，安装过程中与进气段腔室相贴合，与激振腔体之间留有微小间隙，试验过程中，环形密封圈可以起到减小气流泄漏和防止进气腔室与激振腔室碰磨的作用。
本发明中，密封段设计为可拆卸结构，参见图6，密封段沿周向分为六段，每段均为60°，安装时与工业用汽轮机密封齿的安装相同，沿周向套入激振腔体中。对于密封段的固定，轴向方向上采取一定位螺栓21进行固定，径向方向上采用一弹簧螺栓22固定。采用这种固定方式，可以保证密封段在轴向方向上没有位移，且在径向方向上，当密封段受到较大的径向方向向外的力时，允许密封段向外有一定的位移，从而避免了密封段与激振腔体相互接触造成损坏。在密封段和激振腔体的外壳上均开有周向铣孔，以便传感器的引线从试验台内部引出。可更换结构的设计便于研究多种齿顶结构下的气流激振情况。
本发明中，进气段腔体和排气端腔体均分为上下两部分，通过连接件组合为一个整体，便于拆卸制造与安装。
本发明提供的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量方法，该测量方法基于上述一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，以密封激振力测量为例，包括以下步骤：
试验装置不通入气流，且试验转子不旋转，在X方向施加大小为A的力，Y方向不施加，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移，同样的，在X方向不施加静态力，在Y方向施加大小为A的力，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移；在通入气流的情况下保持转子不旋转，重复上述步骤得到结果；
试验装置不通入工作气流，试验转子旋转，在X方向施加大小为A的力，Y方向不施加，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移；同样的，在X方向不施加静态力，在Y方向施加大小为A的力，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移；在通入气流的情况下保持转子旋转，重复上述步骤得到结果；
试验装置通入工作气流，试验转子旋转工作，X、Y方向分别施加激振力，测量此时激振腔体与动叶叶顶间的相对位移Dxx、Dxy、Dyx、Dyy及密封齿间的压力分布，其中Dij为傅里叶变化后位移的复数形式。代入公式即可解得相应的直接和交叉阻抗系数H，进而由H＝K+j(ΩC)求得相应刚度、阻尼系数K、C。
更换不同的密封结构及通过设置有无围带，重复上述步骤，得到相应的测量结果进行对照。
Claims (8)
1.一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，其特征在于，包括转子动力系统、单级透平试验系统和信号测量系统；其中，
单级透平试验系统包括单级透平部件(8)和转子(34)，转子(34)穿过单级透平部件(8)并与其活动连接，转子(34)上套装有动叶(27)，单级透平部件(8)包括由内至外设置的内壁(29)和外壁(28)以及设置在内外壁两端的端壁，外壁(28)一端的周向上均匀开设有两个进气口(25)，与外壁(28)另一端相连的端壁上开设有出气口(30)，在进气口(25)与出气口(30)之间以及内壁(29)和外壁(28)之间依次形成稳压腔(15)、进气段腔体(16)、激振腔体(17)和排气腔体(18)，激振腔体(17)处的外壁(28)周向上开设有通孔，该通孔处设置有可替换密封段(12)，并通过外侧的密封盖(26)实现密封，靠近动叶(27)的外壁(28)周向上设置有激振器(10)；
转子动力系统与转子(34)连接，用于为转子(34)提供动力；信号测量系统包括多组传感器，传感器信号经导线连接至多通道数据采集仪。
2.根据权利要求1所述的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，其特征在于，单级透平试验系统还包括设置在密封盖(26)与外壁(28)之间的密封圈(20)。
3.根据权利要求1所述的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，其特征在于，单级透平试验系统还包括弹簧螺栓(22)，其与密封盖(26)螺纹连接，并通过套装在螺杆上的弹簧用于对可替换密封段(12)施加压紧力。
4.根据权利要求1所述的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，其特征在于，单级透平试验系统还包括试验台基础(9)，单级透平部件(8)设置在试验台基础(9)上。
5.根据权利要求1所述的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，其特征在于，转子动力系统包括直流电机基座(4)、齿轮变速箱(5)以及设置在直流电机基座(4)上的三相异步电动机(3)，三相异步电动机(3)的输出端与齿轮变速箱(5)输入端连接，齿轮变速箱(5)的输出端通过弹性联轴器(6)与转子(34)的输入端连接，转子(34)的两端通过左轴承座(7)和右轴承座(11)活动连接。
6.根据权利要求5所述的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，其特征在于，转子动力系统还包括电器控制柜(1)和测速电机(2)，电器控制柜(1)用于为三相异步电动机(3)提供工作电源，并通过测速电机(2)反馈的转速信号监测及控制转子(34)转速的变化。
7.根据权利要求5所述的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，其特征在于，信号测量系统包括通过测速齿轮(14)设置在弹性联轴器(6)周向上的磁电转速传感器(13)，分别设置在转子(34)两端靠近轴承座处的电涡流位移传感器(23)，设置在靠近轮盘处的激光位移传感器(24)，设置在进气口(25)处的孔板流量计(31)，设置在进气段腔体(16)壁上的振膜压力传感器(32)和热电偶温度传感器(33)，设置在动叶(27)顶部的若干振膜压力传感器(32)，以及设置在排气腔体(18)壁上的振膜压力传感器(32)。
8.一种高参数涡轮机械气流激振试验测量方法，该测量方法基于权利要求1至7中任一项所述的一种高参数涡轮机械气流激振试验测量装置，包括：
试验装置不通入气流，且转子(34)不旋转，在X方向施加大小为A的力，Y方向不施加，测量此时激振腔体(17)与动叶(27)叶顶间的相对位移，同样的，在X方向不施加静态力，在Y方向施加大小为A的力，测量此时激振腔体(17)与动叶(27)叶顶间的相对位移；在通入气流的情况下保持转子(34)不旋转，重复上述步骤得到结果；
试验装置不通入工作气流，转子(34)旋转，在X方向施加大小为A的力，Y方向不施加，测量此时激振腔体(17)与动叶(27)叶顶间的相对位移；同样的，在X方向不施加静态力，在Y方向施加大小为A的力，测量此时激振腔体(17)与动叶(27)叶顶间的相对位移；在通入气流的情况下保持转子旋转，重复上述步骤得到结果；
试验装置通入工作气流，转子(34)旋转工作，X、Y方向分别施加激振力，测量此时激振腔体(17)与动叶(27)叶顶间的相对位移Dxx、Dxy、Dyx、Dyy及密封齿间的压力分布，其中Dij为傅里叶变化后位移的复数形式，代入公式即可解得相应的直接和交叉阻抗系数H，进而由H＝K+j(ΩC)求得相应刚度、阻尼系数K、C。
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