CN110700901A - 一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及叶轮机械故障模拟领域，具体公开了一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，包括压缩机、储气罐、气流激振装置、叶轮、齿轮箱、第一电机以及实验台底座，所述压缩机通过管道与储气罐连接，所述第一电机与齿轮箱的一端连接，所述齿轮箱的另一端与叶轮连接，所述叶轮正对于紊流模拟装置，所述紊流模拟装置为叶轮提供不同的紊流环境。本发明通过紊流模拟装置对叶轮机械紊流的工况进行模拟，并通过齿轮箱、轴承、叶轮等对叶轮机械不同的故障进行模拟，另外针对叶轮机械主要部件传子系统和叶片系统典型故障设置了相应的监测技术手段，从而实现对叶轮机械故障模拟和典型故障监测技术的研究。

Description

一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置

技术领域

本发明涉及叶轮机械故障模拟领域，具体涉及一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置。

技术背景

大型叶轮机(烟气轮机、汽轮机、压缩机、发电机组等)是石油、化工、冶金、能源等行业的关键设备。其转子-叶片系统作为透平系统的核心部件，多承载易燃易爆、有毒有害、易腐蚀等介质，工作在大功率、高转速、高温、高压等复杂恶劣环境下，一旦发生故障，轻则造成设备损坏停机，重则导致整套装置甚至整个生产系统停产，给企业带来巨大的经济损失，甚至造成灾难性的环境污染和恶劣的社会影响。因此研究叶轮机转子-叶片系统故障机理和故障特征，以及有效的监测技术，对预防叶轮机系统发生重特大事故有重要的作用。

目前国内有科研机构和高校设计开发了叶轮机故障模拟实验台，这些实验平台能够模拟叶轮机械的部分故障，主要是传动系统故障，但依然存在许多不足。大多数实验台将转子系统简化为不同形式的盘轴结构，与叶轮机实际相差较大；实验台仅能模拟叶轮系统部分故障，主要集中在转子系统，无法对叶片进行主动紊流干扰模拟及其振动状态进行有效监测；同时由于叶轮机械结构复杂，运行工况多变(变转速、变负载)，导致对其运行状态的有效信息监测难。

因此，亟须一种能够准确模拟叶轮机转动系统故障、紊流干扰、变转速条件下的叶片故障等以及适用于变工况下的叶轮机械的监测系统在内的试验台。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其具体技术方案如下：

一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，包括压缩机、储气罐、气流激振装置、叶轮、齿轮箱、第一电机以及实验台底座，所述压缩机通过管道与储气罐连接，所述气流激振装置包括紊流模拟装置、第二电机、传动连接件、旋转接头和气体输送管，所述气体输送管通过支撑轴承可转动的安装于实验台底座上，所述气体输送管的一端与紊流模拟装置固定连接，另一端通过旋转接头与储气罐连接，所述储气罐与旋转接头之间还设置有压力调节阀，所述传动连接件固定安装于气体输送管上，所述第二电机固定安装于实验台底座上且第二电机与传动连接件传动连接；所述第一电机与齿轮箱的一端连接，所述齿轮箱的另一端与叶轮连接，所述叶轮正对于紊流模拟装置，所述紊流模拟装置为叶轮提供不同的紊流环境。

进一步的，所述紊流模拟装置包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体的一端向外部凸起形成外部气腔，另一端正对于叶轮形成出风口；所述第二壳体包围第一壳体的凸起部形成内部气腔，所述第二壳体的一端与第一壳体固定连接，另一端形成入风口且与气体输送管固定连接；所述内部气腔与外部气腔之间安装有用于连通入风口和外部气腔的第一格栅，所述第一壳体凸起部的外侧开设有角度可调的纵向气孔，所述第一壳体相对于出风口的一侧开设有角度可调的横向气孔，所述横向气孔位于第二壳体与第一壳体的连接部至第一壳体的凸起部之间。

进一步的，所述叶轮的外部安装有叶轮护罩，所述叶轮护罩与实验台底座固定连接且叶轮护罩与紊流模拟装置可转动地连接，所述叶轮护罩的外侧沿周向开设有若干个均匀分布的传感器安装孔，所述传感器安装孔内安装有用于监测叶片振动光纤传感器。

进一步的，所述叶轮护罩上开设有观察孔，所述观察孔内安装有透明玻璃。

进一步的，所述齿轮箱包括齿轮箱外壳、第一斜齿轮、第二斜齿轮、齿轮箱输入轴和齿轮箱输出轴，所述第一斜齿轮与第二斜齿轮啮合且位于齿轮箱外壳内，所述齿轮箱输入轴的一端与第一斜齿轮连接，另一端通过联轴器与第一电机连接，所述齿轮箱输出轴与叶轮传动连接。

进一步的，所述齿轮箱输入轴与齿轮箱输出轴上分别安装有滚动轴承，所述齿轮箱外壳上还安装有振动加速度传感器和转速传感器，所述振动加速度传感器靠近滚动轴承，用于监测滚动轴承的振动信号，所述转速传感器靠近齿轮箱输出轴，用于监测齿轮箱输出轴的转动信号。

进一步的，所述叶轮包括叶片和叶轮轮盘，叶片圆周的安装于叶轮轮盘上，所述叶轮轮盘与齿轮箱输出轴连接，所述叶片形线根据被模拟的叶轮机叶片模化而来。

进一步的，所述第一电机采用二级三相异步电机。

进一步的，所述储气罐的罐底安装有马鞍形支座，所述马鞍形支座通过地脚螺栓与地面固定连接。

进一步的，所述压缩机采用往复式空气压缩机，排气量为0.8m3/min，压力为2Mpa。

有益效果：1.本发明通过气流激振状装置对叶轮的工作状态进行模拟，能够有效反应叶轮工作时承受离心力、气动力的状态，并同时实现轮机械转子系统及旋转叶片系统故障监测实验研究；2.本发明通过分别设置相应的齿轮、轴承、转轴，可以实现叶轮机械转子系统故障实验研究；3.本发明通过紊流模拟装置的内部气腔和外部气腔的气流叠加形成紊流场，可以有效模拟叶轮的紊流工作环境，并通过对气孔的方向调节从而更加真实的模拟叶轮机的工作情况；4.本发明的叶轮机械故障模拟的实验装置，具有实用性强、结构简单、实验成本低、操作方便、故障机理清晰明了、模拟故障状态多等优点。

附图说明

图1为本发明实验装置结构总图；

图2为联轴器的结构示意图；

图3为齿轮箱结构示意图；

图4为紊流模拟装置的结构示意图；

图5为第一格栅的结构示意图；

图6为叶轮护罩结构示意图；

图7变转速下采用多参考点的转速监测方法示意图；

图8为监测叶片振动的光纤传感器的布置示意图；

附图标记：1-第一电机；2-联轴器；3-振动加速度传感器；4-齿轮箱；5-气体输送管；6-转速传感器；7-光纤传感器；8-叶轮；9-叶轮护罩；10-紊流模拟装置；11-支撑轴承；12-传动连接件；13-第二电机；14-支撑座；15-旋转接头；16-压力调节阀；17-储气罐；18-压缩机；19-实验台底座；101-第一壳体；102-第二壳体；103-凸起部；104-内部气腔；105-外部气腔；106-第一格栅；107-第二格栅；108-入风口；109-出风口；401-齿轮箱输入轴；402-齿轮箱输出轴；403-齿轮箱外壳；404-第一斜齿轮；405-第二斜齿轮；801-叶轮轮盘；802-叶片；901-传感器安装孔；902-观察孔；1011-纵向气孔；1012-横向气孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、原理及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，包括压缩机18、储气罐17、气流激振装置、叶轮8、齿轮箱4、第一电机1以及试验台底座19，所述压缩机18通过管道与储气罐17连接，所述储气罐17和压缩机18分别安装于地面上，所述储气罐17的底部安装有马鞍形支座，所述马鞍形支座通过地脚螺栓与地面固定连接，保证储气罐17稳定，同时储气罐17的顶部设有安全阀，保证实验过程的安全。所述气流激振装置包括紊流模拟装置10、第二电机13、传动连接件12、旋转接头15和气体输送管5，所述气体输送管5的两端分别安装有支撑轴承11，所述气体输送管5通过支撑轴承11可转动地安装于实验台底座19上方的支撑座14上，所述气体输送管5的一端与旋转接头15连接，另一端与紊流模拟装置10固定连接，所述旋转接头15与储气罐17的出气口连接并且旋转接头15与储气罐17之间还设置有用于调节储气罐17出气口压力的压力调节阀16，所述传动连接件12套设于气体输送管5上且与气体输送管5固定连接，所述第二电机13固定安装于实验台底座19上且第二电机13位于两个支撑座14之间，所述第二电机13的电机输出轴通过皮带与传动连接件12连接，第二电机13转动带动气体输送管5转动从而使紊流模拟装置10转动，由第二电机13控制转速的变化，能够实现叶片802的不同振动状态，具体包括同步振动和异步振动。

齿轮箱4和第一电机1也分别安装于实验台底座19上，如图3所示，所述齿轮箱4包括齿轮箱外壳403、第一斜齿轮404、第二斜齿轮405、齿轮箱输出轴402和齿轮箱输入轴401，所述第一斜齿轮404和第二斜齿轮405互相啮合并且均位于齿轮箱外壳403内，所述齿轮箱输入轴401通过联轴器2与第一电机1的转动轴连接，另一端与第一斜齿轮404连接，所述齿轮箱输出轴402与叶轮8连接，所述叶轮8正对于紊流模拟装置10，通过第一电机1驱动齿轮箱4转动从而为叶轮8的转动提供动力，同时通过齿轮箱4的转轴和齿轮传动对叶轮机械转子故障进行模拟。所述第一电机1采用转速可调的二级三相异步电机，并采用380V、50Hz交流电进行供电，所述联轴器2采用膜片联轴器，能够对联轴器2的不同故障进行模拟，所述第一斜齿轮404相对于第二斜齿轮405来说为小齿轮且第一斜齿轮404为一根齿轮轴，所述第二斜齿轮405相对第一斜齿轮404来说为大齿轮且第二斜齿轮405通过键与齿轮箱输出轴402连接，所述齿轮箱输出轴402与齿轮箱输入轴401分别连接有滚动轴承，如图1所示，所述齿轮箱外壳403的外侧还分别安装有振动加速度传感器3和转速传感器6，所述振动加速度传感器3靠近滚动轴承，位于滚动轴承上方的齿轮箱外壳403上，所述振动加速度传感器3用于监测滚动轴承的振动信号，所述转速传感器6靠近齿轮箱输出轴402，利用转速传感器6监测齿轮箱输出轴402的转动信号，从而监测叶轮8的转速，具体可以采用安装支架的形式进行安装，即从齿轮箱外壳403的侧面固定连接一块用于安装转速传感器6的支架。在利用转速传感器6测量齿轮箱输出轴402的转动信号过程中，当齿轮箱输出轴402处于变转速运动状态下时，由于转速变化导致所监测到的信号不再满足等周期的特点，同时造成所监测的叶片振动信号失准，因此需要采用多参考点的监测方法，如图7所示，将齿轮箱输出轴402旋转一周的周向运动过程按照旋转角等分为若干小段，由于转速变化的连续性，这样就可以将变转速过程近似为若干个横转速过程，再分别对各个小段的横转速下的数据进行处理，就可得到变转速下的周期信号，可为后续故障分析提供基础。在实际应用中可根据分析需求增加参考点的数量，本发明通过上述部分模拟轴承故障(内圈、外圈、保持架和滚动体)和齿轮传动系统故障，轴承故障具体包括：内外圈划痕、点蚀、游隙过大等，齿轮故障具体包括：齿轮蹦齿、裂纹、齿面磨损以及齿轮轴的不对中等。同时还可以将齿轮沿着平行轴滑动来改变系统的刚度，利用齿轮损伤或磨损故障齿轮可用于振动特性研究。

如图8所示，所述叶轮8包括叶片802和叶轮轮盘801，叶片802圆周的安装于叶轮轮盘801上且叶片802通过榫槽与叶轮轮盘801相连，所述叶轮轮盘801通过键与齿轮箱输出轴402连接，所述叶片802形线根据被模拟的叶轮机叶片模化而来，此处通过对叶片802的处理可以对叶片802进行各种故障模拟，具体故障类型包括叶片裂纹、叶尖间隙变化、叶片外物附着等。

如图4所示，所述紊流模拟装置10包括第一壳体101和第二壳体102，所述第一壳体101的一端向外部凸起，在凸起部103形成外部气腔105，另一端正对于叶轮8形成出风口109；所述第二壳体102包围第一壳体101的凸起部103形成内部气腔104，所述第二壳体102的一端与第一壳体101固定连接，另一端形成入风口108并与气体输送管5固定连接，所述内部气腔104与外部气腔105之间安装有用于连通入风口108和外部气腔105的第一格栅106，所述第一壳体101凸起部103的外侧开设有角度可调的纵向气孔1011，所述第一壳体101相对于出风口109的一侧开设有角度可调的横向气孔1012，所述横向气孔1012位于第二壳体102与第一壳体101的连接部至第一壳体101的凸起部103之间，在紊流模拟装置10的工作过程中，由气体输送管5为紊流模拟装置10提供气流，一部分气流从入风口108进入后流向内部气腔104，一部分气流从入风口108进入后穿过第一格栅106后流向外部气腔105，内部气腔104中的气流再穿过角度可以调节的气孔后与外部气腔105中的气流叠加形成紊流场，通过对气孔的调节可以形成多种紊流场从而模拟叶轮机多种真实的工况。

所述第一壳体101的出风口109处可拆卸的安装有第二格栅107，所述第二格栅107向外部凸起并且第一壳体101的出风口109处可以更换多种弯曲弧度不一样的第二格栅107，通过更换不同弯曲程度的第二格栅107及调整紊流模拟装置10的旋转速度能够实现叶片802十倍以内的任何阶次的同步激励，从而实现旋转的叶片802与旋转的紊流模拟装置10的同步共振，可以为研究旋转叶片低阶共振状态下振动特性提供基础。

所述叶轮8的外部安装有叶轮护罩9，所述叶轮护罩9与实验台底座19固定连接且叶轮护罩9与紊流模拟装置10可转动地连接，如图6所示，所述叶轮护罩9的外侧沿周向开设有若干个均匀分布的传感器安装孔901，所述传感器安装孔901内安装有用于监测叶片振动的光纤传感器7，所述叶轮护罩9上开设有观察孔902，所述观察孔902内安装有透明玻璃，具体来说，所述的叶轮护罩9安装在叶轮8的外围，壁厚为20mm，在叶轮护罩9上沿周向开设30个传感器安装孔901，其中，包含0°、90°、180°(从水平位置右手边起，逆时针增大)三个位置，其余安装孔以5°为间隔，分布在90°的两侧。同时为便于观察叶片802的振动情况，在叶轮护罩9上设计两个观察孔902，并用有机玻璃进行了防护。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：包括压缩机(18)、储气罐(17)、气流激振装置、叶轮(8)、齿轮箱(4)、第一电机(1)以及实验台底座(19)，所述压缩机(18)通过管道与储气罐(17)连接，所述气流激振装置包括紊流模拟装置(10)、第二电机(13)、传动连接件(12)、旋转接头(15)和气体输送管(5)，所述气体输送管(5)通过支撑轴承(11)可转动的安装于实验台底座(19)上，所述气体输送管(5)的一端与紊流模拟装置(10)固定连接，另一端通过旋转接头(15)与储气罐(17)连接，所述储气罐(17)与旋转接头(15)之间还设置有压力调节阀(16)，所述传动连接件(12)固定安装于气体输送管(5)上，所述第二电机(13)固定安装于实验台底座(19)上且第二电机(13)与传动连接件(12)传动连接；所述第一电机(1)与齿轮箱(4)的一端连接，所述齿轮箱(4)的另一端与叶轮(8)连接，所述叶轮(8)正对于紊流模拟装置(10)，所述紊流模拟装置(10)为叶轮(8)提供不同的紊流环境。

2.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：所述紊流模拟装置(10)包括第一壳体(101)和第二壳体(102)，所述第一壳体(101)的一端向外部凸起形成外部气腔(105)，另一端正对于叶轮(8)形成出风口(109)；所述第二壳体(102)包围第一壳体(101)的凸起部(103)形成内部气腔(104)，所述第二壳体(102)的一端与第一壳体(101)固定连接，另一端形成入风口(108)且与气体输送管(5)固定连接；所述内部气腔(104)与外部气腔(105)之间安装有用于连通入风口(108)和外部气腔(105)的第一格栅(106)，所述第一壳体(101)凸起部(103)的外侧开设有角度可调的纵向气孔(1011)，所述第一壳体(101)相对于出风口(109)的一侧开设有角度可调的横向气孔(1012)，所述横向气孔(1012)位于第二壳体(102)与第一壳体(101)的连接部至第一壳体(101)的凸起部(103)之间。

3.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：所述叶轮(8)的外部安装有叶轮护罩(9)，所述叶轮护罩(9)与实验台底座(19)固定连接且叶轮护罩(9)与紊流模拟装置(10)可转动地连接，所述叶轮护罩(9)的外侧沿周向开设有若干个均匀分布的传感器安装孔(901)，所述传感器安装孔(901)内安装有用于监测叶片振动的光纤传感器(7)。

4.根据权利要求3所述的一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：所述叶轮护罩(9)上开设有观察孔(902)，所述观察孔(902)内安装有透明玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：所述齿轮箱(4)包括齿轮箱外壳(403)、第一斜齿轮(404)、第二斜齿轮(405)、齿轮箱输入轴(401)和齿轮箱输出轴(402)，所述第一斜齿轮(404)与第二斜齿轮(405)啮合且位于齿轮箱外壳(403)内，所述齿轮箱输入轴(401)的一端与第一斜齿轮(404)连接，另一端通过联轴器(2)与第一电机(1)连接，所述齿轮箱输出轴(402)与叶轮(8)传动连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：所述齿轮箱输入轴(401)与齿轮箱输出轴(402)上分别安装有滚动轴承，所述齿轮箱外壳(403)上还安装有振动加速度传感器(3)和转速传感器(6)，所述振动加速度传感器(3)靠近滚动轴承，用于监测滚动轴承的振动信号，所述转速传感器(6)靠近齿轮箱输出轴(402)，用于监测齿轮箱输出轴(402)的转动信号。

7.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：所述叶轮(8)包括叶片(802)和叶轮轮盘(801)，叶片(802)圆周的安装于叶轮轮盘(801)上，所述叶轮轮盘(801)与齿轮箱输出轴(402)连接，所述叶片(802)形线根据被模拟的叶轮机叶片模化而来。

8.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：所述第一电机(1)采用二级三相异步电机。

9.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：所述储气罐(17)的罐底安装有马鞍形支座，所述马鞍形支座通过地脚螺栓与地面固定连接。

10.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械故障模拟及监测的实验装置，其特征在于：所述压缩机(18)采用往复式空气压缩机，排气量为0.8m3/min，压力为2Mpa。

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