CN111638048B - 一种多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置，包括底座、驱动电机、电机支架、联轴器、轴承支座、碰摩壳体、多级叶盘、夹具、空心转轴、加热器、固定架、测试单元；电机支架、轴承支座、夹具、固定架均设置在底座上；所述驱动电机固定在电机支架上，驱动电机输出轴通过联轴器与空心转轴一端相连；空心转轴两端通过轴承支座支撑；空心转轴上固定有多级叶盘；碰摩壳体固定在L型夹具上；加热器一端固定在固定架上，另一端伸入空心转轴内，并对应多级叶盘的位置。本装置可实现多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟，具有转子的热弯曲调试过程简单与安全、多级叶盘级数可调、碰摩间隙可调以及易于更换碰摩破损构件等特点。

Description

一种多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置

技术领域

本发明属于燃气轮机叶盘转子的故障模拟领域，特别是一种多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置。

背景技术

多级叶盘转子是燃气轮机的核心部件，它的优劣关系到机组的性能和安全。为满足高超动力性能的需要，先进燃气轮机转子系统经常处于启动、加减速及停车等热循环过程中，受到变高温变载荷的作用，这将导致转子系统发生热变形，并且运转过程中产生热弯曲振动。为了减少因工作介质泄漏造成的性能损失，叶片与外部机匣之间的间隙很小，但当间隙过小时热致振动极易引发叶片与机匣的碰撞与摩擦(称为碰摩)，易造成整机破坏等恶性事故。为此设计出一种模拟燃气轮机多级叶盘转子热弯曲引发的碰摩故障的实验系统，有助于减少该类碰摩故障发生率和提升叶盘转子在高温下的运行可靠性。

发明专利201110334626.2公开了一种主动控制液压式碰摩故障检测实验装置，碰摩柱与转子轮盘外周直接接触，测控计算机可计算并控制碰摩部件施加的压力以及受力情况，达到模拟和检测多种碰摩故障状态的目的。发明专利201310533769.5公开了一种基于弹性基础的内外双转子故障模拟实验台，可以模拟航空发动机双转子质量不平衡、转子碰摩和支座松动等机械故障。发明专利201410037683.8提出燃气轮机双转子，应用带力传感器的动静碰摩支架和动静碰摩块、间隙可调节的碰摩调节螺栓等模拟转子碰摩故障。发明专利201810543792.5给出了一种小型航空发动机多点碰摩故障模拟实验装置，模拟转子系统在多个位置出现多种形式的碰摩故障，可用于研究小型航空发动机在多种碰摩耦合作用下的振动响应。综合分析，尚缺少一种热弯曲引发的多级叶盘转子碰摩故障的模拟装置，用于研究故障机理和优化方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置，以实现多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置，包括底座、驱动电机、电机支架、联轴器、轴承支座、碰摩壳体、多级叶盘、夹具、空心转轴、加热器、固定架、测试单元；

所述电机支架、轴承支座、夹具、固定架均设置在底座上；所述驱动电机固定在电机支架上，驱动电机输出轴通过联轴器与空心转轴一端相连；所述空心转轴两端通过轴承支座支撑；所述空心转轴上固定有多级叶盘；所述碰摩壳体固定在夹具上，并正对多级叶盘的位置，且碰摩壳体与空心转轴同轴设置；所述加热器一端固定在固定架上，另一端伸入空心转轴内，并对应多级叶盘的位置，所述测试单元用于测试多级叶盘和空心转轴组成的转子的振动位移、轴承座与碰摩壳体的振动加速度、转动部件的转速、转轴外表面的温度分布。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明实现了转轴热弯曲故障的模拟，根据叶盘转子具有的空心转轴，采用内部加热实现转轴的热弯曲，不需特殊防护罩等装置，实验人员不易被高温灼伤，具有使用安全的特点；由于加热与升温过程简单，不需风机等辅助结构，具有结构简单，成本低廉的优势。

(2)本发明实现了多级叶盘的叶片碰摩故障模拟，可以根据实际结构，选取安装选定级数的叶盘转子，如一级、二级至多级；碰摩机构可便捷地安装碰摩壳体：a)可随多级叶盘尺寸的变化而变化，实现与多级叶盘的碰摩相互作用，b)可以更换破损的壳体，易于反复进行碰摩实验，c)同时可更换不同内径的壳体，调整转静子之间的碰摩间隙。

附图说明

图1为本发明模拟装置总体结构示意图。

图2为碰摩机构爆炸示意图。

图3为多级叶盘转子剖视图。

图4为L型夹具与滑轨连接爆炸示意图。

图5为多级叶盘和安装轴连接示意图。

图6为加热器安装示意图。

图7为单级整体叶盘结构示意图。

图8为振动信号测试单元布置图。

图9为温度边界条件测试单元布置图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图9，本发明的一种多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置，包括底座13、驱动电机1、电机支架2、联轴器3、轴承支座4、碰摩壳体5、多级叶盘6、L型夹具7、空心转轴8、加热器10、固定架、测试单元；

所述电机支架2、轴承支座4、L型夹具7、固定架均设置在底座13上；所述驱动电机1固定在电机支架2上，驱动电机1输出轴通过联轴器3与空心转轴8一端相连；所述空心转轴8两端通过轴承支座4支撑；所述空心转轴8上固定有多级叶盘6；所述碰摩壳体5固定在L型夹具7上，并正对多级叶盘6的位置，且碰摩壳体5与空心转轴8同轴设置；所述加热器10一端固定在固定架上，另一端伸入空心转轴8内，并对应多级叶盘6的位置，实现对流换热，模拟热弯曲。

所述测试单元包括振动信号测试单元和温度边界条件测试单元，振动信号测试单元包括电涡流传感器19、加速度传感器18、光电传感器20，用于测试多级叶盘6和空心转轴8组成的转子的振动位移、轴承座与碰摩壳体的振动加速度、转动部件的转速，温度边界条件测试单元由沿转轴周向及轴向均匀布置的多个热电偶传感器组成，可以获得不同位置和截面的温度分布。

实施例1

结合图1，本实施例的一种多级叶盘转子热弯曲碰摩故障模拟装置，实验台的底座13上有螺纹孔，实验台上的多个支座和支架通过底座13的螺纹孔固定。驱动电机1采用高速永磁电机，固定于电机支架2上，电机转轴和空心转轴8采用柔性联轴器3连接，柔性联轴器3具有补偿两轴线相对位移的能力外，还具有缓冲和减振作用。由高速永磁电机和柔性联轴器8驱动转子系统，调速范围宽，平稳可靠。

如图1所示，在两个轴承支座4内均装有轴承9，轴承支座4分布在空心转轴8两侧，起到对转子的支承作用。优选的，所述轴承9采用深沟球轴承，主要用于承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷。所述轴承9也可采用滚动轴承；与尺寸相同的其他类型轴承比较，此处宜采用深沟球轴承，具有摩擦系数小，振动与噪声较低，极限转速高，精度高等优点。

根据实际燃气轮机转子结构特点，空心转轴8为阶梯轴，如图1和图5所示，在空心转轴8中间较粗的部分设计有螺纹孔，所述多级叶盘6通过多个单级整体叶盘固定在空心转轴8上来实现多级叶盘的安装，单级整体叶盘通过细牙螺钉14固定在空心转轴8上，因此可以选定不同级数的叶盘进行实验，通过这种结构可以模拟多级叶盘6的碰撞摩擦。空心转轴8内部空心，如图三转轴的剖面图示意图所示，加热器10通过空心转轴8，对叶盘进行热辐射加热，模拟高温热交变下转子和机匣的碰摩振动特征和规律，采用内部加热实现转轴的热弯曲，不需特殊防护罩等装置，实验人员不易被高温灼伤，具有使用安全的特点；由于加热与升温过程简单，不需风机等辅助结构，具有结构简单，成本低廉的优势。

碰摩机构分解示意图如图2所示，碰摩壳体5由两个半圆柱形壳体组成，每个半圆壳体通过三个细牙螺钉固定在L型夹具7上；两个半圆柱壳体的内径、外径相同，组成一个圆柱壳体；安装受力方面：半圆柱壳体一侧用螺钉固定于L型夹具上，另一侧顶靠在另一个半圆柱壳体上，通过两个L型夹具，将完整的圆柱壳体夹持安装，壳体内径是可以更换的，用于模拟不同碰摩间隙的影响、随多级叶盘尺寸的变化而变化、更换破损的壳体，这种设计结构简单，可方便加工制造。每个半圆柱壳体与L型夹具7之间安装保护垫片15，L型夹具7的底部和滑轨16相连，滑动方向垂直于空心转轴8轴向，通过在滑轨16上的移动可以夹持不同直径的碰摩壳体5。如图4所示，L型夹具7底部有一个螺纹孔，此处安装与螺纹孔螺纹配合的螺钉后，拧紧螺钉可顶住底部的滑轨16，增大L型夹具7与滑轨16燕尾形滑道之间的摩擦力，实现L型夹具7的固定。底部的滑轨16通过两个螺栓固定在底座13上。此外，如图2所示，根据多级叶盘6的轴向尺寸，利用L型夹具7和与其配合的构件，可较方便地安装不同轴向长度的碰摩壳体5，与多级叶盘6轴向长度相匹配，模拟多级叶盘6的碰撞摩擦。另外，该碰摩机构可以方便地更换破损的碰摩壳体5以及多级叶盘6，有利于多次实验，具有结构简单、降低成本的特点。

如图6所示，在固定架上装有加热器10，加热器支架包括加热器上固定架11、加热器下固定架12；加热器上固定架11通过螺栓固定在加热器下固定架12凹槽上，加热器下固定架12凹槽内设有垫片17；加热器10的尾部固定在加热器上固定架11和加热器下固定架12之间，通过底座螺纹孔位置的改变，改变固定架固定位置，可以调节加热器10伸入空心转轴8的位置，模拟转轴在不同温度梯度载荷下，转子和机匣的振动特征和规律。加热器10可以实现温度可控可调，在热交变载荷作用下空心转轴8受热不均匀，将产生热弯曲，可研究热弯曲对叶盘转子和机匣碰摩的振动特征和影响规律。

如图8所述，实验台底座上安装电涡流位移传感器19、加速度传感器18和光电传感器20；所述电涡流位移传感器19能准确测量被测体(转子)与探头端面之间的静态和动态距离及其变化，用来测量转子的振动位移。加速度传感器18可装在轴承支座4上，位于轴承支座4的顶部以及碰摩壳体5外表面，用于测量轴承座4与碰摩壳体5的振动加速度。在联轴器3附近安装反光片或者反光贴纸，当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器20前时，光电传感器20的输出就会跳变一次，通过测出这个跳变频率，就可获知转速。此外，如图9所示(图9中I、II、III、IV、V、VI为截面布置图，对应的1-28为热电偶传感器的布置位置)，通过沿转轴周向及轴向均匀布置多个热电偶传感器，可以获得不同位置和截面的温度分布规律，在理论分析计算时作为热边界条件，提高理论计算的精度。

Claims (4)

1.一种多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置，其特征在于，包括底座(13)、驱动电机(1)、电机支架(2)、联轴器(3)、轴承支座(4)、碰摩壳体(5)、多级叶盘(6)、夹具(7)、空心转轴(8)、加热器(10)、固定架、测试单元；

所述电机支架(2)、轴承支座(4)、夹具(7)、固定架均设置在底座(13)上；所述驱动电机(1)固定在电机支架(2)上，驱动电机(1)输出轴通过联轴器(3)与空心转轴(8)一端相连；所述空心转轴(8)两端通过轴承支座(4)支撑；所述空心转轴(8)上固定有多级叶盘(6)；所述碰摩壳体(5)固定在夹具(7)上，并正对多级叶盘(6)的位置，且碰摩壳体(5)与空心转轴(8)同轴设置；所述加热器(10)一端固定在固定架上，另一端伸入空心转轴(8)内，并对应多级叶盘(6)的位置，所述测试单元用于测试多级叶盘(6)和空心转轴(8)组成的转子的振动位移、轴承座与碰摩壳体的振动加速度、转动部件的转速、转轴外表面的温度分布；

所述多级叶盘(6)通过多个单级整体叶盘固定在空心转轴(8)上来实现多级叶盘的安装，单级整体叶盘由圆盘、叶片和鼓筒组成，叶片均匀分布于圆盘的圆柱面上，单级整体叶盘一端连接有空心圆柱形鼓筒，鼓筒圆柱面上开有孔位，利用该孔位可与空心转轴(8)上的孔位配合，通过细牙螺钉(14)将单级叶盘固定于空心转轴(8)上，空心转轴(8)轴线方向均匀分布有多个孔位，依次将单级整体叶盘按照相同方式进行安装，实现多级叶盘(6)的组装与固定。

所述碰摩壳体(5)由两个半圆柱形壳体组成，两个半圆柱壳体的内径、外径相同，组成一个圆柱壳体；半圆柱壳体一侧固定在夹具(7)上，另一侧顶靠在另一个半圆柱壳体上通过两夹具(7)将完整的圆柱壳体夹持安装。所述夹具(7)底部和滑轨(16)相连，滑动方向垂直于空心转轴(8)轴向；所述滑轨(16)设有燕尾形滑道；所述夹具(7)底部设有螺纹孔，通过螺钉顶住底部的滑轨(16)，实现夹具(7)与滑轨(16)的固定。碰摩壳体(5)的轴向长度略超过多级叶盘(6)的轴向尺寸，并与多级叶盘(6)轴向位置相重合，用于模拟多级叶盘(6)的碰撞与摩擦；

所述加热器(10)由加热器支架安装固定，加热器支架包括加热器上固定架(11)、加热器下固定架(12)；加热器上固定架(11)通过螺栓固定在加热器下固定架(12)上，加热器下固定架(12)凹槽内设有垫片(17)，用于隔热和调整安装间隙；加热器(10)的一端固定在加热器上固定架(11)和加热器下固定架(12)之间，另一端伸入空心转轴(8)内。

2.根据权利要求1所述的多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置，其特征在于，所述测试单元包括电涡流位移传感器、加速度传感器、光电传感器、热电偶传感器；所述电涡流位移传感器用于测量转子的振动位移；所述加速度传感器装在轴承支座上，位于轴承支座的顶部以及碰摩壳体外表面，用于测量轴承座与碰摩壳体的振动加速度；所述光电传感器用于测量转动部件的跳变频率，以获得转速；沿转轴周向及轴向均匀布置多个所述热电偶传感器，以获得不同位置和截面的温度分布。

3.根据权利要求1所述的多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置，其特征在于，所述轴承支座(4)内轴承采用深沟球轴承或滚动轴承。

4.根据权利要求1所述的多级叶盘转子热弯曲引发碰摩故障的模拟装置，其特征在于，所述底座(13)沿空心转轴(8)轴向设有多个安装架的安装孔。

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