CN113358386B - 一种面向旋转机械的变温度场加载与检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，包括旋转支撑机构，用于支撑被测旋转机械件，并带动被测旋转机械的旋转件；加热系统，用于对被测旋转机械件进行加热；空气循环系统，与加热系统内腔形成空气内循环风道；温度检测系统，用于检测旋转支撑机构上多个位置的温度，加热系统腔体内环境温度以及腔内各个位置的温度梯度，被测旋转机械件表面的温度；转速检测单元，用于检测旋转支撑机构的转速；计算机，用于控制旋转支撑机构、加热系统、空气循环系统，并根据检测得到的转速和旋转支撑机构上多个位置的温度分布，计算得到转轴圆周方向上每个点的实时的温度变化。本装置可有效地模拟热力循环过程中转子受到的热交变载荷。

Description

一种面向旋转机械的变温度场加载与检测系统

技术领域

本发明属于旋转机械动力学性能测试领域，特别是一种面向旋转机械的变温度场加载与检测系统。

背景技术

在热力机械运行过程中，对其核心转子系统由于温度场改变引起的热振动问题的预测和控制，可以有效提高转子运行稳定性与安全性。随着转子动力需求的变化，该类机械经常处于启动、加减速及停车等变工况过程中，流道内各位置的气流温度随着工况变化而变化，由于其转子所处温度环境是由气流在热力循环过程中形成的，导致转子受到的热交变梯度载荷复杂多变，进而引发热致振动问题。专利201410021484.8公开了一种零部件热冲击和热疲劳模拟试验台，包括机械平台、加热系统、冷却系统、温度检测装置、安全报警装置，然而无法检测旋转轴类零件；发明专利201610207345.3设计了一种盘式拉杆组合转子热弯曲变形及振动测试试验台，通过电涡流传感器和红外温度传感器可以测试转子的热弯曲变形和热弯曲振动响应，模拟转子温度不均匀情况下的动力学特性，但是不能检测转子表面的温度；专利201811364425.5公开了一种盘轴联结转子系统热分析试验台，通过点火器的气阀的控制，对转子系统进行不同范围内的加热，还可以对不均匀分布环境下的热变形，变速条件下的热变形进行测量。但是此专利采用喷火加热，不利于精确控制温度，温度梯度等，并且容易发生事故。专利201711439288.2公开了了一种热弯曲转子瞬态振动控制试验台，能实现不同热弯曲量的转子轴在不同的角加速度下的瞬态振动模拟和控制机理研究，但是此专利采用自然降温，转轴径向温差不明显，自然降温的降温效率低，不能模拟各类工况需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，以有效地模拟热力循环过程中转子受到的热交变载荷。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，包括：

旋转支撑机构，用于支撑被测旋转机械件，并带动被测旋转机械的旋转件；

加热系统，套接在被测旋转机械件外侧，用于对被测旋转机械件进行加热，形成温度梯度；

空气循环系统，套接在加热系统外侧，与加热系统内腔形成空气内循环风道，以加快内循环风道内的升温与降温，增大温度梯度；

温度检测系统，用于检测旋转支撑机构上多个位置的温度，加热系统腔体内环境温度以及腔内各个位置的温度梯度，以及被测旋转机械件表面的温度；

转速检测单元，用于检测旋转支撑机构的转速；

计算机，用于控制旋转支撑机构、加热系统、空气循环系统，并根据检测得到的转速和旋转支撑机构上多个位置的温度分布，计算得到转轴圆周方向上每个点的实时的温度变化。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)转子高温热交变动态测控平台使用空气倍增机，通过空气倍增机加快叶片转子加热腔内的空气流速，快速实现腔体内的升温与降温，加强叶盘转子径向温差的效果。

(2)转子高温热交变动态测控平台创新设计了空气循环系统，使用空气倍增机和循环风道配合，将腔体内的空气循环，减少加热管的热量损失，提高叶盘转子的升温速度。

(3)创新设计了一种集流器和轴承座相结合的轴承座，集流器的作用是将转轴上传感器的电信号通过滑环转子和滑环定子传递到外部的信号接收器中，通过集流器和轴承座相结合的结构，可以简化系统的结构。

(4)通过检测转速的光电传感器和检测温度激光温度传感器相配合，可以计算得到转轴圆周方向上每个点的实时的温度变化。

附图说明

图1为总体结构图。

图2为空气循环系统剖面图。

图3为加热系统剖面图。

图4为加热系统结构图。

图5为集流器结构图。

图6为温度控制系统框图。

图7为转轴截面离散点分布示意图。

图8为在温度传感器获得的温度-时间连续曲线中提取出离散点温度的示意图。

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。

本发明的一种面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，包含总体结构、转轴加热系统、温度检测系统三个部分。

总体结构如图1所示包括底座9、电机10、联轴器6、转轴1、轴承座2、5和转轴加热系统3。电机10通过电机安装架用螺栓16固定在底座9上，通过联轴器6将电机10和转轴1连接在一起，支承转轴1两端的轴承座2、5通过螺栓固定在底座9上。多个叶盘转子14等间隔套接在转轴1上。

转轴加热系统包括加热系统和空气循环系统，加热系统的结构图如图4所示，由六边形外金属壳13、隔热层17、轴向端盖18和加热管15组成，加热管15通过六边形外金属壳13两侧的轴向端盖18的开孔固定，轴向端盖18上设有开孔，通过螺栓和六边形外金属壳13连接。加热管15沿轴向和周向布置，其中周向布置六个加热管15，六个加热管15可以独立设定加热温度，用于调整平台内温度，以及可以单独控制加热管15加热的数量、位置、时间等方法，转轴1在加热系统的六边形外金属壳13中形成足够的温度梯度。六边形外金属壳13内填充隔热层17，以防热量通过金属壳13向外扩散。

空气循环系统如图2所示，由空气增倍机(无叶风机)4、导风罩12、外壳11组成，空气倍增机4通过底部的螺栓固定在底座9上，导风罩12通过螺栓固定空气增倍机4的出风口，使空气增倍机4的风更高效率的吹向加热系统的通孔，提高在空气增倍机4的效果。外壳11通过螺栓固定在空气增倍机4的圆柱外壳上，转轴加热系统的六边形外金属壳13两侧通过螺栓固定在导风罩12上。两个导风罩12、外壳11、六边形外金属壳13以及内腔构成内循环风道，风道结构如图2所示，左右两个空气倍增机同方向安装，左边导风罩12为进风口，并与左边的空气倍增机进风口相连，右面导风罩12为出风口，连接于右侧空气倍增机的出风口，此出风口的空气通过外壳11与加热腔的间隙回到左边的进风口。本专利风道采用内循环风道，内循环风道可以有效减少热量散失，加快系统的空气流动，用于快速实现腔体内升温与降温，实现更大的转子的温度梯度。

温度检测系统包括转子表面温度检测和腔体内环境温度检测，如图4所示在腔体内通过六边形外金属壳13上布置激光温度传感器19和热敏电阻探头20，激光温度传感器19用于检测转轴表面圆周方向各个位置的温度；热敏电阻探头20用于检测腔体内环境温度以及腔内各个位置的温度梯度。另外，将热电偶温度传感器分布于被测转子表面，用于同步检测转子表面的温度，通过集流器将旋转轴上热电偶温度传感器的电信号传递到温度控制系统。集流器又称引电器，是安装在旋转构件上的电阻应变计和测量仪器之间，用来传递旋转构件的应变信号的器件。结构如图5所示，有滑环转子22和滑环定子23组成,转轴1上的传感器的电信号可以通过滑环转子22传到滑环定子23，再传到外部的设备中。

结合图6，该控制系统由计算机、总线控制器、数据采集器和隔离电路等硬件部分构成。其中数据采集器对温度检测系统的测试参数进行数据采集；其中热敏电阻探头20、位移传感器、激光温度传感器19、加速度传感器、光电传感器是安装在固定结构上的，可以直接进行数据采集，热电偶安装在转轴表面，用于检测转轴表面温度，所以需要通过集流器采集。计算机主要是对整个检测过程进行控制；隔离电路主要采用高隔离接口电路对计算机、总线控制器、数据采集器及加热系统进行高隔离。总线控制器主要完成计算机的控制指令和数据传输等功能。升、降温热交变载荷工况的实现，是通过调控加热管温度与空气增倍机的风速来实现，同时控制实现转速上升与升温工况关联以及转速的降低与降温工况关联，用以模拟实际发动机的热力学耦合状态。加速度传感器、位移传感器安装在转子系统中，用于检测转轴的位移加速度等，检测系统的运行状态。

如图1所示，在联轴器6附近装有光电传感器7，在联轴器6附近安装一条反光材料，每旋转一圈光电传感器7就会跳变一次，测出这个跳变频率，就能获得转速。在六边形金属外壳13上装有激光温度传感器19，激光温度传感器19可以得到温度关于时间的曲线，假设光电传感器7测得的转轴转速为n(r/min)或ω(rad/s)，转轴每秒转过的弧度为θ＝n·2π/60＝ω，假设激光温度传感器19的采样时间间隔为τ，则传感器每秒可以记录的温度次数为1/τ，每次记录温度转过的弧度θ₁＝nτ·2π/60＝ωτ。

如果需要实时检测转轴1表面各点的温度，可以根据结果需要，每转一圈在轴的截面上记录4、6、8点等点的温度，假设此次需要记录轴上N个点的温度分布，如下图7所示，可以得到每测试N个点中的任一点需间隔的时间为：

式(1)中的i对应于圆周上N个相位点，在激光温度传感器检测到的温度-时间连续曲线中，以Δt的时间间隔进行取点，即可分别获得转轴N个离散点的温度关于时间的N条曲线，如图8所示。通过这种方法，可以将激光温度传感器得到的温度曲线，转换为转轴截面上不同点的温度随时间的分布。

具体测试步骤为：首先对模拟转子进行动平衡试验，尽量消除转子初始不平衡引起的振动；开启加热设备，设定升温、降温、热交变以及停机冷却等载荷工况，分别进行测试与结果分析，开展此平台的多项性能验证。重点开展风速与加热管温度的最佳配合，获取实现多种给定热交变工况的实际控制参数；包括环境温度检测以及转子热边界载荷分布检测，测量转轴温度不均匀情况下的动力学特性。

Claims (9)

1.一种面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，其特征在于，包括：

旋转支撑机构，用于支撑被测旋转机械件，并带动被测旋转机械的旋转件；

加热系统，套接在被测旋转机械件外侧，用于对被测旋转机械件进行加热，形成温度梯度；

空气循环系统，套接在加热系统外侧，与加热系统内腔形成空气内循环风道，以加快内循环风道内的升温与降温，增大温度梯度；

温度检测系统，用于检测旋转支撑机构上多个位置的温度，加热系统腔体内环境温度以及腔内各个位置的温度梯度，以及被测旋转机械件表面的温度；

转速检测单元，用于检测旋转支撑机构的转速；

计算机，用于控制旋转支撑机构、加热系统、空气循环系统，并根据检测得到的转速和旋转支撑机构上多个位置的温度分布，计算得到转轴圆周方向上每个点的实时的温度变化。

2.根据权利要求1所述的面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，其特征在于，所述旋转支撑机构包括底座、电机、联轴器、转轴；

所述电机固定在底座上，电机通过联轴器和转轴连接；转轴两端通过固定在底座上的轴承座支撑；转轴用于支撑被测旋转机械件。

3.根据权利要求1所述的面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，其特征在于，所述加热系统包括多边形外壳，填充在多边形外壳内的隔热层；所述多边形外壳内等间隔的布置有多个加热管。

4.根据权利要求1所述的面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，其特征在于，所述空气循环系统包括空气增倍机、导风罩、外壳；

加热系统两侧固定有导风罩，导风罩固定空气增倍机的出风口，使空气增倍机的风吹向加热系统的内腔，外壳固定在空气增倍机的外壳上；所述外壳、导风罩与加热系统外壳和内腔构成内循环风道。

5.根据权利要求2所述的面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，其特征在于，所述温度检测系统包括布置在加热系统外壳上的激光温度传感器和热敏电阻探头（20），分布于被测旋转机械件表面的热电偶温度传感器，激光温度传感器（19）用于检测转轴表面圆周方向各个位置的温度；热敏电阻探头用于检测加热系统腔体内环境温度以及腔内各个位置的温度梯度，热电偶温度传感器用于同步检测被测旋转机械件表面的温度。

6.根据权利要求5所述的面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，其特征在于，所述热电偶温度传感器通过集流器将电信号传递到温度控制系统。

7.根据权利要求1所述的面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，其特征在于，还包括位移传感器和加速度传感器，分别用于检测旋转支撑机构的位移和加速度。

8.根据权利要求1所述的面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，其特征在于，所述转速检测单元采用光电传感器。

9.根据权利要求1所述的面向旋转机械的变温度场加载与检测系统，其特征在于，计算转轴圆周方向上每个点的实时的温度变化过程为：

光电传感器测得的转轴的转速为n或ω，设激光温度传感器的采样时间间隔为τ，记录转轴上N个点的温度分布，得到每测试N个点中的任一点需间隔的时间为：

式中的i对应于圆周上N个相位点，在激光温度传感器检测到的温度-时间连续曲线中，以Δt的时间间隔进行取点，即可分别获得转轴N个点的温度关于时间的N条曲线，将激光温度传感器得到的温度曲线，转换为转轴截面上不同点的温度随时间的分布。