CN116358786A - 一种透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置和测试方法，该动平衡测试装置包括外壳、设置在外壳内的气体轴承以及分别安装在外壳两侧的刻度盖板，其中气体轴承设置有中心穿槽，刻度盖板设置有与中心穿槽相对应的中心孔，透平膨胀机转子系统的转轴可转动地设置在中心穿槽内，且两端分别穿过对应的中心孔突出于对应的刻度盖板，刻度盖板上设置有刻度，转轴突出于刻度盖板的端部设置有零刻度标记；该动平衡测试装置可以将用于消除不平衡质量的位置暴露在外侧，并且直观指示不平衡质量的数据，借助动平衡测试装置上的刻度快速标记出不同尺寸的转子系统的不平衡质量所在角度位置。

Description

一种透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置和测试方法

技术领域

本发明涉及转子动平衡测试技术领域，特别是涉及一种透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置和测试方法。

背景技术

小型透平膨胀机是大型低温制冷装置中实现低温环境的关键部件之一，其中轴承转子系统又是小型低温透平膨胀机的重要子系统，转子在轴承内高速稳定的旋转，是小型低温透平膨胀机实现膨胀降温的重要保证。在小型透平膨胀机中，转子系统主要由驱动轮、转轴和制动轮三部分构成。转子系统的不平衡质量是导致小型透平膨胀机的转子在高转速条件下失稳的重要因素之一，由于材料密度分布不均匀和机械加工等因素造成了转子质心不在几何中心上，转子围绕几何中心高速旋转时，不平衡质量会产生离心力，离心力随着转速增加而快速增大，当离心力大于轴承提供的气膜力时，造成转子系统在气体轴承内失稳。因此消除转子系统的不平衡质量，是保证转子系统具有良好的转子动力学特性，实现转子在小型透平膨胀机内高速稳定的旋转的重要保障。

目前在正样的小型透平膨胀机中，转子系统漏出机芯外侧的可用来消除不平衡质量的空间极小。在小型透平膨胀机转子系统消除不平衡质量过程中，无法快速准确找到不平衡质量所在的位置。

发明内容

本发明的一目的是，提供一种透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置和测试方法，该动平衡测试装置能够快速、直观地标记透平膨胀机转子系统的不平衡质量，为透平膨胀机转子系统的动平衡测试和调节提供支持。

本发明在一方面提供了一种透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置，包括外壳、设置在外壳内的气体轴承以及分别安装在外壳两侧的刻度盖板，其中所述气体轴承设置有中心穿槽，所述刻度盖板设置有与所述中心穿槽相对应的中心孔，透平膨胀机转子系统的转轴可转动地设置在所述中心穿槽内，且两端分别穿过对应的中心孔突出于对应的刻度盖板，所述刻度盖板上设置有刻度，所述转轴突出于所述刻度盖板的端部设置有零刻度标记，所述动平衡测试装置用于通过在所述转轴转动时的零刻度标记在所述刻度盖板上的指示位置标记透平膨胀机转子系统的不平衡质量。

在本发明的一实施例中，所述气体轴承具有均连接于外部高压气源的径向供气孔和轴向供气孔，以使得所述转轴在径向和轴向方向悬浮。

在本发明的一实施例中，所述气体轴承为两个，两个所述气体轴承由所述外壳两侧的两个所述刻度板压紧固定。

在本发明的一实施例中，两个所述刻度盖板的零刻度保持平行且方向一致，且两个刻度盖板的刻度的刻度值递增方向相反，所述转轴的所述零刻度标记与两个所述刻度盖板的零刻度保持相同方向。

在本发明的一实施例中，两个所述刻度板分别通过多个第一固定件固定在所述外壳的两端。

在本发明的一实施例中，所述透平膨胀机转子系统还包括分别设置在所述转轴两端的驱动轮和制动轮，其中所述制动轮通过第二固定件固定在所述转轴上，所述第二固定件设置有所述零刻度标记。

在本发明的一实施例中，所述动平衡测试装置的设置在靠近于所述制动轮的一侧的刻度盖板的刻度按逆时针方向递增，设置在靠近于所述驱动轮的一侧的刻度盖板的刻度按照顺时针方向递增。

在本发明的一实施例中，所述第一固定件和所述第二固定件为螺栓或螺钉。

本发明在另一方面还提供了一种小型透平膨胀机动平衡测试方法，包括采用所述透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置执行的以下方法：

驱动转轴转动，通过所述转轴的零刻度标记在刻度盖板上的指示位置标记透平膨胀机转子系统在驱动轮侧的不平衡质量；

通过去重法或者加重法配平所述动平衡测试装置所显示的不平衡质量；

再次驱动所述转轴转动，通过所述转轴的零刻度标记判断透平膨胀机转子系统在驱动轮侧的不平衡质量是否达到要求；

根据前述同样操作，测试透平膨胀机转子系统在制动轮侧的不平衡质量是否达到要求；

最后检测透平膨胀机转子系统的不平衡质量在驱动轮侧和制动轮侧是否同时达到要求。

在本发明的一实施例中，其中在透平膨胀机转子系统的驱动轮侧和制动轮侧的零刻度标记指示的不平衡质量的角度相一致时，判定透平膨胀机转子系统的不平衡质量达到要求。

本发明的所述动平衡测试装置能够将透平膨胀机转子系统在径向和轴向两个方向上悬浮起来，转子系统的转轴在较高转速条件下，将离心力传递给所述动平衡测试装置。所述动平衡测试装置可以将用于消除不平衡质量的位置暴露在外侧，并且直观指示不平衡质量的数据，借助所述动平衡测试装置上的刻度快速标记出不同尺寸的转子系统的不平衡质量所在角度位置，有利于为透平膨胀机转子系统的动平衡测试和调节提供支持。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为本发明的一优选实施例的所述透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置的剖视示意图。

图2为本发明的所述透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置的制动轮侧的俯视示意图。

图3为本发明的所述透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置的驱动轮侧的俯视示意图。

图4为透平膨胀机转子系统的立体结构示意图。

图5为本发明的所述透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置的气体轴承的剖视示意图。

附图标号说明：外壳1；气体轴承2；中心穿槽21；刻度盖板3；零刻度31；中心孔32；第一固定件4；透平膨胀机转子系统5；转轴51；驱动轮52；制动轮53；第二固定件54。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明旨在提供一种在小型透平膨胀机在所述动平衡测试装置上测试转子系统的不平衡质量过程中，可以建立转子系统和所述动平衡测试装置之间的联系，并且快速标注多种尺寸转子系统的不平衡量位置的装置。如图1至图5所示，根据本发明的一优选实施例的一种透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置的具体结构被阐明。

具体地，如图1所示，所述透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置包括外壳1、设置在外壳1内的气体轴承2以及分别安装在外壳1两侧的刻度盖板3，其中所述气体轴承2设置有中心穿槽21，所述刻度盖板3设置有与所述中心穿槽21相对应的中心孔32，透平膨胀机转子系统5的转轴51可转动地设置在所述中心穿槽21内，且两端分别穿过对应的中心孔32突出于对应的刻度盖板3，所述刻度盖板3上设置有刻度，所述转轴51突出于所述刻度盖板3的端部设置有零刻度标记，所述零刻度标记用于在所述转轴51转动时指示透平膨胀机转子系统5的不平衡质量的角度。

特别地，所述气体轴承2具有均连接于外部高压气源的径向供气孔和轴向供气孔，以使得所述转轴51在径向和轴向方向悬浮。

也就是说，通过所述气体轴承2的径向供气孔和轴向供气孔通入的气体，本发明的所述动平衡测试装置能够将透平膨胀机转子系统5在径向和轴向两个方向上悬浮起来，转子系统的转轴51在较高转速条件下，将离心力传递给所述动平衡测试装置。所述动平衡测试装置通过在所述转轴51转动时的零刻度标记在所述刻度盖板3上的指示位置标记透平膨胀机转子系统5的不平衡质量。

值得一提的是，所述动平衡测试装置的两个所述刻度盖板3的零刻度31保持平行且方向一致，比如同时指向12点钟方向，且两个刻度盖板3的刻度的刻度值递增方向相反，所述转轴51的所述零刻度标记与两个所述刻度盖板3的零刻度31保持相同方向。

还值得一提的是，两个所述刻度板分别通过多个第一固定件4固定在所述外壳1的两端。在本发明的这一具体实施例中，所述气体轴承2为两个，两个所述气体轴承2由所述外壳1两侧的两个所述刻度板压紧固定，所述气体轴承2的具体结构如图1和图5所示。

特别地，所述转轴51的长度大于所述气体轴承2和所述外壳1，从而能够形成两端突出于对应的刻度盖板3的状态。可以理解的是，通过更换不同尺寸(包括内径尺寸和长度)的所述气体轴承2，可以满足对不同尺寸的转子系统的动平衡测试需求。

进一步地，如图2至图4所示，所述透平膨胀机转子系统5还包括分别设置在所述转轴51两端的驱动轮52和制动轮53，其中所述制动轮53通过第二固定件54固定在所述转轴51上，所述第二固定件54设置有所述零刻度标记。

应该理解的是，所述转轴51的所述零刻度标记可以是设置在所述转轴51的末端的任一种部件上，如驱动轮52、制动轮53、固定螺栓等，只需可以在所述转轴51转动时指示对应的角度即可，本发明对此不作限制。

在这一具体实施例中，所述零刻度标记设置在所述第二固定件54上，所述第二固定件54的所述零刻度标记与两个所述刻度盖板3的零刻度31保持相同方向，以此作为动平衡测试的初始位置。

可选地，所述第一固定件4和所述第二固定件54为螺栓或螺钉，在这一具体实施例中，所述第一固定件4和所述第二固定件54均采用螺栓。

值得一提的是，在本发明的这一具体实施例中，所述动平衡测试装置的设置在靠近于所述制动轮53的一侧的刻度盖板3的刻度按逆时针方向递增，设置在靠近于所述驱动轮52的一侧的刻度盖板3的刻度按照顺时针方向递增。

可以理解的是，通过在所述转轴51转动时的所述零刻度标记指示的角度位置，可以直观地读出透平膨胀机转子系统5的不平衡质量对应的角度，以此通过去重法或者加重法能够配平所述透平膨胀机转子系统5的不平衡质量，消除所述透平膨胀机转子系统5的不平衡质量，有利于保证转子系统具有良好的转子动力学特性，实现转子在小型透平膨胀机内高速稳定的旋转。

值得一提的是，在本发明中，动平衡去重法可以采用镗削、钻孔、凿削、铣削、磨削等方式；动平衡加重法可以采用焊接、锡焊、铆接、拧螺钉、配加重块等方式。

所述透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置的使用方法如下：

将所有零件按照图1所示安装完毕，两个所述刻度盖板3在所述第一固定件4的作用下，固定在所述外壳1上，同时两个所述刻度盖板3将两个所述气体轴承2压紧，所述转轴51可以在两个所述气体轴承2预留的间隙中微微移动。所述转轴51可以在两个所述气体轴承2产生的气膜润滑作用下，在径向和轴向悬浮，悬浮后的所述转轴51与所述气体轴承2之间几乎无摩擦，在所述驱动轮52被驱动高速旋转时，所述驱动轮52可以带动所述转轴51和所述制动轮53一起高速旋转，完全可以达到所述动平衡测试装置测试要求的转速。

可以理解的是，由所述驱动轮52、所述转轴51和所述制动轮53组成的转子系统，由于机械加工或材料密度不均引起的不平衡质量，在高速旋转状态下，转子系统会产生离心力，所述动平衡测试装置可以测得转子系统分别在驱动轮52侧和制动轮53侧的不平衡质量的大小和角度，测试方法如下：

通过所述动平衡测试装置测量转子系统分别在驱动轮52侧的不平衡质量的大小和角度，根据所述动平衡测试装置指示的角度位置，可以通过刻度盘快速标记出不平衡质量在驱动轮52侧的角度位置，通过去重法或者加重法配平所述动平衡测试装置所显示的不平衡质量，再次通过所述动平衡测试装置测量转子系统在制动轮53侧的不平衡质量是否达到要求；同样的操作，测试转子系统在制动轮53侧的不平衡质量是否达到要求；最后检测转子系统的不平衡质量在驱动轮52侧和制动轮53两侧是否同时达到要求。

也就是说，本发明在另一方面还提供了一种小型透平膨胀机动平衡测试方法，包括采用所述透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置执行的以下方法：

驱动转轴51转动，通过所述转轴51的零刻度标记在刻度盖板3上的指示位置标记透平膨胀机转子系统5在驱动轮52侧的不平衡质量；

通过去重法或者加重法配平所述动平衡测试装置所显示的不平衡质量；

再次驱动所述转轴51转动，通过所述转轴51的零刻度标记判断透平膨胀机转子系统5在驱动轮52侧的不平衡质量是否达到要求；

根据前述同样操作，测试透平膨胀机转子系统5在制动轮53侧的不平衡质量是否达到要求；

最后检测透平膨胀机转子系统5的不平衡质量在驱动轮52侧和制动轮53侧是否同时达到要求。

应该理解的是，其中在透平膨胀机转子系统5的驱动轮52侧和制动轮53侧的零刻度标记指示的不平衡质量的角度相一致时，判定透平膨胀机转子系统5的不平衡质量达到要求，此时所述透平膨胀机转子系统5的不平衡质量被完全消除。

总的来讲，本发明的所述动平衡测试装置能够将透平膨胀机转子系统5在径向和轴向两个方向上悬浮起来，转子系统的转轴51在较高转速条件下，将离心力传递给所述动平衡测试装置。所述动平衡测试装置可以将用于消除不平衡质量的位置暴露在外侧，并且直观指示不平衡质量的数据，借助所述动平衡测试装置上的刻度快速标记出不同尺寸的转子系统的不平衡质量所在角度位置，有利于为透平膨胀机转子系统5的动平衡测试和调节提供支持。而且，所述动平衡测试装置通过更换不同尺寸的气体轴承2，可以满足不同尺寸的转子系统的动平衡测试需求。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置，其特征在于，包括外壳、设置在外壳内的气体轴承以及分别安装在外壳两侧的刻度盖板，其中所述气体轴承设置有中心穿槽，所述刻度盖板设置有与所述中心穿槽相对应的中心孔，透平膨胀机转子系统的转轴可转动地设置在所述中心穿槽内，且两端分别穿过对应的中心孔突出于对应的刻度盖板，所述刻度盖板上设置有刻度，所述转轴突出于所述刻度盖板的端部设置有零刻度标记，所述动平衡测试装置用于通过在所述转轴转动时的零刻度标记在所述刻度盖板上的指示位置标记透平膨胀机转子系统的不平衡质量。

2.根据权利要求1所述的透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置，其特征在于，所述气体轴承具有均连接于外部高压气源的径向供气孔和轴向供气孔，以使得所述转轴在径向和轴向方向悬浮。

3.根据权利要求2所述的透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置，其特征在于，所述气体轴承为两个，两个所述气体轴承由所述外壳两侧的两个所述刻度板压紧固定。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置，其特征在于，两个所述刻度盖板的零刻度保持平行且方向一致，且两个刻度盖板的刻度的刻度值递增方向相反，所述转轴的所述零刻度标记与两个所述刻度盖板的零刻度保持相同方向。

5.根据权利要求4所述的透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置，其特征在于，两个所述刻度板分别通过多个第一固定件固定在所述外壳的两端。

6.根据权利要求4所述的透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置，其特征在于，所述透平膨胀机转子系统还包括分别设置在所述转轴两端的驱动轮和制动轮，其中所述制动轮通过第二固定件固定在所述转轴上，所述第二固定件设置有所述零刻度标记。

7.根据权利要求6所述的透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置，其特征在于，所述动平衡测试装置的设置在靠近于所述制动轮的一侧的刻度盖板的刻度按逆时针方向递增，设置在靠近于所述驱动轮的一侧的刻度盖板的刻度按照顺时针方向递增。

8.根据权利要求7所述的透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置，其特征在于，所述第一固定件和所述第二固定件为螺栓或螺钉。

9.一种小型透平膨胀机动平衡测试方法，其特征在于，包括采用根据权利要求1至8中任一项所述的透平膨胀机转子系统的动平衡测试装置执行的以下方法：

驱动转轴转动，通过所述转轴的零刻度标记在刻度盖板上的指示位置标记透平膨胀机转子系统在驱动轮侧的不平衡质量；

通过去重法或者加重法配平所述动平衡测试装置所显示的不平衡质量；

再次驱动所述转轴转动，通过所述转轴的零刻度标记判断透平膨胀机转子系统在驱动轮侧的不平衡质量是否达到要求；

根据前述同样操作，测试透平膨胀机转子系统在制动轮侧的不平衡质量是否达到要求；

最后检测透平膨胀机转子系统的不平衡质量在驱动轮侧和制动轮侧是否同时达到要求。

10.根据权利要求9所述的小型透平膨胀机动平衡测试方法，其特征在于，其中在透平膨胀机转子系统的驱动轮侧和制动轮侧的零刻度标记指示的不平衡质量的角度相一致时，判定透平膨胀机转子系统的不平衡质量达到要求。

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