CN205940845U - 一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计 - Google Patents

Abstract

一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计，涉及燃气轮机高压转子轴向力测量领域。本实用新型是为了解决现有只能测量燃气轮机整体的轴向力，缺少准确测量燃气轮机高压转子的轴向力的设备的问题。弹性元件为圆环型，弹性元件外表面上设有一个凸起，凸起上有通孔，通孔将弹性元件与高压转子轴承固定，弹性元件两端端面上均设有凸台，在每个端面上的每相邻的两个凸台之间连接一个电阻应变单元，每个电阻应变单元包括工作应变片和补偿应变片，工作应变片，用于测量弹性元件轴向上的力，补偿应变片，用于测量弹性元件切向上的力；应变测量仪将电阻应变单元的电阻的变化转换为电信号的变化，并以应变值的形式输出。用于测量高压转子轴向力。

Description

一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计

技术领域

本实用新型涉及一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计。属于燃气轮机高压转子轴向力测量领域。

背景技术

燃气轮机高压转子轴向力是燃气轮机结构设计中的重要指标之一。燃气轮机要求高压转子部分压力平衡系统应提供合适的单向轴向载荷，以保证燃气轮机高压转子在所有功率状态下工作时，不会因轴向力过大甚至超过止推轴承所允许的负荷而导致高压轴承损伤，也不会因轴向力过小甚至方向变换而引起高压轴承轻载打滑蹭伤，使轴承能在设计使用寿命期内满意地工作。传统的测量轴向力方法是通过测量压气机卸荷腔的压力来间接判定轴向力的大小。这种测量方法简单，但准确性差，只能测量燃气轮机整体的轴向力，不能准确测量燃气轮机的低压转子、高压转子、高低压涡轮转子等各个部分的轴向力，根据不同试验结果对各个部分轴向力进行有效调整，而且此种方法还需要进行大量的试验验证后，才可用应用。这对长寿命的地面燃气轮机来说，难以实现。因此，如何设计一种准确测定高压转子轴向力的传感器，使其结构与高压轴承座结构相匹配，通过测试结果能够精确反馈调整高压转子轴向力，对燃气轮机研制过程中是的一项非常重要工作。

实用新型内容

本实用新型是为了解决现有只能测量燃气轮机整体的轴向力，缺少准确测量燃气轮机高压转子的轴向力的设备的问题。现提供一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计。

一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计，它包括传感器和应变测量仪，

传感器包括弹性元件和电阻应变单元，

弹性元件为圆环型结构，弹性元件的外表面上设置有一个凸起，该凸起上设置有通孔，所述凸起用于与高压转子轴承的凹槽配合，通过所述通孔将弹性元件紧密设置在高压转子轴承内外环之间的凹槽中，

所述凸起与弹性元件为一体件结构，

弹性元件两端的端面上均匀设置有相同数目的凸台，且两端端面上的凸台交错分布，位于所述弹性元件的同一端面上的多个凸台沿所述弹性元件的内环均匀分布；

凸台的上表面和下表面平行，凸台的下表面固定设置在弹性元件的内环上；

位于弹性元件的内环上的同一端面上的相邻的两个凸台之间为凹槽，在所述凹槽的底面上固定设置有电阻应变单元；

每个电阻应变单元包括工作应变片和补偿应变片，

工作应变片，用于测量所述弹性元件轴向上的力，

补偿应变片，用于测量所述弹性元件切向上的力；工作应变片和补偿应变片具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数和初始电阻值；

所述电阻应变单元中的工作应变片和补偿应变片以半桥的方式连接成一个应变片组，

应变测量仪用于将电阻应变单元的电阻的变化转换为电信号的变化，并以应变值的形式输出。

优选地，工作应变片和补偿应变片均为金属箔式电阻应变片。

优选地，工作应变片和补偿应变片均为高温应变片。

优选地，传感器还包括高温导线，

工作应变片和补偿应变片通过高温导线连接。

优选地，应变测量仪采用动态采集系统实现。

本实用新型的有益效果为：

使用与燃气轮机高压转子轴承相配合的弹性元件，在弹性元件上设置有一凸起，通过凸起上的通孔将弹性元件紧密设置在高压转子轴承内外环之间的凹槽中，在弹性元件内环的两端的端面上分别设置凸台，且两端端面上的凸台交错设置，弹性元件的凸台的两侧分别为受压侧和受拉侧。工作应变片受到轴向的压力或者拉力后，其内部的敏感栅发生机械形变，工作应变片的电阻值相应地发生变化。弹性敏感元件受到的切向力和外部温度的变化均会对轴向力的测量结果造成影响，本实用新型通过设置补偿应变片，能够消除该影响。应变测量仪用于将电阻应变单元的电阻变化转换为电信号的变化，并以应变值的形式输出。根据弹性力学原理，将应变值转换为轴向力，从而实现了对燃气轮机低压转子的轴向力的直接测量。

附图说明

图1为弹性元件受拉侧的平面示意图；

图2为弹性元件受压侧的平面示意图；

图3为电阻应变单元的粘贴位置示意图；

图4为弹性元件受拉侧的一个半桥测量电路的示意图；

图5为弹性元件受压侧的一个半桥测量电路的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计，它包括传感器和应变测量仪，

传感器包括弹性元件1和电阻应变单元2，

弹性元件1为圆环型结构，弹性元件1的外表面上设置有一个凸起1-1，该凸起1-1上设置有通孔，所述凸起1-1用于与高压转子轴承的凹槽配合，通过所述通孔将弹性元件1紧密设置在高压转子轴承内外环之间的凹槽中，

所述凸起1-1与弹性元件1为一体件结构，

弹性元件1两端的端面上均匀设置有相同数目的凸台1-2，且两端端面上的凸台1-2交错分布，位于所述弹性元件1的同一端面上的多个凸台1-2沿所述弹性元件1的内环均匀分布；

凸台1-2的上表面和下表面平行，凸台1-2的下表面固定设置在弹性元件1的内环上；

位于弹性元件1的内环上的同一端面上的相邻的两个凸台之间为凹槽，在所述凹槽的底面上固定设置有电阻应变单元2；

每个电阻应变单元2包括工作应变片2-1和补偿应变片2-2，

工作应变片2-1，用于测量所述弹性元件1轴向上的力，

补偿应变片2-2，用于测量所述弹性元件1切向上的力；工作应变片和补偿应变片具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数和初始电阻值；

所述电阻应变单元2中的工作应变片2-1和补偿应变片2-2以半桥的方式连接成一个应变片组，

应变测量仪用于将电阻应变单元2的电阻的变化转换为电信号的变化，并以应变值的形式输出。

本实施方式中，弹性元件1的凸台收到挤压产生变形，从而电阻应变单元就会产生电阻的变化。

本实施方式中，图1是弹性元件受拉侧的平面示意图，在弹性元件受拉侧的凹槽中，设置有6个电阻应变单元。其中，1PT、2PT、3PT、4PT、5PT和6PT分别为受拉侧的第一工作应变片、第二工作应变片、第三工作应变片、第四工作应变片、第五工作应变片和第六工作应变片。1KT、2KT、3KT、4KT、5KT和6KT分别为受拉侧的第一补偿应变片、第二补偿应变片、第三补偿应变片、第四补偿应变片、第五补偿应变片和第六补偿应变片。

图2是弹性元件受压侧的平面示意图，在弹性元件受压侧的凹槽中，设置有6个电阻应变单元。其中，1PC、2PC、3PC、4PC、5PC和6PC分别为受压侧的第一工作应变片、第二工作应变片、第三工作应变片、第四工作应变片、第五工作应变片和第六工作应变片。1KC、2KC、3KC、4KC、5KC和6KC分别为受压侧的第一补偿应变片、第二补偿应变片、第三补偿应变片、第四补偿应变片、第五补偿应变片和第六补偿应变片。

图3是电阻应变单元粘贴在两个凸台之间的弹性元件外环上的位置示意图；在凹槽的底面的中间位置设置有电阻应变单元。该电阻应变单元包括工作应变片2-1和补偿应变片2-2。工作应变片2-1和补偿应变片2-2均通过高温胶粘剂粘贴在凹槽的底面上。在粘贴应变片的过程中，需要避免应变片与凹槽2的底面之间出现气泡，以免影响测量结果。工作应变片3和补偿应变片4具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数和初始电阻值。工作应变片2-1和补偿应变片2-2均为高温应变片。工作应变片2-1和补偿应变片2-2均为金属箔式电阻应变片。

在测量燃气轮机低压转子上的轴向力时，弹性元件被紧密地设置在高压转子轴承内外环之间的凹槽中。通过将弹性元件与动态应变测量仪相连接，形成四个半桥测量电路。

图4是弹性元件受拉侧的一个半桥测量电路的示意图；弹性元件受压侧的第一工作应变片1PT、第二工作应变片2PT、第三工作应变片3PT、第一补偿应变片1KT、第二补偿应变片2KT、第三补偿应变片3KT、应变测量仪的第二工作电阻R2和第一工作电阻R1构成回路。U是应变测量仪施加给该回路的电压，U₀是应变测量仪对该回路的实测电压。

图5为弹性元件受压侧的一个半桥测量电路的示意图；弹性敏感元件受压侧的第一工作应变片1PC、第二工作应变片2PC、第三工作应变片3PC、第一补偿应变片1KC、第二补偿应变片2KC、第三补偿应变片3KC、应变测量仪的第四工作电阻R4和第三工作电阻R3构成回路。U₁是应变测量仪施加给该回路的电压，U₂是应变测量仪对该回路的实测电压。

工作应变片2-1和补偿应变片2-2之间、应变片与应变测量仪的工作电阻之间均通过高温导线相连接。

本实施方式中，弹性元件为经过处理的高强度钢，形状为圆环型，内径与转子推力轴承内径接近，外径略小于轴承外径。弹性元件轴向两边均布凸台，两边凸台交错分布，凸台高度H、宽度a、凸台个数n以及弹性元件高度h、径向宽度b均由转子轴向力测量范围决定。在弹性元件各项参数都选定后，在弹性元件轴向每个端面上(拉压两侧)相邻的两个凸台中间位置粘贴高温应变片，高温应变片分为工作应变片和补偿应变片，粘贴高温应变片过程中，使用高温胶粘剂，控制粘贴应变片过程加载力以及温度，避免产生气泡。根据设计原理将工作应变片和补偿应变片以半桥的方式连接成四组相互独立的应变片组，并与高温导线连接。

本实施方式中，按照附图3中应变片粘贴方式，分别在附图1和2中弹性元件每端面上的相邻两个凸台1-1之间粘贴工作应变片和补偿应变片，将粘接好的工作应变片和补偿应变片通过高温导线串联，按照附图4和附图5中半桥连接方式形成四组独立应变信号输出的传感器，

根据弹性力学原理，弹性敏感元件受到轴向载荷时，相当于在弹性敏感元件的单跨终点施加应力集中。在已知弹性敏感元件的桥臂高度h、桥臂宽度b、相邻的两个凸台间跨度l和弹性模量E时，通过力学计算公式可知：

$P_L=\frac{16{\mathrm{eEbh}}^4}{l^3}---\left(1\right)$

公式(1)中，P_L为轴向力，e为应变。

本实施方式中，试验开始前，根据实际测量条件，使用压力试验机对高压传感器进行标定，消除试验误差。获得传高压感器应变量与轴向力之间对应关系。

根据燃气轮机机组型号，将传感器安装在高压转子轴承相应位置，传感器与应变仪、信号处理系统相连接，组成高压转子轴向力测试系统。测试过程中，根据传感器应变输出值，通过传感器应变量与高压转子轴向力之间对应关系，将测得的应变值转化成高压转子轴向力。同时将机组转速信号与高压转子轴向力信号接入信号处理系统，得到任意转速下的不同角度的高压转子轴向力数值。根据高压转子轴向力数值判定高压转子轴向载荷是否合适，从而实现对机组高压转子轴向载荷进行精确调整。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计进一步说明，本实施方式中，工作应变片2-1和补偿应变片2-2均为金属箔式电阻应变片。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计进一步说明，本实施方式中，工作应变片2-1和补偿应变片2-2均为高温应变片。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计进一步说明，本实施方式中，传感器还包括高温导线3，

工作应变片2-1和补偿应变片2-2通过高温导线连接。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计进一步说明，本实施方式中，应变测量仪采用动态采集系统实现。

Claims (5)

1.一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计，其特征在于，它包括传感器和应变测量仪，

传感器包括弹性元件(1)和电阻应变单元(2)，

弹性元件(1)为圆环型结构，弹性元件(1)的外表面上设置有一个凸起(1-1)，该凸起(1-1)上设置有通孔，所述凸起(1-1)用于与高压转子轴承的凹槽配合，通过所述通孔将弹性元件(1)紧密设置在高压转子轴承内外环之间的凹槽中，

所述凸起(1-1)与弹性元件(1)为一体件结构，

弹性元件(1)两端的端面上均匀设置有相同数目的凸台(1-2)，且两端端面上的凸台(1-2)交错分布，位于所述弹性元件(1)的同一端面上的多个凸台(1-2)沿所述弹性元件(1)的内环均匀分布；

凸台(1-2)的上表面和下表面平行，凸台(1-2)的下表面固定设置在弹性元件(1)的内环上；

位于弹性元件(1)的内环上的同一端面上的相邻的两个凸台之间为凹槽，在所述凹槽的底面上固定设置有电阻应变单元(2)；

每个电阻应变单元(2)包括工作应变片(2-1)和补偿应变片(2-2)，

工作应变片(2-1)，用于测量所述弹性元件(1)轴向上的力，

补偿应变片(2-2)，用于测量所述弹性元件(1)切向上的力；工作应变片和补偿应变片具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数和初始电阻值；

所述电阻应变单元(2)中的工作应变片(2-1)和补偿应变片(2-2)以半桥的方式连接成一个应变片组，

应变测量仪用于将电阻应变单元(2)的电阻的变化转换为电信号的变化，并以应变值的形式输出。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计，其特征在于，工作应变片(2-1)和补偿应变片(2-2)均为金属箔式电阻应变片。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计，其特征在于，工作应变片(2-1)和补偿应变片(2-2)均为高温应变片。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计，其特征在于，传感器还包括高温导线(3)，

工作应变片(2-1)和补偿应变片(2-2)通过高温导线连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量燃气轮机高压转子轴向力的测力计，其特征在于，应变测量仪采用动态采集系统实现。