CN211086528U - 一种用于高速发电机的试验台系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种用于高速发电机的试验台系统，包括空气压缩机、蓄压器、高压输气管、冲压涡轮，所述空气压缩机将空气加压后通过高压输气管输送到蓄压器中储存，蓄压器将后将存储的空气输入到冲压涡轮，冲压涡轮带动高速电机转子旋转，高速电机定子与示波器连接检测高速电机转子转速。本实用新型结构简单所以建设时间要求短，实验台参数在满足了实验要求的同时保证了试验台的安全性。

Description

一种用于高速发电机的试验台系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于高速发电机的试验台系统。

背景技术

近年来，我国航空航天事业取得了巨大进步，特别是“十二五规划”以来，国家加大了对航空航天相关领域研发的投资。作为一切设备的动力来源发电机自然受到更多研究人员的重视，特别是高速发电机。其中对用于航空航天领域的高速发电机研发取得了一定的成绩。

用于航空航天方向的发电机往往对其效率有较高的要求。当前提高发电机功率密度的主要方法是提高发电机的转速，从而提升发电机功重比。对高速发电机的研发逐步受到研究所、科学院和高校等研究单位的重视。当研发出一个全新的高速发电机时，往往需要对高速发电机在规定转速下的输出性能进行测试，保证能在规定的时间内保持转速和扭矩的稳定。对高速发电机的性能测试离不开试验台，当前，高速发电机试验台研发已经有一定的基础，其中试验台的核心是使发电机达到指定转速。通过分析和总结现有高速发电机试验台资料知，通过高速电机直驱、低速电机配增速齿轮箱、冲压涡轮等方案均可实现较高转速。比如可采用高速电机直接驱动TFY800交流发电机，该方案的优点是转速可控、精度高、稳定性好，其缺点为建设的成本高和周期长，再比如采用低速电机配增速齿轮箱驱动TFY800交流发电机，本方案的优点为转速可控、稳定性好，但其缺点较为明显，主要存在以下问题：噪声大、振动大、结构复杂和成本高等缺点。综上所述，对高速发电机试验台研发显得尤为必要，特别是用于TFY800交流发电机测试的试验台在国内还没有成品。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于高速发电机的试验台系统。

本实用新型通过以下技术方案得以实现。

本实用新型提供的一种用于高速发电机的试验台系统，包括空气压缩机、蓄压器、高压输气管、冲压涡轮，所述空气压缩机将空气加压后输通过高压输气管输送到蓄压器中储存，蓄压器将后将存储的空气输入到冲压涡轮，冲压涡轮带动高速电机转子旋转，高速电机定子与示波器连接检测高速电机转子转速。

所述高速电机和冲压涡轮通过支撑轴承安装在密闭外壳内，轴承润滑系统对轴承泵入润滑油。

所述空气压缩机排气量模型选择公式为：

Q＝(F₁·Z₁·n₁+F₂·Z₂·n₂)·L·ε·δ

式中，Q为排气量(m3/min)，F1为阳转子两个齿间面积(m2),F2 为阴转子两个齿间面积(m2)，Z1，Z2分别为阳阴转子齿数，L为转子长度(m)，n1、n2为阳阴转子每分钟转数，ε为泄漏的供气系数，下取0.85-0.92，δ为选择误差的裕度系数，取1.05-1.12。

所述冲压涡轮叶轮模型选择步骤为：

①、根据目标转速计算涡轮机片膨胀比ER；

②、根据需求的气体流量计算涡轮的输出功率Ne；

③、根据需求的冲压涡轮出口温度计算涡轮轮径。

所述涡轮机片膨胀比计算公式为：

式中，T_a＝288K为空气参考温度，p_a＝101325pa为标准大气压强， C_p＝1009、γ＝1.3969、μ、c₀为叶轮模型参数，n＝125000rpm为涡轮目标转速，T_in＝373K为叶轮出入口空气温度，ER为涡轮机片膨胀比。

所述涡轮的输出功率Ne计算公式为：

Ne＝263.65878×m×[1-(1/ER)^0.284]

式中，Ne为输出功率，m为目标气体流量。

所述压缩空气经过涡轮为多变膨胀过程，相应的数学模型表达式为：

T1，T2分别为涡轮机进出口状态参数，k＝1.4为多变指数，P1/P2 为膨胀比。

所述冲压涡轮进气管上还安装有单向节流阀来调节冲压涡轮的进气流量。

所述单向节流阀的流量随安装在发电机上的示波器读数变化。

本实用新型的有益效果在于：结构简单所以建设时间要求短，实验台参数在满足了实验要求的同时保证了试验台的安全性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

具体实施方式

下面进一步描述本实用新型的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

一种用于高速发电机的试验台系统，包括空气压缩机、蓄压器、高压输气管、冲压涡轮，所述空气压缩机将空气加压后输通过高压输气管输送到蓄压器中储存，蓄压器将后将存储的空气输入到冲压涡轮，冲压涡轮带动高速电机转子旋转，高速电机定子与示波器连接检测高速电机转子转速。

所述高速电机和冲压涡轮通过支撑轴承安装在密闭外壳内，轴承润滑系统对轴承泵入润滑油。

所述空气压缩机排气量模型选择公式为：

Q＝(F₁·Z₁·n₁+F₂·Z₂·n₂)·L·ε·δ

式中，Q为排气量(m3/min)，F1为阳转子两个齿间面积(m2),F2 为阴转子两个齿间面积(m2)，Z1，Z2分别为阳阴转子齿数，L为转子长度(m)，n1、n2为阳阴转子每分钟转数，ε为泄漏的供气系数，下取0.85-0.92，δ为选择误差的裕度系数，取1.05-1.12。

所述冲压涡轮叶轮模型选择步骤为：

①、根据目标转速计算涡轮机片膨胀比ER；

②、根据需求的气体流量计算涡轮的输出功率Ne；

③、根据需求的冲压涡轮出口温度计算涡轮轮径。

所述涡轮机片膨胀比计算公式为：

式中，T_a＝288K为空气参考温度，p_a＝101325pa为标准大气压强， C_P＝1009、γ＝1.3969、μ、c₀为叶轮模型参数，n＝125000rpm为涡轮目标转速，T_in＝373K为叶轮出入口空气温度，ER为涡轮机片膨胀比。

所述涡轮的输出功率Ne计算公式为：

Ne＝263.65878×m×[1-(1/ER)^0.284]

式中，Ne为输出功率，m为目标气体流量。

所述压缩空气经过涡轮为多变膨胀过程，相应的数学模型表达式为：

T1，T2分别为涡轮机进出口状态参数，k＝1.4为多变指数，P1/P2 为膨胀比。

所述冲压涡轮进气管上还安装有单向节流阀来调节冲压涡轮的进气流量。

所述单向节流阀的流量随安装在发电机上的示波器读数变化，示波器与单片机微控制器(单片机)。示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，利用示波器能观察不同信号幅度随时间变化的波形曲线，用其来检测定子电压的频率，采用通用研发型示波器即可达到要求；单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM等集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，可采用类似 STC89C51RC-DIP类的单片机。

本申请发电机转速为14万，转高速试验台系统由空气压缩机、蓄压器、耐高压输气管、冲压涡轮、支撑轴承、轴承润滑系统以及消音器等组成，冲压涡轮采用汽车使用的涡轮增压器，空气压缩机将高压气体储存在蓄压器里，蓄压器中高压气体通过管道进入涡轮增压器带动涡轮作高速旋转，同时与涡轮相连的转子也做同步的高转速旋转，利用示波器测出发电机定子电压频率并换算为转子转速，并依据反馈的转速信息调整节流阀改变气管流量，从而使发电机转子达到指定转速。该试验平台的系统具有结构简单、建设周期短、满足工程项目对时间的要求等优点，同时本实用新型所提方案为交流发电机高转速输出性能测试提供了一定的理论指导，为高速试验台方案设计提供必要的技术支撑。

为解决上述技术问题，本实用新型提出了14万转高速试验台

试验台功能用于TFY800交流发电机在13.8万转时的输出性能测试，能在规定的时间内保持转速和扭矩的稳定。

试验台主要技术指标以及使用环境要求，高速电机具有特殊用途，其试验台应根据高速电机的应用场合、功能等特点设置相应的技术指标。本实用新型的试验台技术指标为：单次在最高14万转下运行时间不小于1h；寿命不小于100h；9万转对外输出功率不小于1200W。使用环境要求如下：环境温度允许范围：-25℃-+40℃；空气相对湿度不超过85％；环境空气中不得有过量尘埃和粉尘颗粒。

系统由空气压缩机、蓄压器、耐高压输气管、冲压涡轮、支撑轴承以及轴承润滑系统等组成，冲压涡轮采用汽车使用的涡轮增压器。系统组成图见图1。高速试验台系统重要组成部分设计如下：

空气压缩机、蓄压器设计。空气压缩机通过内部电动机工作产生高压空气，贮存在蓄压器、管道内，给涡轮的高速运行作动力源。根据试验台参数类别选择表(见附表1)，从附表2可知，测试台需要较大的流量，有两个方式可以得到较大空气流量，一是选择多台小型空气压缩机进行并联，同时运行产生较大空气流量；二是选择一台大排量的空气压缩机。需要注意的是，连接空气压缩机与蓄压器之间的空气管道应较短，防止运输过程中高压空气的流失。调研到博兰特 BLT-375A/W空气压缩机的排量为1.0MPa、44.4m³/min，因而采用此空气压缩机，选择与压缩机配套的蓄压器。

表1

空气压缩机设计原理分析，压缩机排气量选择模型如下：

Q＝(F₁·Z₁·n₁+F₂·Z₂·n₂)·L·ε·δ

式中，Q为排气量(m3/min)，F1为阳转子两个齿间面积(m2),F2为阴转子两个齿间面积(m2)，Z1，Z2分别为阳阴转子齿数，L为转子长度(m)，n1、n2为阳阴转子每分钟转数，ε为考虑泄漏的供气系数，一般情况下取0.85-0.92，δ为考虑认为选择误差的裕度系数，通常取1.05-1.12。

流量计设计。流量计用于检测管道内空气流量，需具备大量程、高气压的要求，拟选用MF4003MF4008流量计(量程0～50L/min)。

涡轮装置设计。采用汽车涡轮增加器涡轮作为测试台系统的涡轮装置，对购买的涡轮增压器拆解，测绘出涡轮的安装尺寸，设计出相应的转接座连接在发电机输出轴上。涡轮增压器有单通道进气和多通道进气两种类型，最终气体推动涡轮作高速运行。一般涡轮增压器工作转速为12万转到16万转，随着进入涡轮内部的气体流量、压力增大时其工作转速将上升。由于未调研到具体的涡轮工作特性和接口，可从网上商城购买涡轮增压器，根据里面涡轮、涡壳尺寸重新设计结构，将涡轮和新设计的涡壳装在试验台上。准备采用KKK公司生产的KO3涡轮增压器。

其涡轮装置设计原理分析，涡轮设计主要考虑气动性能与安全性两个方面。

在给定涡轮进出口参数状态下，选用高效叶轮模型：

T_a＝288k，p_a＝101325pa,C_p＝1009.8,γ＝1.3969

n＝125000rpm,T_in＝373k

式中，T_a为空气参考温度，p_a为标准大气压强，C_p、γ、μ、c₀叶轮模型参数，n为涡轮转速，T_in叶轮出入口空气温度，ER为涡轮机片膨胀比。

由当前参数计算可知，涡轮机片膨胀比ER＝2～3，叶轮直径在 35～45mm，u/c0＝0.5-0.8时，涡轮机效率较高；输出功率Ne，可确定流量m为33g/s，由于以上按等熵计算，实际多变过程流量增加，要求气源具备80g/s以上的流量。空气流量设计数学模型为：

Ne＝263.65878·m·[1-(1/ER)^0.284]

式中，Ne为输出功率，m为空气流量。

安全性设计

若选用30mm叶轮，自振频率高，HCF风险低一些，但是膨胀比高0.5，相同得激振频率，叶片上的气动力偏高，难度主要是叶片太薄，设计和机加工难度大；40mm自振频率低，HCF风险高。大轮子要做到小喉道才能控制流量满足输出功率，性能太低，难度主要是轮子重，转动惯量大，对轴系可靠性有影响

转速最高14w，需要做叶片空气动力学设计，做流固耦合计算叶片的应力应变，做叶片自振频率分析，来保证叶轮工作在一阶自振频率高于4倍频，二阶自振频率高于6倍频。通过应力应变分析叶轮的 LCF，保证叶轮在特定的循环工况里，达到足够多的工作时间不发生失效。

除此之外，还需考虑涡轮叶片可能存在的结冰风险。根据要求发电机组额定转速125000rpm，提供气源压力为5～6Bar，常温，压缩空气经过涡轮为多变膨胀过程，相应的数学模型表达如下：

T1，P1，T2，P2分别为涡轮机进出口状态参数，k为多变指数，取1.4，经计算，若膨胀比P1/P2为3.5，则T1与T2温差超过50K 以上，意味着涡轮机出口将达到零下几十度，机组将结冰，涡轮叶片存在结冰风险，系统存在安全隐患，因此试验系统应将压缩气源进行升温，再经过涡轮机组，膨胀结束后，气体温度仍高于冰点，系统安全性有保证。预计升温80～100K。

综上，综合涡轮效率，叶片自振频率，高周疲劳，加工难度等因素，最终选用轮径35mm，膨胀比ER＝2.5作为设计点参数，调节膨胀比调节范围2.5～3。

润滑系统设计，由于试验台中电机转子转速高，选用的轴承需要润滑，因此从外部滑油泵引入滑油对轴承润滑，油可选用4050润滑油或4010润滑油。在结构设计时在转轴上设计回油槽，外部滑油进入试验台内部时先喷射在回油槽上，当涡轮带动转轴运行时滑油飞溅到轴承滚珠上达到给轴承润滑的目的。经对轴承润滑后的滑油通过壳体上两处轴承附近的出油孔回到滑油系统，经滑油泵后再次给轴承润滑，滑油泵可采用200W潜水泵即可满足要求，也可采用可移动滑油泵作为润滑系统。

密封系统设计。各零件之间选用O型密封圈密封，为减少内部润滑油泄漏，在转子轴向位置设计成简易迷宫密封结构和回油结构，且滑油处于低压区域，能防止滑油在轴向出现泄漏。

轴承设计。涡轮增压器内部轴承一般选用浮动轴承，由于未调研到合适的浮动轴承，且对浮动轴承没有相应设计及工程应用经验，因此选用角接触轴承支撑转子。调研了NSK、Barden、GRW轴承，只有GRW轴承可运行到14万转，TFY800配套的发动机即采用GRW 公司的D6000/602847轴承。轴承选择见表2。

表2

消音器设计。在试验台系统运行过程中，需要考虑两个问题，一是冲压涡轮和转子在高速旋转过程中产生大量的噪声；二是考虑试验台的高速旋转可能会对周围工作人员产生安全隐患。所以设计消音器，起隔离噪声、保护工作人员两方面作用。

滑油泵设计。为减小转子和轴承之间的摩擦，采用专用的滑油泵给轴承供油。

对本实用新型中的高速试验台进行检验。将该试验平台系统设计完成之后做成样品，并对该试验台系统进行调试。

Claims (5)

1.一种用于高速发电机的试验台系统，其特征在于：包括空气压缩机、蓄压器、高压输气管、冲压涡轮，所述空气压缩机将空气加压后通过高压输气管输送到蓄压器中储存，蓄压器将后将存储的空气输入到冲压涡轮，冲压涡轮带动高速电机转子旋转，高速电机定子与示波器连接检测高速电机转子转速。

2.如权利要求1所述的用于高速发电机的试验台系统，其特征在于：所述高速电机和冲压涡轮通过支撑轴承安装在密闭外壳内，轴承润滑系统对轴承泵入润滑油。

3.如权利要求1所述的用于高速发电机的试验台系统，其特征在于：所述空气压缩机排气量模型选择公式为：

Q＝(F₁·Z₁·n₁+F₂·Z₂·n₂)·L·ε·δ

式中，Q为排气量(m3/min)，F1为阳转子两个齿间面积(m2),F2为阴转子两个齿间面积(m2)，Z1，Z2分别为阳阴转子齿数，L为转子长度(m)，n1、n2为阳阴转子每分钟转数，ε为泄漏的供气系数，下取0.85-0.92，δ为选择误差的裕度系数，取1.05-1.12。

4.如权利要求1所述的用于高速发电机的试验台系统，其特征在于：所述冲压涡轮进气管上还安装有单向节流阀来调节冲压涡轮的进气流量。

5.如权利要求4所述的用于高速发电机的试验台系统，其特征在于：所述单向节流阀的流量随安装在发电机上的示波器读数变化。

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