CN2814373Y - 高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置。一种高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，其转子由支撑装置支撑并固定在试验台体上，驱动装置驱动转子旋转，气缸内装有可安装气封的套筒，转子上被加工有气封，套筒与转子上的气封共同组成迷宫式气封，在气缸中部开有进气口，经气路装置向气缸内注入高压气体，信号测量装置包括多组传感器，分别在气缸进气口、气缸出口处、气缸内的静子气封齿上、轴承支架上各装有一对传感器，在驱动电机端轴承支架上装有一个传感器，传感器信号经导线连接多通道数据采集仪。本实用新型可以实现气流激振现象的模拟与复现，并可以测试、分析不同气封结构引起的转子振动变化。

Description

高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置

(一)技术领域

本实用新型涉及一种高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，用于模拟旋转机械中的气流激振现象，属于动力机械技术领域。

(二)背景技术

采用超超临界压力是提高汽轮机热效率的重要途径之一。但汽轮机蒸汽参数的提高，会导致高压缸进汽密度增大、流速提高，蒸汽作用在转子上的切向力对动静间隙、密封结构及转子与汽缸对中度的灵敏度提高，增大了作用在转子上的激振力，这使超超临界汽轮机发生汽流激振的可能性远远大于亚临界汽轮机。汽流激振属于自激振动，是由汽轮机内部汽流激振力激励引起的振动。汽流激振会使轴系稳定性降低，严重时会诱发转子失稳，产生很大的低频振动，汽流激振成为影响超超临界汽轮机可靠性的重要因素和面临的主要问题之一。因此，研究汽流激振及其防治措施对于提高超超临界汽轮机的可靠性保证电网的安全有着十分重要的意义。

对于迷宫气封结构引起的气流激振，国内外已进行了一定的研究，但在实验方面则较少，这些试验装置都只能对简单的直齿气封进行试验。对于实际超超临界汽轮机复杂气封结构的气流激振试验研究以及响应的实验装置，目前国内外还未见报道。迷宫气封内的流场复杂，气封结构的微小变化都会对气封引起的动压力产生巨大的影响，所以采用可进行实际气封结构气流激振实验的装置进行研究，可以大大提高气流激振的预测精度并加以防治。此外，以往气流激振实验中的转子振动测量只能测量气封齿外的转轴振动，由于气封齿间距离只有几个毫米，而一般的位移传感器结构尺寸都较大，使气封内部的转轴振动无法测量，因而无法实验研究气封内部流场与转子振动之间的耦合关系，然而这正是气流激振流固耦合问题的关键所在。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，该测试装置可以实现气流激振现象的模拟与复现，并可以测试、分析不同气封结构引起的转子振动变化，以及其动力特性系数与结构尺寸的变化关系。

本实用新型是这样实现的：一种高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，其特征是包括驱动装置、支撑装置、转子、气缸、气路装置、信号测量装置，转子由支撑装置支撑并固定在试验台体上，驱动装置驱动转子旋转，气缸内装有可安装气封的套筒，转子上被加工有气封，套筒与转子上的气封共同组成迷宫式气封，在气缸中部开有进气口，经气路装置向气缸内注入高压气体，信号测量装置包括多组传感器，在气缸进气口装有一对传感器，气缸出口处装有一对传感器，气缸内的静子气封齿上装有一对传感器，轴承支架上装有一对传感器，在驱动装置的电机端轴承支架上装有一个传感器，传感器信号经导线连接多通道数据采集仪。

上述的高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，所述驱动装置包括直流电机、调速控制柜、齿轮箱、柔性联轴节，转子与柔性联轴节相连，支撑转子的轴承支架固定在实验台体上，柔性联轴节将齿轮箱和直流电机连在一起，直流电机固定在实验台体上，直流电机与直流电机调速控制柜相连；支撑装置包括试验台体、轴承支架、轴承和润滑油路，润滑油进油管与轴承支架的上部导油孔相连通，并经油路调节阀与储油箱相连，储油箱通过回油管与油泵相连，油泵通过回油管与轴承支架的下部泻油孔相连；安装在转子中部的气缸由左上气缸体、左下气缸体、右上气缸体及右下气缸体连接组合而成，并固定在实验台体上，左上气缸体和右上气缸体与气封套筒相连，气封套筒上加工有静子气封齿，转子上加工有转子气封齿；气路装置包括进气管、输气管、气阀、储气罐、空气压缩机，进入气缸中部的进气管经气阀与储气罐相连，储气罐经输气管与空气压缩机相连；用于测量气封进口处轴振的一对电涡流传感器互成90度并分别与水平成45度通过螺纹旋在气缸中部，用于测量气缸出口处轴振的一对电涡流传感器互成90度固定在气缸出气边的加工支架上，轴承支架上设置一对互成90度的传感器用于测试轴承处的转子振动位移，电机端的轴承支架上设置一个电涡流传感器用于测量转子的相位，一组激光传感器互成90度穿过气缸固定在两个静子气封齿之间，用于测量气封齿处的转子振动位移，传感器信号经导线连接多通道数据采集仪。

上述的高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，所述转子中心套装有具有流线形状的气流导流盘，转子两侧分别套装有一个平衡轮盘。

本实用新型解决了对亚临界、超临界以及超超临界汽轮机各式实际气封结构的气流激振进行试验研究的技术问题，实现了汽封段转子振动位移的测量，且不破坏气封结构。为研究气封内流场与转子的流固耦合作用，提供了有效的测试手段和实验数据。本实用新型整个结构采用模块化设计，可以更换不同直径的转子、不同结构形式、尺寸的气封，具有较强的通用性；轴承采用椭圆滑动轴承，与实际汽轮机的支撑条件比较接近；气缸体由四部分组成，便于气封的更换和安装。因此本实用新型非常适合于汽轮机、燃气轮机等大型旋转机械各种气封结构的气流激振的实验研究，考察不同气封形式、尺寸以及转子转速、气体压力对气流激振的影响，研究气流激振情况下气体与转子结构的气固耦合作用。从而找到气流激振产生、发展的规律，对其进行有效的防治。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置结构示意图；

图2为转子结构示意图；

图3为气缸体示意图；

图4为气缸体内结构示意图；

图5为气封结构示意图。

图中：1转子，2轴承支架，3实验台体，4变速齿轮箱，5柔性联轴节，6直流电机，7电机基础，8电机地脚螺栓，9左上气缸体，10右上气缸体，11左上气缸体，12右下气缸体，13储油箱，14油阀，15输油管，16-a、16-b回油管，17油泵，18空气压缩机，19输气管，20储气罐，21气阀，22进气管，23轴承处垂直电涡流传感器，24轴承处水平电涡流传感器，25出气口处垂直电涡流传感器，26出气口处水平电涡流传感器，27汽封处45度激光传感器，28汽封处135度激光传感器，29导流盘处45度电涡流传感器，30导流盘处135度电涡流传感器，31键相测量传感器，32直流电机调速控制柜，33导流盘，34左侧轮盘，35右侧轮盘，36气缸中分面法兰螺栓，37气缸地脚螺栓，38气封套筒，39静子气封齿，40转子气封齿。

(五)具体实施方式

参见图1，一种高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，包括驱动装置、支撑装置、转子1、气缸、气路装置、信号测量装置，驱动装置包括直流电机6、调速控制柜32、齿轮箱4、柔性联轴节5，支撑装置包括试验台体3、轴承支架2、轴承和润滑油路，气路装置包括进气管22、输气管19、气阀21、储气罐20、空气压缩机19，信号测量装置包括多组传感器，组装式汽封结构的气缸体。

转子1与柔性联轴节5相连，并支撑在轴承和轴承支架2上，轴承支架通过地脚螺栓与实验台体3相连，柔性联轴节5将齿轮箱4和直流电机6联在一起，直流电机6与电机基础7相连，电机基础7通过地脚螺栓8与实验台体3相连，直流电机6又与控制柜32相连。润滑油进油管15与轴承和轴承支架2相连，进油管15与油路调节阀14相连，调节阀14与储油箱13相连，储油箱13同时与回油管16-b相连，回油管16-b与油泵17一侧相连，油泵17另一侧与回油管16-a相连，回油管16-a又与轴承支架2相连。左上气缸体9与左下气缸体11通过法兰螺栓连接在一起形成左气缸，右上气缸体10与右下气缸体12通过法兰螺栓连接在一起形成右气缸，左右气缸通过螺栓联在一起。左右下气缸体11，12与实验台体3通过地脚螺栓相连。上下右气缸体10，12分别与进气管22相连，进气管22另一端与气阀21一端相连，气阀21另一端与储气罐20一侧相连，储气罐20另一侧与输气管19一端相连，输气管19另一端与空气压缩机18相连。测量气封进口处的一对电涡流传感器29，30分别与水平成45度通过螺纹旋在气缸中部测量导流盘33位移，测量气缸出口处轴振的电涡流传感器25，26互成90度固定在加工的支架上，支架固定在气缸出气边上；传感器23，24固定在轴承支架2上，另采用一个电涡流传感器31测量转子的相位，固定在电机端的轴承支架2上。此外，采用一组激光传感器27，28互成90度，穿过气缸使传感器固定在两个气封齿之间，测量气封齿处的转子振动位移，传感器通过灌注胶水来固定。多组传感器信号经导线连接多通道数据采集仪。

参见图2，转子1中间安装导流盘33，转子1两侧套装有两个平衡轮盘34和35。导流盘33用于控制进气气流的流向，平衡轮盘34、35用于校准转子1的平衡。

参见图3，左上气缸体9与左下气缸体11通过法兰螺栓36连接在一起形成左气缸，右上气缸体10与右下气缸体12通过法兰螺栓36连接在一起形成右气缸，左右气缸通过螺栓联在一起。左右下气缸体11，12与实验台体3通过地脚螺栓37连接、固定。

参见图4，气封套筒38与左右气缸体9，10相连。

参见图5，静子气封齿39加工在气封套筒38上与其相连，转子气封齿40加工在转子1上与其相连。

高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置工作时，通过控制柜32控制直流电机6运转，通过变速齿轮箱4使转子1可以达到较高的转速，柔性联轴节5，可以消除齿轮箱6传给转子1的振动和弯矩，气源由空气压缩机18产生，一定压力的压缩空气进入到储气罐20中，储气罐20中的压缩气体通过气阀21进行气压的调节，气流通过输气管22导入气缸中部，进入气缸的气流通过转子中部的导流盘33控制流向，汽流流向气缸的左右两侧，然后流入气封段。转子1通过两个润滑轴承支架2来支撑，轴承润滑油储存在安装在高处的储油箱13中，通过油阀14控制润滑油的流量，润滑油由输油管15导出，并导入到轴承支架2，从轴承支架2开的导油孔流入轴承与转子的间隙中，在转子旋转过程中形成油膜。轴承与转子间的润滑油通过轴承中的泻油孔流出，从回油管16-a流入油泵17中，通过油泵的压力，从回油管16-b流回到储油箱13中。通过调节转子1的转速、气流的压力以及气封的结构形式、尺寸，使轴系产生气流激振现象。采用电涡流传感器23和24，25和26，29和30分别进行轴承处、汽封出口、以及气封进口处转子的振动位移测量，采用一对激光位移传感器27，28进行气封段转子的振动位移测量。另采用一个电涡流传感器31进行转子键相信号的测量；传感器信号经导线连接多通道数据采集仪，将测得的信号通过数据采集系统进行收集，并进行处理、分析。

在本实用新型的一个实施例中，驱动转子1的直流电机6用广调速直流电动机，变速齿轮箱4采用三级变速。直流电机调速控制柜32进行电机转速调节，最高转速可以达到9000转/分，利用高性能处理器实现电枢及励磁回路调节，通过参数设置构成的程序来实现传动控制要求的控制功能。转子1的临界转速约为60Hz，转子直径为φ100mm，全长2000mm，两轴承中心线距离1800mm，转子左右对称，由整锻加工而成，转子中心套装具有流线形状的气流导流盘33；在距转子中心400mm处，左右套装有一个φ170mm的轮盘34、35，用来进行转子的平衡。转子上可以加工安装气封，可通过更换转子的方式，来进行不同结构形式的气封实验。转子的支撑系统采用椭圆润滑轴承，轴承φ100mm，油膜间隙为2‰，瓦块包角为150度，长颈比为0.8。轴承由轴承支架来固定，轴承支架固定在实验台体3上。采用3组φ8mm电涡流传感器分别测量转子轴承处，气封进口处、出口处的振动位移。

Claims (3)

1.一种高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，其特征是包括驱动装置、支撑装置、转子、气缸、气路装置、信号测量装置，转子由支撑装置支撑并固定在试验台体上，驱动装置驱动转子旋转，气缸内装有可安装气封的套筒，转子上被加工有气封，套筒与转子上的气封共同组成迷宫式气封，在气缸中部开有进气口，经气路装置向气缸内注入高压气体，信号测量装置包括多组传感器，在气缸进气口装有一对传感器，气缸出口处装有一对传感器，气缸内的静子气封齿上装有一对传感器，轴承支架上装有一对传感器，在驱动装置的电机端轴承支架上装有一个传感器，传感器信号经导线连接多通道数据采集仪。

2.根据权利要求1所述的高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，其特征是驱动装置包括直流电机、调速控制柜、齿轮箱、柔性联轴节，转子与柔性联轴节相连，支撑转子的轴承支架固定在实验台体上，柔性联轴节将齿轮箱和直流电机连在一起，直流电机固定在实验台体上，直流电机与直流电机调速控制柜相连；支撑装置包括试验台体、轴承支架、轴承和润滑油路，润滑油进油管与轴承支架的上部导油孔相连通，并经油路调节阀与储油箱相连，储油箱通过回油管与油泵相连，油泵通过回油管与轴承支架的下部泻油孔相连；安装在转子中部的气缸由左上气缸体、左下气缸体、右上气缸体及右下气缸体连接组合而成，并固定在实验台体上，左上气缸体和右上气缸体与气封套筒相连，气封套筒上加工有静子气封齿，转子上加工有转子气封齿；气路装置包括进气管、输气管、气阀、储气罐、空气压缩机，进入气缸中部的进气管经气阀与储气罐相连，储气罐经输气管与空气压缩机相连；用于测量气封进口处轴振的一对电涡流传感器互成90度并分别与水平成45度通过螺纹旋在气缸中部，用于测量气缸出口处轴振的一对电涡流传感器互成90度固定在气缸出气边的加工支架上，轴承支架上设置一对互成90度的传感器用于测试轴承处的转子振动位移，电机端的轴承支架上设置一个电涡流传感器用于测量转子的相位，一组激光传感器互成90度穿过气缸固定在两个静子气封齿之间，用于测量气封齿处的转子振动位移，传感器信号经导线连接多通道数据采集仪。

3.根据权利要求2所述的高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置，其特征是所述转子中心套装有具有流线形状的气流导流盘，转子两侧分别套装有一个平衡轮盘。

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