CN101975656A - 一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置 - Google Patents

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Abstract

一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，包括转子和定子部分；转子部分由模拟压气机叶轮、模拟涡轮叶轮、联轴器联接件和转子轴套组成，转子轴套上套有径向弹性箔片气体轴承和推力弹性箔片气体轴承；定子部分包括径向弹性箔片气体轴承，其轴承座装在壳体内并与壳体形成供气室，供气室与供气***相连，轴承座上配置有传感器用来检测转子***的位移信号并与计算机相连，驱动装置带动转子***转动，转子***转速较低时，转子轴套与径向弹性箔片气体轴承以及推力弹性箔片气体轴承接触，随着转速的升高，转子***实现在径向和轴向的悬浮，本发明能够测试模拟转子的动态性能，进而反映出真实转子的动态性能，具有结构简单的优点。

Description

一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置
技术领域
本发明涉及微型燃气轮机技术领域，特别涉及一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置。
背景技术
微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，具有多台集成扩容、低燃料消耗率、低噪音、低排放和低振动等优点。微型燃气轮机在军事和民用方面都具有非常广阔的应用前景。目前，美国、俄罗斯和日本都有多家企业在积极开发、制造相应的设备，美国的多家企业已经制造出商业化的微型燃气轮机发电装置。我国对微型燃气轮机的研发尚处于样机设计和制造阶段，通过实验来检验样机的整体性能是设计和制造样机过程中最重要的步骤之一。由于整个微型燃气轮机***包括燃烧室、压气机、燃气涡轮、轴承-转子***和发电机等部分，结构较为复杂，为了保证微型燃气轮机样机设计和制造的成功率，在整机集成之前，有必要对各功能部件进行***的实验验证，因此，设计一套实验装置来检验所设计的微型燃气轮机转子***的综合性能是非常重要的。
微型燃气轮机转子***是整个微型燃气轮机***的核心部分，转子***性能的优劣直接影响整个微型燃气轮机***的性能和寿命。微型燃气轮机转子***主要由压气机叶轮、涡轮叶轮、带推力盘的转子轴套、联轴器联接件、连接上述4个零件的拉杆、锁紧螺母和锁紧垫片组成。转子***由两个径向弹性箔片气体轴承和一对面对面安装的推力弹性箔片气体轴承支承。微型燃气轮机转子***的性能主要取决于下列因素：一、弹性箔片气体轴承的承载能力、稳定性和寿命；二、弹性箔片气体轴承供气通道设计的合理性；三、转子***自身的稳定性和高转速下的结构完整性。
目前国内外还没有专门的面向微型燃气轮机模拟转子的动态性能测试实验装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，实现模拟转子动态性能的测试，进而反映出真实转子的动态性能，该实验装置具有结构简单的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，包括转子部分I，转子部分I安装在定子部分II上。
所述的转子部分I包括两端带有螺纹的拉杆1，拉杆1的中部配置有转子轴套2，转子轴套2靠近推力盘的一端连接有模拟压气机叶轮3，另一端连接有模拟涡轮叶轮4，模拟压气机叶轮3的另一端连接有联轴器联接件5，拉杆1将模拟压气机叶轮3、模拟涡轮叶轮4、联轴器联接件5和转子轴套2连接成一体，转子轴套2上套有两个安装在定子部分II上的径向弹性箔片气体轴承6，转子轴套2的推力盘两侧分别和安装在定子部分II上的第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8接触。
所述的定子部分II包括两个径向弹性箔片气体轴承6，两个径向弹性箔片气体轴承6安装在轴承座11的中心孔内并由径向轴承隔环12隔开，径向轴承隔环12的圆周面上配置有至少一个通孔，通孔与轴承座11圆周上的通孔相通，轴承座11装在壳体13内，轴承座11半径小的外圆面与壳体13半径大的内圆面形成供气室14，供气室14通过安装在壳体13侧面的进气接口15与供气***相连，壳体13的内圆面和轴承座11的外圆面靠近模拟涡轮叶轮4的配合处固接，轴承座11靠近模拟压气机叶轮3的一端装有第一端盖18，另一端装有第二端盖19，第一端盖18内开有气体通道与轴承座11上的通孔以及供气室14相通，第二推力弹性箔片气体轴承8装在第一端盖18上，第一推力弹性箔片气体轴承7装在轴承座11靠近模拟压气机叶轮3的端面上，第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8之间配置有推力轴承隔环20，轴承座11的圆周上配置有至少一对宽槽和至少一对窄槽，窄槽的底部开有通孔，窄槽靠近模拟压气机叶轮3并与轴承座11端面平行的一个侧面上开有至少一个通孔，通孔与供气室14联通，宽槽的底部开有至少一个螺纹孔，宽槽底部的螺纹孔中配置有电涡流位移传感器21，宽槽靠近模拟压气机叶轮3并与轴承座11端面平行的一个侧面上开有至少一个通孔，通孔与供气室14联通，在轴承座11靠近模拟涡轮叶轮4的端面的凸缘上开有至少两个相对的通孔和至少两个螺纹孔，两个相对的通孔与供气室14联通，螺纹孔中配置有电涡流位移传感器21，电涡流位移传感器21的信号输出端分别与计算机相连。
所述的径向弹性箔片气体轴承6表面涂有减摩耐磨涂层。
所述的第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8表面涂有减摩耐磨涂层。
所述的模拟压气机叶轮3和模拟涡轮叶轮4与各自的真实叶轮相比，其轴向尺寸、质量、质心位置和转动惯量都相同。
所述的第一端盖18和第二端盖19上设置篦齿密封结构。
所述的第一端盖18和第二端盖19与转子轴套2均为间隙配合。
所述的模拟压气机叶轮3与转子轴套2之间采用过盈配合。
所述的联轴器联接件5与模拟压气机叶轮3之间采用过盈配合。
所述的模拟涡轮叶轮4与转子轴套2之间采用过盈配合。
本发明的工作原理是：模拟转子***运行之前，先由供气***通过壳体13侧面的进气接口15向由轴承座11和壳体13所形成的供气室14内注入一定压力和湿度的气体，为径向弹性箔片气体轴承6、第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8提供润滑介质，驱动***通过高速联轴器连接联轴器联接件5，带动由模拟压气机叶轮3、模拟涡轮叶轮4、转子轴套2、联轴器联接件5和拉杆1所组成的转子***转动，转子***转速较低时，径向弹性箔片气体轴承6和第一推力弹性箔片气体轴承7、第二推力弹性箔片气体轴承8的表面尚未形成足够的气膜力以支承转子***，此时转子轴套2与径向弹性箔片气体轴承6以及第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8相接触，随着转速的升高，在转子轴套2和径向弹性箔片气体轴承6以及第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8之间形成承载力足够的气膜力，实现转子***在径向和轴向的悬浮，装在轴承座11上的电涡流位移传感器21用来检测转子***的位移信号，利用这些信号可以对转子***的运行状态进行监测。
本发明的有益效果是：采用径向弹性箔片气体轴承6、第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8作为支承，使转子***可以工作在极高的转速下，避开了采用滚动轴承或油润滑滑动轴承时的速度限制和所需解决的油润滑***的问题；转子***所采用的模拟压气机叶轮3和模拟涡轮叶轮4具有和真实叶轮相同的轴向尺寸、质量、质心位置和转动惯量，在此情况下，采用不等径圆盘来代替真实叶轮，对转子***的综合性能影响较小，避开了在实验中采用真实叶轮需要处理的诸多复杂问题，又降低了加工难度、节约了实验成本；采用壳体13和轴承座11组合形成供气室14，使得整个实验装置结构紧凑、密封效果良好；轴承座11和第一端盖18上开有通气孔，能方便地为径向弹性箔片气体轴承6以及第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8提供润滑气体；供气室14中气体的压力、温度和湿度等可以通过供气***进行调节，可实现多种工况下的实验，得到不同工况下模拟转子***的运行状况。
附图说明
图1是本发明的轴向剖视图。
图2是本发明的左视图。
图3是本发明转子部分I的轴向剖视图。
图4是本发明定子部分II的轴向剖视图。
图5是图1的A-A局部剖视图。
图6是图1的B-B局部剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细说明。
参照图1，一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，包括转子部分I，转子部分I安装在定子部分II上。
参照图1、图2和图3，转子部分I包括两端带有螺纹的拉杆1，拉杆1的中部配置有转子轴套2，转子轴套2靠近推力盘的一端连接有模拟压气机叶轮3，另一端连接有模拟涡轮叶轮4，模拟压气机叶轮3的另一端连接有联轴器联接件5，拉杆1的两端通过锁紧螺母22和锁紧垫片23将模拟压气机叶轮3、模拟涡轮叶轮4、联轴器联接件5和转子轴套2连接成一体，起到紧固和防松的作用，拉杆1中带有一定量的装配预紧力，过盈配合、装配预紧力和防松结构相结合，可以有效地保证转子***高速运转时的结构完整性，转子轴套2上套有两个安装在定子部分II上的径向弹性箔片气体轴承6，实现对转子部分I的径向支承，转子轴套2的推力盘两侧分别和安装在定子部分II上的第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8接触，实现对转子部分I的轴向支承。
参照图1、图2、图4、图5和图6，所述的定子部分II包括径向弹性箔片气体轴承6，径向弹性箔片气体轴承6装在第一轴承套9和第二轴承套10中，第一轴承套9和第二轴承套10安装在轴承座11的中心孔内并由径向轴承隔环12隔开，径向轴承隔环12的圆周面上配置有两个相对的通孔，通孔与轴承座11圆周上的通孔相通，为径向弹性箔片气体轴承6供气，第一轴承套9和第二轴承套10由孔用弹性挡圈24来定位，轴承座11装在壳体13内，轴承座11半径小的外圆面与壳体13半径大的内圆面形成供气室14，供气室14通过安装在壳体13侧面的进气接口15与供气***相连，壳体13靠近模拟涡轮叶轮4的端面上和轴承座11带有凸缘的端面上都开有中心线在壳体13的内圆面和轴承座11的外圆面的配合面上的半销钉孔，两个半销钉孔组合形成完整的销钉孔，销钉孔中装有销钉25，通过销钉25对轴承座11进行周向定位，壳体13的两端面上分别有一个沟槽安装有O型密封圈16，轴承座11的两端面上分别有两个沟槽安装有O型密封圈16，壳体13两端装有压环17，并通过第一螺钉26来固定，用来压紧壳体13和轴承座11端面上的O型密封圈16，起到密封的作用，轴承座11靠近模拟压气机叶轮3的一端装有第一端盖18，另一端装有第二端盖19，并分别压紧装在轴承座11两端面沟槽中的O型密封圈16，起到密封的作用，第一端盖18和第二端盖19均通过第二螺钉27来固定，第一端盖18内分别均布地开有五个盲孔和五个轴线与第一端盖18轴线夹角为30°的通孔，以及五个轴线平行于第一端盖18轴线的通孔，第一端盖18上的盲孔和通孔通过轴承座11对应端面上的通孔和供气室14相通，为第二推力弹性箔片气体轴承8供气，第一端盖18的圆周面上的盲孔由沉头螺钉28来密封，第二推力弹性箔片气体轴承8装在第一端盖18上，第一推力弹性箔片气体轴承7装在轴承座11靠近模拟压气机叶轮3的端面上，第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8之间配置有推力轴承隔环20，推力轴承隔环20与转子轴套2之间为间隙配合并对第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8起到固定作用，轴承座11的圆周上开有两个用来安装电涡流位移传感器21的宽槽和两个用来联通供气通道的窄槽，两个窄槽的底部开有通孔，为第一推力弹性箔片气体轴承7和靠近模拟压气机叶轮3的径向弹性箔片气体轴承6供气，窄槽靠近模拟压气机叶轮3并与轴承座11端面平行的一个侧面上开有两个通孔，两个通孔与供气室14联通，两个宽槽的底部开有螺纹孔，两个电涡流位移传感器21分别安装在宽槽底部的螺纹孔中，两个电涡流位移传感器21的轴线在平面B-B内，轴线夹角为90°，宽槽靠近模拟压气机叶轮3并与轴承座11端面平行的一个侧面上开有两个通孔，两个通孔与供气室14联通，在轴承座11靠近模拟涡轮叶轮4的端面的凸缘上开有两个相对的通孔和两个螺纹孔，两个相对的通孔与供气室14联通，为径向弹性箔片气体轴承6供气，两个电涡流位移传感器21分别装在两个螺纹孔中，两个电涡流位移传感器21的轴线在平面A-A内，轴线夹角为90°，电涡流位移传感器21的信号输出端分别与计算机相连。
所述的径向弹性箔片气体轴承6表面涂有减摩耐磨涂层。
所述的第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8表面涂有减摩耐磨涂层。
所述的模拟压气机叶轮3和模拟涡轮叶轮4与各自的真实叶轮相比，其轴向尺寸、质量、质心位置和转动惯量都相同，在此情况下采用不等径圆盘来代替真实叶轮，对转子***的综合性能影响较小，这样处理，既抓住了主要问题，又避开了在实验中采用真实叶轮需要处理的诸多复杂问题，且降低了加工难度、节约了实验成本。
所述的第一端盖18和第二端盖19上设置篦齿密封结构。
所述的第一端盖18和第二端盖19与转子轴套2均为间隙配合。
所述的模拟压气机叶轮3与转子轴套2之间采用过盈配合。
所述的联轴器联接件5与模拟压气机叶轮3之间采用过盈配合。
所述的模拟涡轮叶轮4与转子轴套2之间采用过盈配合。
本发明的工作原理是：模拟转子***运行之前，先由供气***通过壳体13侧面的进气接口15向由轴承座11和壳体13等所形成的供气室内注入一定压力和湿度的气体，供气通道将气体送到径向弹性箔片气体轴承6以及第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8表面，为径向弹性箔片气体轴承6以及第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8提供润滑介质，驱动***通过高速联轴器连接联轴器联接件5，带动由模拟压气机叶轮3、模拟涡轮叶轮4、转子轴套2、联轴器联接件5和拉杆1所组成的转子***转动，转子***转速较低时，径向弹性箔片气体轴承6、第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8的表面尚未形成足够的气膜力以支承转子***，此时转子轴套2和径向弹性箔片气体轴承6以及第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8相接触，径向弹性箔片气体轴承6以及第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8表面的减磨耐磨涂层起到保护轴承和轴颈的作用，随着转速的升高，在转子轴套2和径向弹性箔片气体轴承6以及第一推力弹性箔片气体轴承7和第二推力弹性箔片气体轴承8之间形成承载力足够的气膜力，实现转子***在径向和轴向的悬浮，装在轴承座11上的电涡流位移传感器21用来检测转子***沿电涡流位移传感器21轴线方向的位移变化信号，对这些信号进行处理分析，可以对转子***的运行状态进行监测。
图中：1为拉杆，2为转子轴套，3为模拟压气机叶轮，4为模拟涡轮叶轮，5为联轴器联接件，6为径向弹性箔片气体轴承，7为第一推力弹性箔片气体轴承，8为第二推力弹性箔片气体轴承，9为第一轴承套，10为第二轴承套，11为轴承座，12为径向轴承隔环，13为壳体，14为供气室，15为进气接口，16为O型密封圈，17为压环，18为第一端盖，19为第二端盖，20为推力轴承隔环，21为电涡流位移传感器，22为锁紧螺母，23为锁紧垫片，24为孔用弹性挡圈，25为销钉，26为第一螺钉，27为第二螺钉，28为沉头螺钉。

Claims (9)

1.一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，包括转子部分(I)，其特征在于：转子部分(I)安装在定子部分(II)上；
所述的转子部分(I)包括两端带有螺纹的拉杆(1)，拉杆(1)的中部配置有转子轴套(2)，转子轴套(2)靠近推力盘的一端连接有模拟压气机叶轮(3)，另一端连接有模拟涡轮叶轮(4)，模拟压气机叶轮(3)的另一端连接有联轴器联接件(5)，拉杆(1)将模拟压气机叶轮(3)、模拟涡轮叶轮(4)、联轴器联接件(5)和转子轴套(2)连接成一体，转子轴套(2)上套有两个安装在定子部分(II)上的径向弹性箔片气体轴承(6)，转子轴套(2)的推力盘两侧分别和安装在定子部分(II)上的第一推力弹性箔片气体轴承(7)和第二推力弹性箔片气体轴承(8)接触；
所述的定子部分(II)包括两个径向弹性箔片气体轴承(6)，两个径向弹性箔片气体轴承(6)安装在轴承座(11)的中心孔内并由径向轴承隔环(12)隔开，径向轴承隔环(12)的圆周面上配置有至少一个通孔，通孔与轴承座(11)圆周上的通孔相通，轴承座(11)装在壳体(13)内，轴承座(11)半径小的外圆面与壳体(13)半径大的内圆面形成供气室(14)，供气室(14)通过安装在壳体(13)侧面的进气接口(15)与供气***相连，壳体(13)的内圆面和轴承座(11)的外圆面靠近模拟涡轮叶轮(4)的配合处固接，轴承座(11)靠近模拟压气机叶轮(3)的一端装有第一端盖(18)，另一端装有第二端盖(19)，第一端盖(18)内开有气体通道与轴承座(11)上的通孔以及供气室(14)相通，第二推力弹性箔片气体轴承(8)装在第一端盖(18)上，第一推力弹性箔片气体轴承(7)装在轴承座(11)靠近模拟压气机叶轮(3)的端面上，第一推力弹性箔片气体轴承(7)和第二推力弹性箔片气体轴承(8)之间配置有推力轴承隔环(20)，轴承座(11)的圆周上配置有至少一对宽槽和至少一对窄槽，窄槽的底部开有通孔，窄槽靠近模拟压气机叶轮(3)并与轴承座(11)端面平行的一个侧面上开有至少一个通孔，通孔与供气室(14)联通，宽槽的底部开有至少一个螺纹孔，宽槽底部的螺纹孔中配置有电涡流位移传感器(21)，宽槽靠近模拟压气机叶轮(3)并与轴承座(11)端面平行的一个侧面上开有至少一个通孔，通孔与供气室(14)联通，在轴承座(11)靠近模拟涡轮叶轮(4)的端面的凸缘上开有至少两个相对的通孔和至少两个螺纹孔，两个相对的通孔与供气室(14)联通，螺纹孔中配置有电涡流位移传感器(21)，电涡流位移传感器(21)的信号输出端分别与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，其特征在于：所述的径向弹性箔片气体轴承(6)表面涂有减摩耐磨涂层。
3.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，其特征在于：所述的第一推力弹性箔片气体轴承(7)和第二推力弹性箔片气体轴承(8)表面涂有减摩耐磨涂层。
4.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，其特征在于：所述的模拟压气机叶轮(3)和模拟涡轮叶轮(4)与各自的真实叶轮相比，其轴向尺寸、质量、质心位置和转动惯量都相同。
5.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，其特征在于：所述的第一端盖(18)和第二端盖(19)上设置篦齿密封结构。
6.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，其特征在于：所述的第一端盖(18)和第二端盖(19)与转子轴套(2)均为间隙配合。
7.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，其特征在于：所述的模拟压气机叶轮(3)与转子轴套(2)之间采用过盈配合。
8.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，其特征在于：所述的联轴器联接件(5)与模拟压气机叶轮(3)之间采用过盈配合。
9.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机模拟转子动态性能测试实验装置，其特征在于：所述的模拟涡轮叶轮(4)与转子轴套(2)之间采用过盈配合。
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