CN103471824A - 一种汽轮机叶轮旋转试验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽轮机叶轮旋转试验平台及方法，包括设置在试验转子两侧的轴承和给试验转子提供旋转动力的装置；所述轴承在轴承瓦套的外圆增设一个轴承外环，轴承瓦套与轴承外环之间具有间隙、该间隙内设置一对环形弹性密封元件，构成一个封闭油腔，封闭油腔通过油路管道与润滑油供油***连接，封闭油腔内油压的变化使得轴承的支撑刚度可调。本发明的汽轮机叶轮旋转试验平台及方法，通过灵活调整待试验转子的支撑跨距与支撑刚度，使得试验转子能够自适应不同的临界转速，使得该试验平台能够适应更大范围试验转速区间的要求，增强其通用性、有效降低试验成本，同时该旋转试验平台及方法安全可靠、简单易操作，利于大规模使用和推广。

Description

一种汽轮机叶轮旋转试验平台及方法

技术领域

本发明涉及汽轮机领域，具体是一种汽轮机叶轮旋转试验平台及方法。

背景技术

随着工业技术的发展，旋转机械的种类越来越多，许多旋转机械零部件的设计都需要经过试验的验证，如汽轮机叶轮。任何旋转机械都有自己的临界转速，在工作中为了避免共振，其工作转速必须避开临界转速，但对于旋转机械试验平台而言，其转速由试验零部件来决定，这就要求试验平台必须能够适应多种转速区间的试验要求，但一种试验转轴的临界转速并不一定能够避开试验转速区间，重复设计又会造成试验成本的上升。如果能够设计一种汽轮机叶轮专用的试验平台，使其能够适用于不同转速的旋转机械零部件的试验，就能够大大降低旋转部件的试验成本。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种汽轮机叶轮旋转试验平台及方法，能够使试验转子能在旋转试验中自适应不同的临界转速，安全可靠、成本大大降低。

本发明所采用的技术方案是：

一种汽轮机叶轮旋转试验平台，使用转子拉杆螺栓将试验叶轮连接为一体、并在其两侧联接试验转轴，构成试验转子；所述旋转试验平台包括设置在试验转子两侧的轴承和给试验转子提供旋转动力的装置；所述轴承在轴承瓦套的外圆增设一个轴承外环，轴承瓦套与轴承外环之间具有间隙、该间隙内设置一对环形弹性密封元件，构成一个封闭油腔，封闭油腔通过油路管道与润滑油供油***连接，封闭油腔内油压的变化使得轴承的支撑刚度可调。

所述轴承间的支撑跨距可调通过试验转子的轴向尺寸确定，具体的：根据试验要求确定试验叶轮的数量和厚度，或者在转子拉杆螺栓上增加辅助轮盘。

所述轴承是可倾瓦块滑动轴承、椭圆滑动轴承或滚动轴承。

所述的汽轮机叶轮旋转试验方法，包括以下步骤： 

（1）根据试验要求确定试验叶轮的数量和厚度、是否增加辅助轮盘，确定轴承的支撑跨距与试验转轴的临界转速相适应；

（2）使用转子拉杆螺栓将试验叶轮连接为一体、并在其两侧联接试验转轴，构成试验转子；

（3）用一对支撑刚度可调的轴承支承试验转子两侧，通过润滑油供油***调节封闭油腔内的油压大小，使得该轴承的支承刚度与试验转轴的临界转速相适应；

（4）为试验转子提供动力、使其在工作转速下旋转，开始汽轮机叶轮的旋转试验，试验过程中：

a．如果试验转子的工作转速接近试验转轴的临界转速时，通过润滑油供油***调节封闭油腔内的油压增大，使得试验转轴的临界转速增大，从而使试验转子的工作转速不至于逼近试验转轴的临界转速；

b．如果试验转轴的临界转速过大时，通过润滑油供油***调节封闭油腔内的油压减小，使得试验转轴的临界转速减小，同时要注意不能使试验转子的工作转速逼近试验转轴的临界转速。

本发明所产生的有益效果是：

本发明的汽轮机叶轮旋转试验平台及方法，通过灵活调整待试验转子的支撑跨距与支撑刚度，使得试验转子能够自适应不同的临界转速，使得该试验平台能够适应更大范围试验转速区间的要求，增强其通用性、有效降低试验成本，同时该旋转试验平台及方法安全可靠、简单易操作，利于大规模使用和推广。

附图说明

图1是本发明试验平台的第一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明试验平台的第二种实施方式的结构示意图；

图3是本发明试验平台的第三种实施方式的结构示意图；

图4 是本发明刚度可调支持轴承的的第一种实施方式的结构示意图；

图5是轴承油膜阻尼的原理示意图；

图6是本发明刚度可调支持轴承的的第二种实施方式的结构示意图；

图7是本发明刚度可调支持轴承的的第三种实施方式的结构示意图；

图中标号表示：1-前试验转轴、2-前支撑轴承、3-转子拉杆螺栓、4-试验叶轮、5-试验叶轮、6-试验叶轮、7-后支撑轴承、8-后试验转轴、9-动力装置、10-辅助轮盘、11-轴承外环、12-弹性密封元件、13-轴承瓦套、14-可倾瓦块、15-高压润滑油、16-供油***、17-轴承、18-阻尼弹簧。

具体实施方式

如图1～7所示，本发明是一种汽轮机叶轮旋转试验平台。

首先，使用转子拉杆螺栓3将试验叶轮连接为一体、并在其两侧联接试验转轴，构成试验转子。具体的：将试验叶轮4、试验叶轮5和试验叶轮6通过转子拉杆螺栓3连接为一体，并在其两侧分别联接前试验转轴1和后试验转轴8，使之构成汽轮机试验转子。

汽轮机叶轮旋转试验平台包括支承装置和动力装置9。支承装置是设置在试验转子两侧（前试验转轴1和后试验转轴8轴颈处）的一对支撑刚度可调的轴承，动力装置9是给试验转子提供旋转动力的装置、模拟试验叶轮和试验转轴的旋转工况。

该支撑刚度可调的轴承（即前支撑轴承2和后支撑轴承7）在轴承瓦套13的外圆增设一个轴承外环11，轴承瓦套13与轴承外环11之间具有间隙、该间隙内设置一对环形弹性密封元件12，构成一个厚度可调的封闭油腔，封闭油腔通过油路管道与润滑油供油***16连接，封闭油腔内油压的变化使得轴承的支撑刚度可调。

同时，该轴承（即前支撑轴承2和后支撑轴承7）间的支撑跨距可调，具体是通过通过试验转子的轴向尺寸确定。可以根据试验要求调整试验叶轮的数量和厚度，或在转子拉杆螺栓3上增加辅助轮盘10。

具体的，该支撑刚度可调的轴承可以是可倾瓦块滑动轴承、椭圆滑动轴承或滚动轴承。

本发明汽轮机叶轮旋转试验方法，包括以下步骤： 

（1）根据试验要求确定试验叶轮的数量和厚度（轴向尺寸）、是否在转子拉杆螺栓3上增加辅助轮盘10，确定轴承的支撑跨距与试验转轴的临界转速相适应；

（2）使用转子拉杆螺栓3将试验叶轮连接为一体，如果增加了辅助轮盘10、也将辅助轮盘10连接在试验叶轮的一侧，并在其两侧分别联接前试验转轴1和后试验转轴8，构成试验转子；

（3）用一对支撑刚度可调的轴承支承试验转子两侧，通过润滑油供油***16调节封闭油腔内的油压大小，使得该轴承的支承刚度与试验转轴的临界转速相适应；

（4）开启动力装置9为试验转子提供动力、使试验转子在工作转速下旋转，开始汽轮机叶轮的旋转试验，试验过程中：

a．如果试验转子的工作转速接近试验转轴的临界转速时，通过润滑油供油***16调节封闭油腔内的油压增大，使得试验转轴的临界转速增大，从而使试验转子的工作转速不至于逼近试验转轴的临界转速；

b．如果试验转轴的临界转速过大时，通过润滑油供油***16调节封闭油腔内的油压减小，使得试验转轴的临界转速减小，同时要注意不能使试验转子的工作转速逼近试验转轴的临界转速。

如此操作，使得试验转子在不同的工作转速条件下，实时调节试验转轴的临界转速，使得工作转速避开临界转速，避免轴系共振的情况。

对于任何一个旋转机械，为了避免轴系的共振，在轴系设计过程中必须确保轴系的临界转速与轴系的工作转速避开一定的范围。按照汽轮机组轴系设计导则，汽轮发电机组轴系的临界转速必须避开工作转速10％的范围，即机组轴系的临界转速必须小于2700rpm或是大于3300rpm，而在2700rpm～3300rpm范围内则是不合格的。

旋转机械轴系的临界转速取决于自身的质量m与刚度k，质量指旋转轴系自身的质量，而刚度则是指轴系自身的结构刚度与支撑轴承的支撑刚度，其中试验转子的结构刚度主要取决于支持轴承的支撑跨距，而支撑刚度则主要由轴承决定。

本发明的汽轮机叶轮旋转机械试验平台，其试验转子的跨距能够根据试验要求灵活调整，支持轴承的支撑刚度能够根据试验需要任意更改。因此，根据实际试验的要求：在试验前通过改变试验叶轮的数量和厚度（轴向尺寸），是否在转子拉杆螺栓3上增加辅助轮盘10，从而将试验转子的跨距调整到一个合理的范围；在试验过程中，通过润滑油供油***16实时调节油膜阻尼器的厚度，从而使得转子的支撑刚度灵活调节，确保试验转子的临界转速与试验工作转速避开一定的安全范围。

图1为一种不需要动力装置9的试验平台，其转子的转动完全通过试验中的其它介质来提供（如高速气流），主要模拟试验件在实际工作中的工况。

图2为需要通过电动机提供旋转动力的试验平台，主要模拟旋转零部件在工作转速下的强度工况。其中

图1、2中，试验前，可以根据实际的试验要求与试验目的，调整试验叶轮4、试验叶轮5和试验叶轮6的数量和厚度（轴向尺寸），并配准转子拉杆螺栓3，从而调整前试验转轴1和后试验转轴8的支撑跨距。

如果实际试验需要做三级叶轮的试验，但通过计算发现把紧三级叶轮4、5和6后的试验转子，其临界转速与试验工作转速比较接近，在试验过程中有共振的风险。这时，就可以通过增加一个辅助轮盘10的形式来加大试验转轴的跨距L，降低试验转轴的临界转速，进而保证试验转子的临界转速与试验转速避开一定的安全范围，如图3所示。

调整试验转子的支撑跨距的方法还有多种，即改变试验转子的轴向尺寸即可。

除了通过调整试验转子的跨距来改变试验转轴的临界转速外，试验过程中，还可以通过调整轴承的支撑刚度来调整试验转子的支持刚度，进而调整试验平台转轴的临界转速。本发明采用的方法是在轴承瓦套13的外圆增设一轴承外环11与厚度可调的封闭油腔，具体的：

如图4所示，是支撑刚度可调的可倾瓦块滑动轴承，轴承瓦套13与可倾瓦块14组成传统可倾瓦块滑动轴承的基本结构，同时在轴承瓦套13外圆上设置一对环形弹性密封元件12。该环形弹性密封元件12具有一定的弹性，且能够密封高压润滑油15。由轴承瓦套13与轴承外环11以及一对环形弹性密封元件12之间所封闭的腔室内充满了高压润滑油15。该高压润滑油15通过轴承外环11中的油路管道（即润滑油通道）与外部的高压润滑油供油***16相通，封闭油腔中的润滑油压可以通过高压润滑油供油***16自动灵活地调节。

在试验过程中，如果需要增大试验转子的临界转速，则可以通过增大封闭油腔中润滑油的压力来实现，润滑油的压力增大，试验转子的支撑刚度必然会增加，其临界转速也会相应增大；相反如果封闭油腔中润滑油的压力降低，则转子的支撑刚度必然会降低，试验转子的临界转速也会相应减小。如此，根据具体的试验情况、通过高压润滑油供油***16灵活地调整试验平台支持轴承的支撑刚度，进而灵活增大或减小试验转子的临界转速，确保转子的临界转速与工作转速避开一定的安全范围。

在正常工作条件下，弹性密封元件12以及其所密封的高压润滑油就是一个油膜阻尼器，该油膜阻尼器的作用相当于给支持轴承17增加了一个阻尼弹簧18，如附图5所示。该阻尼弹簧18除了可以调整试验转子的支撑刚度外，还可以有效吸收轴系弯曲振动的能量，衰减弯曲振动传递到基础的能量，能够有效降低该试验平台的噪音以及基础的振动。

试验平台的支持轴承除了可倾瓦滑动轴承外，还可以采用椭圆滑动轴承或是滚动轴承，其增加高压润滑油腔室的结构与可倾瓦滑动轴承相似，如图6、图7所示。

Claims (4)

1. 一种汽轮机叶轮旋转试验平台，使用转子拉杆螺栓将试验叶轮连接为一体、并在其两侧联接试验转轴，构成试验转子；所述旋转试验平台包括设置在试验转子两侧的轴承和给试验转子提供旋转动力的装置；其特征在于，所述轴承在轴承瓦套的外圆增设一个轴承外环，轴承瓦套与轴承外环之间具有间隙、该间隙内设置一对环形弹性密封元件，构成一个封闭油腔，封闭油腔通过油路管道与润滑油供油***连接，封闭油腔内油压的变化使得轴承的支撑刚度可调。

2.根据权利要求1所述的汽轮机叶轮旋转试验平台，其特征在于，所述轴承间的支撑跨距可调通过试验转子的轴向尺寸确定，具体的：根据试验要求确定试验叶轮的数量和厚度，或者在转子拉杆螺栓上增加辅助轮盘。

3.根据权利要求1所述的汽轮机叶轮旋转试验平台，其特征在于，所述轴承是可倾瓦块滑动轴承、椭圆滑动轴承或滚动轴承。

4.根据权利要求1～3中任一条所述的汽轮机叶轮旋转试验方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）根据试验要求确定试验叶轮的数量和厚度、是否增加辅助轮盘，确定轴承的支撑跨距与试验转轴的临界转速相适应；

（2）使用转子拉杆螺栓将试验叶轮连接为一体、并在其两侧联接试验转轴，构成试验转子；

（3）用一对支撑刚度可调的轴承支承试验转子两侧，通过润滑油供油***调节封闭油腔内的油压大小，使得该轴承的支承刚度与试验转轴的临界转速相适应；

（4）为试验转子提供动力、使其在工作转速下旋转，开始汽轮机叶轮的旋转试验，试验过程中：

a．如果试验转子的工作转速接近试验转轴的临界转速时，通过润滑油供油***调节封闭油腔内的油压增大，使得试验转轴的临界转速增大，从而使试验转子的工作转速不至于逼近试验转轴的临界转速；

b．如果试验转轴的临界转速过大时，通过润滑油供油***调节封闭油腔内的油压减小，使得试验转轴的临界转速减小，同时要注意不能使试验转子的工作转速逼近试验转轴的临界转速。

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