CN105424334A - 一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，包括基座，基座上设有转轴支座，转轴一端设于转轴支座上，转轴另一端设有扭振扰动部件，汽缸设于转轴中部，汽缸两侧分别设有第一惯性轮盘、第二惯性轮盘，测量模块设于扭振扰动部件、汽缸之间；扭振扰动部件包括设于转轴上的扰动部件支座，扭矩手轮同轴设于扰动部件支座前侧，扰动部件支座上设有卡块；测量模块包括传感器支架和伸出块；传感器支架设于基座上，用于安装电涡流位移传感器；伸出块同轴设于转轴上，作为电涡流位移传感器测量的基准。本发明还提供了一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试方法，可以研究不同叶片结构、不同流体工况对轴系扭振的阻尼效应。

Description

一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及汽轮机扭振实验***，尤其涉及一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置及方法。

背景技术

随着电力工业的发展，汽轮发电机组单机容量和功率密度不断增加，加之输电网络的大容量化、长距化和电力负荷的多样化，导致轴系较易发生扭振，对汽轮发电机组造成疲劳损伤甚至损坏，从而造成严重的经济损失甚至是安全事故。汽轮发电机组轴系扭振不同于轴系的弯曲振动，它具有很强的隐蔽性，主要表现在：即使扭振幅值很大，也很少能传递到地基上，现场人员很难发觉；而一旦轴系扭振增强到现场人员可以觉察的程度，轴系已经受到损坏。阻尼是影响轴系疲劳寿命的重要因素，其大小反映了振幅的衰减状态，而大型汽轮发电机组的轴系扭振是一种小阻尼谐振，一旦被激励起来，衰减很慢。可见，阻尼系数对扭振稳定性影响很大，在稳定性分析中它比模态振型和模态质量更重要，但它很难计算并且精度不高，现场测试是获得扭振模态阻尼比较好的方法。

目前国内还没有类似用于研究轴系扭振阻尼效应的带叶栅结构的实验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于研究不同叶片结构、不同流体工况对轴系扭振的阻尼效应的测试装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，其特征在于：包括基座，基座上设有转轴支座，转轴一端设于转轴支座上，转轴另一端设有扭振扰动部件，汽缸设于转轴中部，汽缸两侧分别设有第一惯性轮盘、第二惯性轮盘，测量模块设于扭振扰动部件、汽缸之间；

扭振扰动部件包括设于转轴上的扰动部件支座，扭矩手轮同轴设于扰动部件支座前侧，扰动部件支座上设有卡块；

测量模块包括传感器支架和伸出块；传感器支架设于基座上，用于安装电涡流位移传感器；伸出块同轴设于转轴上，作为电涡流位移传感器测量的基准。

优选地，所述扰动部件支座包括上扰动部件支座和下扰动部件支座，上扰动部件支座和下扰动部件支座盖合后的通孔为刀口形式，刀口直径大于所述转轴直径。

优选地，所述扭矩手轮上设有齿盘。

优选地，所述汽缸包括汽缸支座构成，汽缸支座设于基座上，用于支撑上汽缸、下汽缸，上汽缸、下汽缸配合安装在所述转轴上；上汽缸、下汽缸内壁设有衬套，动叶轮设于上汽缸、下汽缸内的转轴上，动叶栅连接动叶轮。

优选地，所述上汽缸、下汽缸和转轴之间通过汽封结构进行密封；上汽缸和下汽缸的配合面之间加垫橡胶垫。

优选地，所述汽缸上设有进气和排气接口；进气接口通过充气管路与流体源连接；排气接口安装旋拧阀。

优选地，所述转轴的末端通过键连接在转子支座上，转轴支座以悬臂形式支撑转轴。

本发明还提供了一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试方法，其特征在于：采用上述的带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，步骤为：

步骤1：传感器检查：

调节电涡流位移传感器的探头与伸出块表面的距离，使所述探头的电压为电涡流位移传感器供电电压的中间值；

步骤2：为动叶轮选用待测试的长度和形状的动叶栅；

步骤3：通过流体源向汽缸中充入设定压力的实验流体；

步骤4：旋转扭矩手轮，旋转卡块至卡块卡住扭矩手轮上的齿盘；

步骤5：松开卡块，转轴发生周期性扭转；同时记录转轴扭转的实验数据；

步骤6：通过分析实验数据，获得转轴的扭转衰减曲线，进而获得阻尼系数。

优选地，所述步骤1中，通过所述调节传感器支架的水平位置和电涡流位移传感器探头的伸出长度，使在竖直方向上，电涡流位移传感器探头对准所述伸出块并控制在设定的距离。

本发明在转子轴的一端设置扭振扰动部件，另一端通过键连接在转子支座上；在转子轴两端设有惯性轮盘，转子轴中央部位设置有汽缸，充入不同压力值的不同流体并作为叶栅的回转扭振腔室；汽缸中有动叶轮、动叶栅和衬套，动叶轮上可以更换不同长度不同形状的叶片，汽缸内可以更换不同厚度的衬套。转子***所有部件均架设在基座上。阻尼效应的测试方法是：通过扭振扰动部件使扭矩传递给转轴并使之做有阻尼自由振动；通过软件记录的转轴扭振衰减曲线计算出阻尼系数；本发明可利用实验测试不同粘度不同密度的流体以及不同叶片结构、不同惯量轮盘导致的不同扭振频率下流体对轴系扭振的阻尼效应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、无需采用驱动电机拖动转子***；

2、可以模拟不同流体粘度、不同流体压力、不同流体密度对转轴扭振的阻尼效应；

3、采用扭振扰动部件来驱动转轴的扭振振动；

4、更换不同长度以及不同形状的叶片，更换不同厚度的衬套来形成较小的流体腔；

5、转轴上不安装滚动轴承，不引入其他阻尼；

6、上扰动部件支座和下扰动部件支座盖合后的通孔为刀口形式，刀口直径约等于转轴直径，转轴扭振中不会产生碰撞，尽量减小了除叶栅与流体之外发生的阻尼能量耗散。

附图说明

图1为本实施例提供的带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置主视图；

图2为本实施例提供的带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置俯视图；

图3为扭振扰动部件主剖图；

图4为扭振扰动部件侧视图；

图5为扭振扰动部件侧向俯视图；

图6为测量模块结构示意图；

图7为汽缸结构示意图；

图8为带阻尼扭振幅度的衰减曲线。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

一、带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置

结合图1和图2，实验主体装置安装在基座8上，在基座8上，从左往右依次是：扭振扰动部件1、测量模块2、第一惯性轮盘3-1、汽缸4、转轴5、第二惯性轮盘3-2、转轴支座6，扭振扰动部件1、测量模块2、第一惯性轮盘3-1、汽缸4、第二惯性轮盘3-2均安装在转轴5上，转轴5安装在转轴支座6上。

基座由水泥基础和带燕尾槽的球墨铸铁基座构成，燕尾槽为扭振扰动部件、传感器模块、转轴支座、汽缸提供了便于安装和调节的接口；各支座分别通过燕尾槽螺栓和基座连接。

结合图3～图5，扭振扰动部件1由扭矩手轮1-1、上扰动支座1-2、下扰动支座下1-3和卡块1-4构成；上扰动部件支座1-2和下扰动部件支座1-3盖合后的通孔为刀口形式，刀口直径大于转轴5直径。扭矩手轮1-1同轴安装在上扰动部件支座1-2前侧，上扰动支座1-2上设有卡块1-4；扭矩手轮1-1用于产生一定的扭矩，松开卡块1-4激发转轴5的扭振。

结合图6，测量模块2包括传感器支架7和伸出块2-1，传感器支架7安装在靠近扭振扰动部件1的轴端，通过燕尾槽螺钉固定在基座8上，用于安装电涡流位移传感器A；伸出块2-1同轴设于转轴5上，伸出块2-1通过螺栓2-2固定在靠近扭振扰动部件1的转轴端，作为传感器测量的基准。通过调节传感器支架7的水平位置和电涡流位移传感器A探头的伸出长度，使在竖直方向上，电涡流位移传感器A探头对准伸出块2-1并控制在合适的距离。

结合图7，汽缸4由上汽缸4-1、衬套4-2、动叶栅4-3、动叶轮4-4、下汽缸4-5、汽缸支座4-6构成，汽缸支座4-6用燕尾槽螺栓固定在基座8上，用于支撑上、下汽缸，上汽缸4-1和下汽缸4-5配合安装在转轴5上，汽缸和转轴5之间用汽封结构进行密封，上汽缸4-1和下汽缸4-5的配合面之间加垫橡胶垫；上、下汽缸内壁设有衬套4-2，动叶轮4-4设于上、下汽缸内的转轴上，动叶栅4-3连接动叶轮4-4。汽缸上安装有进气和排气接口；进气接口通过充气管路9-2与流体源9-1连接；排气接口安装旋拧阀。

汽缸4用于密封一定粘度和一定密度的流体，通过流体源9-1保证流体腔的流体压力恒定为指定压力值。

动叶轮可以更换不同形状的动叶栅(直叶片或弯扭叶片)，根据叶片长度更换不同厚度的衬套4-3来形成与实际汽轮机相近的流体腔。

第一惯性轮盘3-1和第二惯性轮盘3-2作为转子的转动部件，轮盘有不同大小，更换轮盘用于模拟汽轮机组的转动质量。

转轴5的末端通过键连接在转子支座6上，约束转轴5的旋转自由度；转轴支座6以悬臂形式支撑转轴5，支撑整个转子***。

二、带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试方法

1、传感器检查：调节电涡流位移传感器A探头与伸出块2-1表面的距离，使探头的电压为电涡流位移传感器供电电压的中间值；(本实施例采用24V直流电供电，探头的合适电压值为11-12V)

2、根据实验条件安装一定长度一定形状的叶片；

3、通过流体源9-1向汽缸4中充入一定压力的实验流体；

4、旋转扭矩手轮1-1，旋转卡块1-4至卡块1-4卡住扭矩手轮1-1上的齿盘；

5、松开卡块1-4，转轴5发生周期性扭转；记录转轴5扭转的实验数据；

6、通过分析实验数据，获得转轴扭转衰减曲线，如图8所示，进而获得阻尼系数。

图8中，A(t)为随时间衰减的扭振振幅，ω是无阻尼下的自振频率，ξ为阻尼比，t为时间，y(t)为扭振幅度衰减曲线，有阻尼下的自振频率

相关研究已表明，扭振振幅是按等比级数衰减的，阻尼比ξ值愈大，则衰减速度愈快。一般的，如果ξ＜0.2，则于是有其中，y_k+1与y_k为经过一个周期的相邻振幅。

工程上一般通过实测扭振衰减曲线，并通过上述定义来计算阻尼比ξ。

Claims (9)

1.一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，其特征在于：包括基座(8)，基座(8)上设有转轴支座(6)，转轴(5)一端设于转轴支座(6)上，转轴(5)另一端设有扭振扰动部件(1)，汽缸(4)设于转轴(5)中部，汽缸(4)两侧分别设有第一惯性轮盘(3-1)、第二惯性轮盘(3-2)，测量模块(2)设于扭振扰动部件(1)、汽缸(4)之间；

扭振扰动部件(1)包括设于转轴(5)上的扰动部件支座，扭矩手轮(1-1)同轴设于扰动部件支座前侧，扰动部件支座上设有卡块(1-4)；

测量模块(2)包括传感器支架(7)和伸出块(2-1)；传感器支架(7)设于基座(8)上，用于安装电涡流位移传感器(A)；伸出块(2-1)同轴设于转轴(5)上，作为电涡流位移传感器(A)测量的基准。

2.如权利要求1所述的一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，其特征在于：所述扰动部件支座包括上扰动部件支座(1-2)和下扰动部件支座(1-3)，上扰动部件支座(1-2)和下扰动部件支座(1-3)盖合后的通孔为刀口形式，刀口直径大于所述转轴(5)直径。

3.如权利要求1所述的一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，其特征在于：所述扭矩手轮(1-1)上设有齿盘。

4.如权利要求1所述的一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，其特征在于：所述汽缸(4)包括汽缸支座(4-6)构成，汽缸支座(4-6)设于基座(8)上，用于支撑上汽缸(4-1)、下汽缸(4-5)，上汽缸(4-1)、下汽缸(4-5)配合安装在所述转轴(5)上；上汽缸(4-1)、下汽缸(4-5)内壁设有衬套(4-2)，动叶轮(4-4)设于上汽缸(4-1)、下汽缸(4-5)内的转轴上，动叶栅(4-3)连接动叶轮(4-4)。

5.如权利要求1或4所述的一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，其特征在于：所述上汽缸(4-1)、下汽缸(4-5)和转轴(5)之间通过汽封结构进行密封；上汽缸(4-1)和下汽缸(4-5)的配合面之间加垫橡胶垫。

6.如权利要求1所述的一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，其特征在于：所述汽缸(4)上设有进气和排气接口；进气接口通过充气管路(9-2)与流体源(9-1)连接；排气接口安装旋拧阀。

7.如权利要求1所述的一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，其特征在于：所述转轴(5)的末端通过键连接在转子支座(6)上，转轴支座(6)以悬臂形式支撑转轴(5)。

8.一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，步骤为：

步骤1：传感器检查：

调节电涡流位移传感器(A)的探头与伸出块(2-1)表面的距离，使所述探头的电压为电涡流位移传感器(A)供电电压的中间值；

步骤2：为动叶轮选用待测试的长度和形状的动叶栅；

步骤3：通过流体源(9-1)向汽缸(4)中充入设定压力的实验流体；

步骤4：旋转扭矩手轮(1-1)，旋转卡块(1-4)至卡块(1-4)卡住扭矩手轮(1-1)上的齿盘；

步骤5：松开卡块(1-4)，转轴(5)发生周期性扭转；同时记录转轴(5)扭转的实验数据；

步骤6：通过分析实验数据，获得转轴(5)的扭转衰减曲线，进而获得阻尼系数。

9.如权利要求1所述的一种带叶栅结构的轴系扭振阻尼效应的测试装置，其特征在于：所述步骤1中，通过所述调节传感器支架(7)的水平位置和电涡流位移传感器(A)探头的伸出长度，使在竖直方向上，电涡流位移传感器(A)探头对准所述伸出块(2-1)并控制在设定的距离。