动平衡实验平台和动平衡实验测点选取方法

技术领域

本申请涉及转子的实验检验装置，具体地涉及一种动平衡实验平台和动平衡实验测点选取方法。

背景技术

转子广泛用于工业生产的各个领域，由于加工误差、加工工艺以及装配精度等因素的影响。转子在装配完毕后不可避免地存在初始不平衡质量，这种不平衡质量一旦超过一定限度，不仅可能导致转子本身结构弯曲，而且转子在运行过程中也会产生较大振动，极易引发转子本身结构的损伤以及轴承的破坏，进而导致事故的发生。因此，转子在实际使用之前需要进行转子动平衡测试，以保证转子的振动在允许的合理范围内。

对于一般的刚性转子，往往工作在一阶临界转速以下，因此，仅需在工作转速对转子进行动平衡测试即可。然而，对于重型燃气轮机转子，其工作转速通常在转子系统的二阶临界转速以上，此时的转子通常为柔性转子。在升速至工作转速时需要越过第一阶及第二阶临界转速，因此，对于转子的动平衡有着更加严苛的要求，不仅要降低转子本身的刚体不平衡质量带来的振动，同时需要控制转子在越过临界转速时由于共振产生的振动。

由于，燃气轮机转子通常体型较大，制造成本昂贵，在实际的燃气轮机转子上进行动平衡测试与研究往往是不现实的。因此，在实验室条件下进行燃气轮机转子模型的动平衡测试与研究是一种重要的动平衡研究方法。

目前，已有多种转子的动平衡实验系统，然而，这些实验系统仍然存在以下不足：

一、现有的转子动平衡实验系统可进行刚体转子以及一阶临界转速的动平衡实验，难以实现转子二阶临界转速的动平衡实验。

二、现有的转子动平衡实验系统的传感器等测量设备往往需要采用有线连接的方式与动平衡设备或计算机相连，使用复杂。

发明内容

本申请旨在提出一种动平衡实验平台，可以根据待测转子的刚体不平衡质量和转子的振型实现转子一阶以及高阶临界转速的动平衡。

本申请提出一种动平衡实验平台，所述动平衡实验平台包括：

轴承座，所述轴承座用于支承待测转子，所述待测转子包括轮盘组；以及

位移传感器，所述位移传感器用于测量所述待测转子在待测点的振动位移，所述位移传感器设置有多个，所述位移传感器包括在所述轴承座附近测量所述待测转子的位移传感器和对所述轮盘组进行测量的位移传感器。

优选地，所述轮盘组包括多个轮盘，对所述轮盘组进行测量的所述位移传感器包括分别对准所述轮盘组的轴向两端的两个轮盘的两个位移传感器。

优选地，所述待测转子包括多个轮盘组及连接两个相邻的轮盘组的连接轴，所述位移传感器包括对准所述连接轴的位移传感器。

优选地，所述位移传感器包括：

对准所述轴承座的侧方的轴的位移传感器；以及

对准所述待测转子的轴等效半径与所述待测转子的安装轴承处的轴半径的比值大于5的位置的位移传感器。

优选地，在所述待测转子的一阶或高阶振幅小于所述待测转子的一阶或高阶振幅的最大值的五分之一的位置不设置所述位移传感器。

优选地，所述动平衡实验平台还包括霍尔传感器，所述待测转子包括键相器，所述霍尔传感器对准所述键相器。

本申请还提出一种动平衡实验测点选取方法，所述动平衡实验用于对待测转子进行测量，所述待测转子通过轴承座支承，所述待测转子包括轮盘组，所述动平衡实验测点选取方法包括：

选择对应于所述轴承座附近的位置；

选择对应于所述轮盘组的位置；以及

选择所述待测转子的轴等效半径与所述待测转子的安装轴承处的轴半径的比值大于5的位置。

优选地，所述动平衡实验测点选取方法还包括：选择对应于连接轴位置，所述连接轴用于连接两个相邻的轮盘组。

优选地，选择对应于所述轮盘组的轴向两端的两个轮盘的位置。

优选地，在所述测点中，所述待测转子的一阶或高阶振幅小于待测转子的一阶或高阶振幅的最大值的五分之一的测点被排除。

通过采用上述技术方案，在待测转子的多个特定位置设置位移传感器进行检测，通过获得的数据，可以实现转子的刚体平衡、一阶以及高阶动平衡。

附图说明

图1示出了根据本申请的实施方式的动平衡实验平台对待测转子进行实验的结构示意图。

图2示出了待测转子的透平轮盘组的结构示意图。

图3示出了待测转子的透平轮盘组的第一级透平轮盘的结构示意图。

图4示出了待测转子的透平轮盘组的第四级透平轮盘的结构示意图。

图5示出了待测转子的压气机轮盘组的结构示意图。

图6示出了待测转子的压气机轮盘组的第一级压气机轮盘的结构示意图。

图7示出了待测转子的压气机轮盘组的第四级压气机轮盘的结构示意图。

附图标记说明

100 待测转子 101 透平轴

102 透平轮盘组 102A 第一级透平轮盘 102A1 第一级透平轮盘动平衡孔 102B第二级透平轮盘 102C第三级透平轮盘 102D 第四级透平轮盘 102D1 第四级透平轮盘动平衡孔

103 连接轴

104 压气机轮盘组 104A 第一级压气机轮盘 104A1 第一级压气机轮盘动平衡孔104B 第二级压气机轮盘 104C 第三级压气机轮盘 104D 第四级压气机轮盘 104D1 第四级压气机轮盘动平衡孔

105 压气机轴 106 键相器

1 底座 11 第一轴承座 12 第二轴承座

2 驱动电机 21 联轴器

3 变频器

4 激光位移传感器 41 第一激光位移传感器 42 第二激光位移传感器 43 第三激光位移传感器 44 第四激光位移传感器 45 第五激光位移传感器 46 第六激光位移传感器 47 第七激光位移传感器

5 霍尔传感器

6 信号采集模块

7 计算分析模块

8 无线传输模块

C 周向

具体实施方式

为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权利要求为准。

如图1至图7所示，本申请提出一种动平衡实验平台，其包括底座1、驱动电机2、变频器3、位移传感器、霍尔传感器5、信号采集模块6、计算分析模块7、无线传输模块8和计算机9。

动平衡实验平台用于对待测转子100进行动平衡测试实验，本实施方式中，待测转子100用于模拟燃气轮机转子。

如图1所示，待测转子100可以包括透平轴101、透平轮盘组102、连接轴103、压气机轮盘组104、压气机轴105和键相器106。透平轴101连接于透平轮盘组102，连接轴103的两端分别连接透平轮盘组102和压气机轮盘组104，压气机轴105连接于压气机轮盘组104，键相器106可以连接于压气机轴105。

如图2至图4所示，透平轮盘组102包括第一级透平轮盘102A、第二级透平轮盘102B、第三级透平轮盘102C和第四级透平轮盘102D，第一级透平轮盘102A、第二级透平轮盘102B、第三级透平轮盘102C和第四级透平轮盘102D可以同轴地连接在一起。第一级透平轮盘102A和第四级透平轮盘102D位于透平轮盘组102的轴向两端。第一级透平轮盘102A可以设置有多个第一级透平轮盘动平衡孔102A1，第一级透平轮盘动平衡孔102A1位于第一级透平轮盘102A的外缘部分，多个第一级透平轮盘动平衡孔102A1可以沿第一级透平轮盘102A的周向C排列。第四级透平轮盘102D可以设置有多个第四级透平轮盘动平衡孔102D1，第四级透平轮盘动平衡孔102D1可以位于第四级透平轮盘102D的外缘部分，多个第四级透平轮盘动平衡孔102D1可以沿第四级透平轮盘102D的周向C排列。第一级透平轮盘动平衡孔102A1和第四级透平轮盘动平衡孔102D1均可以设置为大于或等于60个，第一级透平轮盘动平衡孔102A1和第四级透平轮盘动平衡孔102D1用于连接例如螺栓的动平衡件。

如图5至图7所示，压气机轮盘组104包括第一级压气机轮盘104A、第二级压气机轮盘104B、第三级压气机轮盘104C和第四级压气机轮盘104D，第一级压气机轮盘104A、第二级压气机轮盘104B、第三级压气机轮盘104C和第四级压气机轮盘104D可以同轴地连接在一起。第一级压气机轮盘104A和第四级压气机轮盘104D位于压气机轮盘组104的轴向两端。第一级压气机轮盘104A可以设置有多个第一级压气机轮盘动平衡孔104A1，第一级压气机轮盘动平衡孔104A1可以位于第一级压气机轮盘104A的外缘部分，多个第一级压气机轮盘动平衡孔104A1可以沿第一级压气机轮盘104A的周向C排列。第四级压气机轮盘104D可以设置有多个第四级压气机轮盘动平衡孔104D1，第四级压气机轮盘动平衡孔104D1可以设置于第四级压气机轮盘104D的外缘部分，多个第四级压气机轮盘动平衡孔104D1可以沿第四级压气机轮盘104D的周向C排列。第一级压气机轮盘动平衡孔104A1和第四级压气机轮盘动平衡孔104D1均可以设置为大于或等于60个，第一级压气机轮盘动平衡孔104A1和第四级压气机轮盘动平衡孔104D1用于连接例如螺栓的动平衡件。

可以理解，在本实施方式中，透平轮盘组102和压气机轮盘组104都包含4个轮盘结构，然而在其他可能的实施方式中，透平轮盘组和压气机轮盘组的轮盘结构的数量可能更多也可能更少，并且透平轮盘组和压气机轮盘组的轮盘结构的数量可以相同也可以不同。

底座1设置有第一轴承座11和第二轴承座12，第一轴承座11和第二轴承座12均安装有轴承，轴承安装于待测转子100，使第一轴承座11和第二轴承座12支承待测转子100。第一轴承座11可以用于支撑透平轴101，第二轴承座12可以用于支承压气机轴105。

可以理解，在本实施方式中，通过第一轴承座11和第二轴承座12来支承待测转子100，而在其他可能的实施方式中，可以使用更多数量的轴承座支承待测转子。

待测转子100可以通过联轴器21连接于驱动电机2的输出轴，从而使驱动电机2驱动待测转子100旋转。变频器3连接于驱动电机2，变频器3可以控制驱动电机2按实验所需的设定转速旋转。

位移传感器可以是激光位移传感器4，激光位移传感器4可以通过非接触的方式测量待测转子100在转动时的位移量。

可以理解，高阶临界转速包括二阶临界转速、三阶临界转速和更高阶临界转速，在下面的描述中，高阶临界转速有时简称为高阶。

激光位移传感器4的测点位置和数量可以通过以下方式获得。

(步骤1)确定待测转子100的转子轴(包括透平轴101、连接轴103和压气机轴105)的直径突变结构的个数C

可以理解，待测转子100的直径突变结构可能对动平衡产生影响，因此需要激光位移传感器对该位置测量。

(步骤2)确定转子轮盘组的个数C

可以理解，对于单个轮盘的轮盘组需要布置一个位移传感器，对于多个轮盘的轮盘组需要在轮轴组的轴向两端的两个轮盘各布置一个位移传感器，从而使动平衡实验平台能够对待测转子100实现高阶动平衡。

(步骤3)确定支承待测转子100的轴承座的个数C

(步骤4)以待测转子100的轴承座位置为计算节点，计算需要平衡的待测转子100的各阶振型，获得以下参数

计算转子各阶次振型振幅的最大值A

C

(步骤5)确定需要的激光位移传感器测点的总个数L

L

在本实施方式中，激光位移传感器4包括第一激光位移传感器41、第二激光位移传感器42、第三激光位移传感器43、第四激光位移传感器44、第五激光位移传感器45、第六激光位移传感器46和第七激光位移传感器47。

第一激光位移传感器41可以安装在第一轴承座11附近，第一激光位移传感器41对准第一轴承座11附近的透平轴101，用于监测在第一轴承座11附近位置的透平轴101的振动幅值与相位。

第二激光位移传感器42可以对准透平轮盘组102的第四级透平轮盘102D，用于监测第四级透平轮盘102D的振动幅值和相位。

第三激光位移传感器43可以对准透平轮盘组102的第一级透平轮盘102A，用于监测第一级透平轮盘102A的振动幅值和相位。

第四激光位移传感器44可以对准连接轴103，用于监测连接轴103的振动幅值和相位。

第五激光位移传感器45可以对准压气机轮盘组104的第四级压气机轮盘104D，用于监测第四级压气机轮盘104D的振动幅值和相位。

第六激光位移传感器46可以对准压气机轮盘组104的第一级压气机轮盘104A，用于监测第一级压气机轮盘104A的振动幅值和相位。

第七激光位移传感器47可以安装在第二轴承座12附近，第七激光位移传感器47对准第二轴承座12附近的压气机轴105，用于监测在第二轴承座12附近位置的压气机轴105的振动幅值与相位。

信号采集模块6与7个激光位移传感器4以及霍尔传感器5相连，信号采集模块6可以同步采集霍尔传感器5的脉冲信号和激光位移传感器4的振动电信号。计算分析模块7与信号采集模块6相连，计算分析模块7可以实时计算分析各个激光位移传感器4测点的振动位移信号的幅值和相位。无线传输模块8与计算分析模块7相连，无线传输模块8可将计算分析模块7计算出的幅值和相位信息无线传输至计算机9。

(本申请的动平衡实验平台对待测转子进行测量的工作过程)

驱动电机2由变频器3控制转速，驱动电机2可以驱动待测转子100旋转并升速至一阶临界转速附近。霍尔传感器5采集的脉冲电信号输出至信号采集模块6，各测点激光位移传感器采集的振动电信号同步输出至信号采集模块6。信号采集模块6将采集到的脉冲电信号和振动电信号输出至计算分析模块7，由计算分析模块7根据脉冲电信号和振动电信号计算出待测转子100的转速以及各个激光位移传感器测点的振动幅值大小和相位。该数据通过无线传输模块8发送至计算机9，由计算机9计算出平衡在该转速下动平衡所需的动平衡质量和相位。根据计算数据分别在第一级压气机轮盘动平衡孔104A1、第四级压气机轮盘动平衡孔104D1、第一级透平轮盘动平衡孔102A1以及第四级透平轮盘动平衡孔102D1的对应位置安装动平衡件，增加平衡质量。由此，完成第一阶临界转速的动平衡。然后通过变频器3控制驱动电机2将待测转子100升速至第二阶临界转速附近，重复上述步骤对第二阶临界转速进行平衡。平衡完毕后可以继续通过变频器3控制驱动电机2将待测转子100升速至第二阶临界转速以上工作。

本申请综合考虑待测转子100的结构和仿真振型来确定位移传感器的测点数目和位置，这样可以将测点布置在由于转子振型导致振动较大的位置，可以对待测转子100进行高阶动平衡测试，进而实现较好的动平衡效果。

本申请的动平衡实验平台具有以下优点：

1.本申请基于待测转子的结构通过计算获得测点数量和位置，在特定位置设置多个测点监测，因此不仅可以实现转子的刚体平衡，还可以实现转子的一阶以及高阶动平衡。

2.无线传输模块不需要线缆连接就可以将振动幅值、相位等数据实时传输至计算机，避免了有线连接方式的空间限制，大大降低了操作复杂度。

在其他可能的实施方式中，待测转子的结构可以与上述具体实施方式不同，例如待测转子在第二轴承座12外侧的键相器106附近可以具有轮盘(Pi大于5)，且振型计算出的振型振幅较大(A大于1/5A

虽使用上述实施方式对本申请进行了详细说明，但对于本领域技术人员来说，本申请显然并不限于在本说明书中说明的实施方式。本申请能够在不脱离由权利要求书所确定的本申请的主旨以及范围的前提下加以修改并作为变更实施方式加以实施。因此，本说明书中的记载以示例说明为目的，对于本申请并不具有任何限制性的含义。