一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置的製作方法

2023-08-10 19:33:21 2

專利名稱：一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及微型燃氣輪機技術領域，特別涉及一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性 能測試實驗裝置。
背景技術：
微型燃氣輪機是一類新近發展起來的小型熱力發動機，具有多臺集成擴容、低燃 料消耗率、低噪音、低排放和低振動等優點。微型燃氣輪機在軍事和民用方面都具有非常廣 闊的應用前景。目前，美國、俄羅斯和日本都有多家企業在積極開發、製造相應的設備，美國 的多家企業已經製造出商業化的微型燃氣輪機發電裝置。我國對微型燃氣輪機的研發尚處 於樣機設計和製造階段，通過實驗來檢驗樣機的整體性能是設計和製造樣機過程中最重要 的步驟之一。由於整個微型燃氣輪機系統包括燃燒室、壓氣機、燃氣渦輪、軸承_轉子系統 和發電機等部分，結構較為複雜，為了保證微型燃氣輪機樣機設計和製造的成功率，在整機 集成之前，有必要對各功能部件進行系統的實驗驗證，因此，設計一套實驗裝置來檢驗所設 計的微型燃氣輪機轉子系統的綜合性能是非常重要的。微型燃氣輪機轉子系統是整個微型燃氣輪機系統的核心部分，轉子系統性能的優 劣直接影響整個微型燃氣輪機系統的性能和壽命。微型燃氣輪機轉子系統主要由壓氣機葉 輪、渦輪葉輪、帶推力盤的轉子軸套、聯軸器聯接件、連接上述4個零件的拉杆、鎖緊螺母和 鎖緊墊片組成。轉子系統由兩個徑向彈性箔片氣體軸承和一對面對面安裝的推力彈性箔片 氣體軸承支承。微型燃氣輪機轉子系統的性能主要取決於下列因素一、彈性箔片氣體軸承 的承載能力、穩定性和壽命；二、彈性箔片氣體軸承供氣通道設計的合理性；三、轉子系統 自身的穩定性和高轉速下的結構完整性。目前國內外還沒有專門的面向微型燃氣輪機模擬轉子的動態性能測試實驗裝置。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種微型燃氣輪機模擬轉子 動態性能測試實驗裝置，實現模擬轉子動態性能的測試，進而反映出真實轉子的動態性能， 該實驗裝置具有結構簡單的優點。為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為—種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，包括轉子部分I，轉子部分I 安裝在定子部分II上。所述的轉子部分I包括兩端帶有螺紋的拉杆1，拉杆1的中部配置有轉子軸套2， 轉子軸套2靠近推力盤的一端連接有模擬壓氣機葉輪3，另一端連接有模擬渦輪葉輪4，模 擬壓氣機葉輪3的另一端連接有聯軸器聯接件5，拉杆1將模擬壓氣機葉輪3、模擬渦輪葉 輪4、聯軸器聯接件5和轉子軸套2連接成一體，轉子軸套2上套有兩個安裝在定子部分II 上的徑向彈性箔片氣體軸承6，轉子軸套2的推力盤兩側分別和安裝在定子部分II上的第 一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力彈性箔片氣體軸承8接觸。
所述的定子部分II包括兩個徑向彈性箔片氣體軸承6，兩個徑向彈性箔片氣體軸 承6安裝在軸承座11的中心孔內並由徑向軸承隔環12隔開，徑向軸承隔環12的圓周面上 配置有至少一個通孔，通孔與軸承座11圓周上的通孔相通，軸承座11裝在殼體13內，軸承 座11半徑小的外圓面與殼體13半徑大的內圓面形成供氣室14，供氣室14通過安裝在殼體 13側面的進氣接口 15與供氣系統相連，殼體13的內圓面和軸承座11的外圓面靠近模擬渦 輪葉輪4的配合處固接，軸承座11靠近模擬壓氣機葉輪3的一端裝有第一端蓋18，另一端 裝有第二端蓋19，第一端蓋18內開有氣體通道與軸承座11上的通孔以及供氣室14相通， 第二推力彈性箔片氣體軸承8裝在第一端蓋18上，第一推力彈性箔片氣體軸承7裝在軸承 座11靠近模擬壓氣機葉輪3的端面上，第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力彈性箔片 氣體軸承8之間配置有推力軸承隔環20，軸承座11的圓周上配置有至少一對寬槽和至少 一對窄槽，窄槽的底部開有通孔，窄槽靠近模擬壓氣機葉輪3並與軸承座11端面平行的一 個側面上開有至少一個通孔，通孔與供氣室14聯通，寬槽的底部開有至少一個螺紋孔，寬 槽底部的螺紋孔中配置有電渦流位移傳感器21，寬槽靠近模擬壓氣機葉輪3並與軸承座11 端面平行的一個側面上開有至少一個通孔，通孔與供氣室14聯通，在軸承座11靠近模擬渦 輪葉輪4的端面的凸緣上開有至少兩個相對的通孔和至少兩個螺紋孔，兩個相對的通孔與 供氣室14聯通，螺紋孔中配置有電渦流位移傳感器21，電渦流位移傳感器21的信號輸出端 分別與計算機相連。所述的徑向彈性箔片氣體軸承6表面塗有減摩耐磨塗層。所述的第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力彈性箔片氣體軸承8表面塗有減 摩耐磨塗層。所述的模擬壓氣機葉輪3和模擬渦輪葉輪4與各自的真實葉輪相比，其軸向尺寸、 質量、質心位置和轉動慣量都相同。所述的第一端蓋18和第二端蓋19上設置篦齒密封結構。所述的第一端蓋18和第二端蓋19與轉子軸套2均為間隙配合。所述的模擬壓氣機葉輪3與轉子軸套2之間採用過盈配合。所述的聯軸器聯接件5與模擬壓氣機葉輪3之間採用過盈配合。所述的模擬渦輪葉輪4與轉子軸套2之間採用過盈配合。本發明的工作原理是模擬轉子系統運行之前，先由供氣系統通過殼體13側面的 進氣接口 15向由軸承座11和殼體13所形成的供氣室14內注入一定壓力和溼度的氣體， 為徑向彈性箔片氣體軸承6、第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力彈性箔片氣體軸承 8提供潤滑介質，驅動系統通過高速聯軸器連接聯軸器聯接件5，帶動由模擬壓氣機葉輪3、 模擬渦輪葉輪4、轉子軸套2、聯軸器聯接件5和拉杆1所組成的轉子系統轉動，轉子系統轉 速較低時，徑向彈性箔片氣體軸承6和第一推力彈性箔片氣體軸承7、第二推力彈性箔片氣 體軸承8的表面尚未形成足夠的氣膜力以支承轉子系統，此時轉子軸套2與徑向彈性箔片 氣體軸承6以及第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力彈性箔片氣體軸承8相接觸，隨 著轉速的升高，在轉子軸套2和徑向彈性箔片氣體軸承6以及第一推力彈性箔片氣體軸承7 和第二推力彈性箔片氣體軸承8之間形成承載力足夠的氣膜力，實現轉子系統在徑向和軸 向的懸浮，裝在軸承座11上的電渦流位移傳感器21用來檢測轉子系統的位移信號，利用這 些信號可以對轉子系統的運行狀態進行監測。
本發明的有益效果是採用徑向彈性箔片氣體軸承6、第一推力彈性箔片氣體軸 承7和第二推力彈性箔片氣體軸承8作為支承，使轉子系統可以工作在極高的轉速下，避開 了採用滾動軸承或油潤滑滑動軸承時的速度限制和所需解決的油潤滑系統的問題；轉子系 統所採用的模擬壓氣機葉輪3和模擬渦輪葉輪4具有和真實葉輪相同的軸向尺寸、質量、質 心位置和轉動慣量，在此情況下，採用不等徑圓盤來代替真實葉輪，對轉子系統的綜合性能 影響較小，避開了在實驗中採用真實葉輪需要處理的諸多複雜問題，又降低了加工難度、節 約了實驗成本；採用殼體13和軸承座11組合形成供氣室14，使得整個實驗裝置結構緊湊、 密封效果良好；軸承座11和第一端蓋18上開有通氣孔，能方便地為徑向彈性箔片氣體軸 承6以及第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力彈性箔片氣體軸承8提供潤滑氣體；供 氣室14中氣體的壓力、溫度和溼度等可以通過供氣系統進行調節，可實現多種工況下的實 驗，得到不同工況下模擬轉子系統的運行狀況。


圖1是本發明的軸向剖視圖。圖2是本發明的左視圖。圖3是本發明轉子部分I的軸向剖視圖。圖4是本發明定子部分II的軸向剖視圖。圖5是圖1的A-A局部剖視圖。圖6是圖1的B-B局部剖視圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理做詳細說明。參照圖1，一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，包括轉子部分I， 轉子部分I安裝在定子部分II上。參照圖1、圖2和圖3，轉子部分I包括兩端帶有螺紋的拉杆1，拉杆1的中部配置 有轉子軸套2，轉子軸套2靠近推力盤的一端連接有模擬壓氣機葉輪3，另一端連接有模擬 渦輪葉輪4，模擬壓氣機葉輪3的另一端連接有聯軸器聯接件5，拉杆1的兩端通過鎖緊螺 母22和鎖緊墊片23將模擬壓氣機葉輪3、模擬渦輪葉輪4、聯軸器聯接件5和轉子軸套2 連接成一體，起到緊固和防松的作用，拉杆1中帶有一定量的裝配預緊力，過盈配合、裝配 預緊力和防松結構相結合，可以有效地保證轉子系統高速運轉時的結構完整性，轉子軸套2 上套有兩個安裝在定子部分II上的徑向彈性箔片氣體軸承6，實現對轉子部分I的徑向支 承，轉子軸套2的推力盤兩側分別和安裝在定子部分II上的第一推力彈性箔片氣體軸承7 和第二推力彈性箔片氣體軸承8接觸，實現對轉子部分I的軸向支承。參照圖1、圖2、圖4、圖5和圖6，所述的定子部分II包括徑向彈性箔片氣體軸承 6，徑向彈性箔片氣體軸承6裝在第一軸承套9和第二軸承套10中，第一軸承套9和第二軸 承套10安裝在軸承座11的中心孔內並由徑向軸承隔環12隔開，徑向軸承隔環12的圓周 面上配置有兩個相對的通孔，通孔與軸承座11圓周上的通孔相通，為徑向彈性箔片氣體軸 承6供氣，第一軸承套9和第二軸承套10由孔用彈性擋圈24來定位，軸承座11裝在殼體 13內，軸承座11半徑小的外圓面與殼體13半徑大的內圓面形成供氣室14，供氣室14通過安裝在殼體13側面的進氣接口 15與供氣系統相連，殼體13靠近模擬渦輪葉輪4的端面上 和軸承座11帶有凸緣的端面上都開有中心線在殼體13的內圓面和軸承座11的外圓面的 配合面上的半銷釘孔，兩個半銷釘孔組合形成完整的銷釘孔，銷釘孔中裝有銷釘25，通過銷 釘25對軸承座11進行周向定位，殼體13的兩端面上分別有一個溝槽安裝有0型密封圈 16，軸承座11的兩端面上分別有兩個溝槽安裝有0型密封圈16，殼體13兩端裝有壓環17， 並通過第一螺釘26來固定，用來壓緊殼體13和軸承座11端面上的0型密封圈16，起到密 封的作用，軸承座11靠近模擬壓氣機葉輪3的一端裝有第一端蓋18，另一端裝有第二端蓋 19，並分別壓緊裝在軸承座11兩端面溝槽中的0型密封圈16，起到密封的作用，第一端蓋 18和第二端蓋19均通過第二螺釘27來固定，第一端蓋18內分別均布地開有五個盲孔和 五個軸線與第一端蓋18軸線夾角為30°的通孔，以及五個軸線平行於第一端蓋18軸線的 通孔，第一端蓋18上的盲孔和通孔通過軸承座11對應端面上的通孔和供氣室14相通，為 第二推力彈性箔片氣體軸承8供氣，第一端蓋18的圓周面上的盲孔由沉頭螺釘28來密封， 第二推力彈性箔片氣體軸承8裝在第一端蓋18上，第一推力彈性箔片氣體軸承7裝在軸承 座U靠近模擬壓氣機葉輪3的端面上，第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力彈性箔片 氣體軸承8之間配置有推力軸承隔環20，推力軸承隔環20與轉子軸套2之間為間隙配合 並對第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力彈性箔片氣體軸承8起到固定作用，軸承座 11的圓周上開有兩個用來安裝電渦流位移傳感器21的寬槽和兩個用來聯通供氣通道的窄 槽，兩個窄槽的底部開有通孔，為第一推力彈性箔片氣體軸承7和靠近模擬壓氣機葉輪3的 徑向彈性箔片氣體軸承6供氣，窄槽靠近模擬壓氣機葉輪3並與軸承座11端面平行的一個 側面上開有兩個通孔，兩個通孔與供氣室14聯通，兩個寬槽的底部開有螺紋孔，兩個電渦 流位移傳感器21分別安裝在寬槽底部的螺紋孔中，兩個電渦流位移傳感器21的軸線在平 面B-B內，軸線夾角為90°，寬槽靠近模擬壓氣機葉輪3並與軸承座11端面平行的一個側 面上開有兩個通孔，兩個通孔與供氣室14聯通，在軸承座11靠近模擬渦輪葉輪4的端面的 凸緣上開有兩個相對的通孔和兩個螺紋孔，兩個相對的通孔與供氣室14聯通，為徑向彈性 箔片氣體軸承6供氣，兩個電渦流位移傳感器21分別裝在兩個螺紋孔中，兩個電渦流位移 傳感器21的軸線在平面A-A內，軸線夾角為90°，電渦流位移傳感器21的信號輸出端分別 與計算機相連。所述的徑向彈性箔片氣體軸承6表面塗有減摩耐磨塗層。所述的第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力彈性箔片氣體軸承8表面塗有減 摩耐磨塗層。所述的模擬壓氣機葉輪3和模擬渦輪葉輪4與各自的真實葉輪相比，其軸向尺寸、 質量、質心位置和轉動慣量都相同，在此情況下採用不等徑圓盤來代替真實葉輪，對轉子系 統的綜合性能影響較小，這樣處理，既抓住了主要問題，又避開了在實驗中採用真實葉輪需 要處理的諸多複雜問題，且降低了加工難度、節約了實驗成本。所述的第一端蓋18和第二端蓋19上設置篦齒密封結構。所述的第一端蓋18和第二端蓋19與轉子軸套2均為間隙配合。所述的模擬壓氣機葉輪3與轉子軸套2之間採用過盈配合。所述的聯軸器聯接件5與模擬壓氣機葉輪3之間採用過盈配合。所述的模擬渦輪葉輪4與轉子軸套2之間採用過盈配合。
本發明的工作原理是模擬轉子系統運行之前，先由供氣系統通過殼體13側面的 進氣接口 15向由軸承座11和殼體13等所形成的供氣室內注入一定壓力和溼度的氣體，供 氣通道將氣體送到徑向彈性箔片氣體軸承6以及第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力 彈性箔片氣體軸承8表面，為徑向彈性箔片氣體軸承6以及第一推力彈性箔片氣體軸承7 和第二推力彈性箔片氣體軸承8提供潤滑介質，驅動系統通過高速聯軸器連接聯軸器聯接 件5，帶動由模擬壓氣機葉輪3、模擬渦輪葉輪4、轉子軸套2、聯軸器聯接件5和拉杆1所組 成的轉子系統轉動，轉子系統轉速較低時，徑向彈性箔片氣體軸承6、第一推力彈性箔片氣 體軸承7和第二推力彈性箔片氣體軸承8的表面尚未形成足夠的氣膜力以支承轉子系統， 此時轉子軸套2和徑向彈性箔片氣體軸承6以及第一推力彈性箔片氣體軸承7和第二推力 彈性箔片氣體軸承8相接觸，徑向彈性箔片氣體軸承6以及第一推力彈性箔片氣體軸承7 和第二推力彈性箔片氣體軸承8表面的減磨耐磨塗層起到保護軸承和軸頸的作用，隨著轉 速的升高，在轉子軸套2和徑向彈性箔片氣體軸承6以及第一推力彈性箔片氣體軸承7和 第二推力彈性箔片氣體軸承8之間形成承載力足夠的氣膜力，實現轉子系統在徑向和軸向 的懸浮，裝在軸承座U上的電渦流位移傳感器21用來檢測轉子系統沿電渦流位移傳感器 21軸線方向的位移變化信號，對這些信號進行處理分析，可以對轉子系統的運行狀態進行 監測。圖中1為拉杆，2為轉子軸套，3為模擬壓氣機葉輪，4為模擬渦輪葉輪，5為聯軸 器聯接件，6為徑向彈性箔片氣體軸承，7為第一推力彈性箔片氣體軸承，8為第二推力彈性 箔片氣體軸承，9為第一軸承套，10為第二軸承套，11為軸承座，12為徑向軸承隔環，13為殼 體，14為供氣室，15為進氣接口，16為0型密封圈，17為壓環，18為第一端蓋，19為第二端 蓋，20為推力軸承隔環，21為電渦流位移傳感器，22為鎖緊螺母，23為鎖緊墊片，24為孔用 彈性擋圈，25為銷釘，26為第一螺釘，27為第二螺釘，28為沉頭螺釘。
權利要求
一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，包括轉子部分(I)，其特徵在於轉子部分(I)安裝在定子部分(II)上；所述的轉子部分(I)包括兩端帶有螺紋的拉杆(1)，拉杆(1)的中部配置有轉子軸套(2)，轉子軸套(2)靠近推力盤的一端連接有模擬壓氣機葉輪(3)，另一端連接有模擬渦輪葉輪(4)，模擬壓氣機葉輪(3)的另一端連接有聯軸器聯接件(5)，拉杆(1)將模擬壓氣機葉輪(3)、模擬渦輪葉輪(4)、聯軸器聯接件(5)和轉子軸套(2)連接成一體，轉子軸套(2)上套有兩個安裝在定子部分(II)上的徑向彈性箔片氣體軸承(6)，轉子軸套(2)的推力盤兩側分別和安裝在定子部分(II)上的第一推力彈性箔片氣體軸承(7)和第二推力彈性箔片氣體軸承(8)接觸；所述的定子部分(II)包括兩個徑向彈性箔片氣體軸承(6)，兩個徑向彈性箔片氣體軸承(6)安裝在軸承座(11)的中心孔內並由徑向軸承隔環(12)隔開，徑向軸承隔環(12)的圓周面上配置有至少一個通孔，通孔與軸承座(11)圓周上的通孔相通，軸承座(11)裝在殼體(13)內，軸承座(11)半徑小的外圓面與殼體(13)半徑大的內圓面形成供氣室(14)，供氣室(14)通過安裝在殼體(13)側面的進氣接口(15)與供氣系統相連，殼體(13)的內圓面和軸承座(11)的外圓面靠近模擬渦輪葉輪(4)的配合處固接，軸承座(11)靠近模擬壓氣機葉輪(3)的一端裝有第一端蓋(18)，另一端裝有第二端蓋(19)，第一端蓋(18)內開有氣體通道與軸承座(11)上的通孔以及供氣室(14)相通，第二推力彈性箔片氣體軸承(8)裝在第一端蓋(18)上，第一推力彈性箔片氣體軸承(7)裝在軸承座(11)靠近模擬壓氣機葉輪(3)的端面上，第一推力彈性箔片氣體軸承(7)和第二推力彈性箔片氣體軸承(8)之間配置有推力軸承隔環(20)，軸承座(11)的圓周上配置有至少一對寬槽和至少一對窄槽，窄槽的底部開有通孔，窄槽靠近模擬壓氣機葉輪(3)並與軸承座(11)端面平行的一個側面上開有至少一個通孔，通孔與供氣室(14)聯通，寬槽的底部開有至少一個螺紋孔，寬槽底部的螺紋孔中配置有電渦流位移傳感器(21)，寬槽靠近模擬壓氣機葉輪(3)並與軸承座(11)端面平行的一個側面上開有至少一個通孔，通孔與供氣室(14)聯通，在軸承座(11)靠近模擬渦輪葉輪(4)的端面的凸緣上開有至少兩個相對的通孔和至少兩個螺紋孔，兩個相對的通孔與供氣室(14)聯通，螺紋孔中配置有電渦流位移傳感器(21)，電渦流位移傳感器(21)的信號輸出端分別與計算機相連。
2.根據權利要求1所述的一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，其特徵 在於所述的徑向彈性箔片氣體軸承(6)表面塗有減摩耐磨塗層。
3.根據權利要求1所述的一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，其特徵 在於所述的第一推力彈性箔片氣體軸承(7)和第二推力彈性箔片氣體軸承(8)表面塗有 減摩耐磨塗層。
4.根據權利要求1所述的一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，其特徵 在於所述的模擬壓氣機葉輪(3)和模擬渦輪葉輪(4)與各自的真實葉輪相比，其軸向尺 寸、質量、質心位置和轉動慣量都相同。
5.根據權利要求1所述的一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，其特徵 在於所述的第一端蓋(18)和第二端蓋(19)上設置篦齒密封結構。
6.根據權利要求1所述的一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，其特徵 在於所述的第一端蓋(18)和第二端蓋(19)與轉子軸套(2)均為間隙配合。
7.根據權利要求1所述的一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，其特徵 在於所述的模擬壓氣機葉輪(3)與轉子軸套(2)之間採用過盈配合。
8.根據權利要求1所述的一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，其特徵 在於所述的聯軸器聯接件(5)與模擬壓氣機葉輪(3)之間採用過盈配合。
9.根據權利要求1所述的一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，其特徵 在於所述的模擬渦輪葉輪(4)與轉子軸套(2)之間採用過盈配合。
全文摘要
一種微型燃氣輪機模擬轉子動態性能測試實驗裝置，包括轉子和定子部分；轉子部分由模擬壓氣機葉輪、模擬渦輪葉輪、聯軸器聯接件和轉子軸套組成，轉子軸套上套有徑向彈性箔片氣體軸承和推力彈性箔片氣體軸承；定子部分包括徑向彈性箔片氣體軸承，其軸承座裝在殼體內並與殼體形成供氣室，供氣室與供氣系統相連，軸承座上配置有傳感器用來檢測轉子系統的位移信號並與計算機相連，驅動裝置帶動轉子系統轉動，轉子系統轉速較低時，轉子軸套與徑向彈性箔片氣體軸承以及推力彈性箔片氣體軸承接觸，隨著轉速的升高，轉子系統實現在徑向和軸向的懸浮，本發明能夠測試模擬轉子的動態性能，進而反映出真實轉子的動態性能，具有結構簡單的優點。
文檔編號G01B7/02GK101975656SQ201010273549
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月6日 優先權日2010年9月6日
發明者孫巖樺, 戚社苗, 王歡, 耿海鵬, 虞烈, 穀苗雨 申請人:西安交通大學