一种计入弹簧基础的多转子轴系振动特性实验装置的制作方法

本发明涉及一种转子动力学特性实验装置，特别涉及一种计入弹簧基础的多转子轴系振动特性实验装置。

背景技术：

轴系振动特性关乎汽轮发电机组的安全可靠运行，基础作为转子-轴承系统的支撑部件，其对轴系的临界转速和振动响应的影响受到越来越多的重视。核电半速机组为了使基础的固有频率避开25Hz的工作频率，一般选用弹簧隔振基础。二次再热火电机组由于轴系较长，轴系变柔，轴系的最低临界转速随之降低，为了使基础的低阶主模态频率尽量远离轴系的主要临界频率及工作频率，也有选用弹簧基础的实例。随着弹簧基础在核电半速机组和二次再热火电机组上的应用，计入弹簧基础的多转子轴系振动特性的研究很有必要。

目前关于计入弹簧基础的多转子轴系振动特性分析试验研究，国外罕见此方面的文献报道，国内在机组设计选配基础及轴系特性设计时多采用简化方法，即将弹簧基础与轴承支座按引进技术值等效为单一的支撑刚度，作为轴系振动特性分析支撑边界，尚未形成成熟的设计计算模型和规范的理论和设计技术体系，且由于采用弹簧基础支撑的大型机组国内应用实例较少，以及实物基础与机组施工安装流程和测试条件限制，在现场实测方面也缺乏足够的数据资料来指导和修正设计技术。对新研制开发大容量机组所需的计入弹簧基础影响的多转子轴系的动力特性等设计技术需要一套进行验证和完善的试验装置。

因此有必要根据动力特性相似原则及几何相似比，搭建按大型实物机组缩小的计入弹簧基础支撑的多转子轴系振动特性实验装置，以便为较全面的掌握弹簧基础下轴系的振动特性、有效的应用弹簧基础、优化两者的振动匹配性设计提供试验验证依据。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种计入弹簧基础的多转子轴系振动特性实验装置，目的在于探索转子、轴承和基础系统的耦合振动关系，以及轴系高速旋转的动扰力下轴承座和弹簧基础结构间的振动传递关系等问题，利用从实验获取的多转子轴系振动特性数据，为大型实物机组轴系与基础的振动特性匹配设计和选型提供参考依据。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种计入弹簧基础的多转子轴系振动特性实验装置，其特征在于：包括用于模拟大容量汽轮机旋转部套的多转子轴承系统，各支撑转子的滑动轴承的轴承座直接安装于弹簧基础顶台板上，多转子轴承系统与驱动装置挠性连接，滑动轴承工作由润滑油系统供油；

多转子轴承系统内设有轴系转速测量用光电传感器，轴承座上设有振动测量用速度传感器、轴瓦温度测量用热电偶；润滑油系统的进油管处设有进油压力测量计，回油管处设有双金属温度计；各测量信号输送至监视控制台。

优选地，所述驱动装置由动力机房提供动力，动力机房内通过交流电动机和直流发电机，将交流电源转换为直流电源输出给驱动装置。

优选地，所述驱动装置包括直流电机及增速齿轮箱，直流电机和增速齿轮箱通过挠性联轴器连接，并分别和驱动装置底座连接，驱动装置底座通过固定于驱动装置基础上；驱动装置基础底部四周布置隔振介质，隔振介质与弹簧基础之间保持间隔。

优选地，所述多转子轴承系统由依次连接的模拟汽轮机多转子轴系、模拟发电机转子及模拟励磁小轴组成；

模拟汽轮机多转子轴系中包括多根转子，第一根转子经由带脱扣装置的挠性联轴器与所述增速齿轮箱相连，相邻转子之间由整锻式刚性联轴器连接，最后一根转子与模拟发电机转子连接。

优选地，所述弹簧基础主要包括模拟汽轮机基础顶台板，模拟汽轮机基础顶台板设于立柱上，立柱设于底板上，模拟汽轮机基础顶台板与立柱之间设有弹簧隔振器；所述轴承座设于模拟汽轮机基础顶台板之上。

优选地，所述弹簧隔振器上端和下端分别设置有垂直和水平两个方向的用于考查弹簧隔振器的隔振效果的振动测量用压电式速度传感器。

优选地，所述轴承座中分面处设置有垂直和水平两个方向的轴承座振动测量用压电式速度传感器，所述轴承座转子部分设置垂直和水平两个方向的轴振测量用电涡流位移传感器。

优选地，所述润滑油系统包括设于润滑油房内的整体式润滑油系统，整体式润滑油系统连接进油母管、回油母管，事故油箱经由三通阀与整体式润滑油系统、进油母管相连，备用吸油泵设于回油母管处。

优选地，所述整体式油系统包括依次连接的回油泵、冷油器、主油箱、供油泵、滤网、加热器，回油泵连接所述回油母管，加热器连接所述进油母管。

优选地，所述监视控制台监控的参数包括多转子轴承系统的转速、各滑动轴承进油管压力及回油管温度、各轴瓦温度、瓦振值、轴振值，保护报警包括振动超标报警、瓦温超标报警、油温超标报警、低油压报警，控制的设备包括直流电机、供油泵、加热器、备用吸油泵和回油泵。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、计入弹簧基础影响的多转子轴系的动力特性实验，计入转子轴承油膜动特性影响的弹簧基础台板动力特性实验，可有效探索转子、轴承和弹簧基础系统的耦合振动关系，供实物机组轴系与弹簧基础设计选配参考；

2、可以进行多种工况下振动模拟试验，研究各部位转子、轴承及基础弹簧隔振器上下的振动传递效果，获得实物机组无法进行的试验测试结果，使理论计算模型得到修正；

3、通过不同工况状态条件实验，可测试获得多转子轴系及弹簧基础顶台板的动力特性试验数据，对新研制开发大容量机组所需的计入弹簧基础影响的多转子轴系的动力特性等设计技术进行验证和完善；

4、利用有效措施排除50Hz电磁干扰及驱动装置振动影响等对实验测试不利的因素；

5、采取多种备选装置，如事故油箱和事故吸油泵等，进一步保证实验装置的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明计入弹簧基础的多转子轴系振动特性实验装置示意图；图中：1为润滑油房(主要包括1-1供油泵、1-2滤网、1-3加热器、1-4回油泵及1-5冷油器，1-6主油箱)，2为事故油箱，3为三通阀，4为进油母管，5为回油母管，6为备用吸油泵，7为动力机房，8为直流电机，9为增速齿轮箱，10为驱动装置底座，11为驱动装置基础；12为隔振介质，13为挠性联轴器，14为带脱扣装置的挠性联轴器，15为模拟汽轮机多转子轴系(15-1代表第1根，15-N代表第N根，N一般为2～5)，16为模拟发电机转子，17为模拟励磁小轴，18为整锻式刚性联轴器，19为滑动轴承(个数与转子根数及支撑形式有关)，20为轴承座(个数与轴承个数有关)，21为弹簧基础(主要包括21-1顶台板横梁、21-2顶台板纵梁、21-3弹簧隔振器、21-4立柱及21-5底板等)，22为手动调压阀，23为监视控制台；A为轴瓦温度测量用热电偶，B为轴承座振动测量用压电式速度传感器，C为轴振测量用电涡流位移传感器，D为弹簧上部振动测量用速度传感器，E为弹簧下部振动测量用速度传感器，F为轴系转速测量用光电传感器，G为进油压力测量计，H为回油管金属温度计，其中，A、B、C、G、H与轴承个数有关，D、E与立柱根数有关，且B、C、D、E分为垂直和水平两个方向；

图2为本发明实施例某实物机组模拟多转子轴系、轴承与基础系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种计入弹簧基础的多转子轴系振动特性实验装置，主要包括动力机房、驱动装置、润滑油系统、多转子轴承系统、轴承座与弹簧基础支撑系统及监视控制台等装置。

所述动力机房7内通过交流电动机和直流发电机，将交流电源转换为直流电源输出给驱动装置，可有效避免动力系统对试验测试系统的电磁干扰。

所述驱动装置由直流电机8及增速齿轮箱9组成，两者由挠性联轴器13连接，并分别通过紧固螺栓和驱动装置底座10连接，驱动装置底座10通过预埋铁固定在驱动装置基础(即混凝土支墩)11上，直流电机8可由监视控制台控制启停及无极稳定变速。驱动装置基础11底部四周布置隔振介质12，并与弹簧基础底板保持一定间隔，以隔离驱动部分的振动。

所述多转子轴承系统由模拟汽轮机多转子轴系15(数量为N根，N一般为2～5)、模拟发电机转子16及模拟励磁小轴17组成。模拟汽轮机多转子轴系15中第1根转子经由带脱扣装置的挠性联轴器14与增速齿轮箱9相连，相邻转子之间由整锻式刚性联轴器18连接，联轴器部分和转子进行整锻式加工；模拟汽轮机多转子轴系15根据设定的双支撑或单支撑形式选择对应数量的滑动轴承19，滑动轴承的轴承座20直接安装在弹簧基础21上。

所述弹簧基础21主要包括模拟汽轮机基础顶台板(包括顶台板横梁21-1、顶台板纵梁21-2)、弹簧隔振器21-3、立柱21-4及底板21-5等部分，顶台板横梁21-1与立柱21-4之间由弹簧隔振器21-3连接。

所述轴承座20经由紧固螺栓安装在顶台板横梁21-1之上，各轴承座中分面处设置有垂直和水平两个方向的轴承座振动测量用压电式速度传感器B，各轴承座处转子部分设置垂直和水平两个方向的轴振测量用电涡流位移传感器C。

所述弹簧隔振器21-3上端和下端分别设置有垂直和水平两个方向的振动测量用压电式速度传感器D，用于考查弹簧隔振器的隔振效果。

所述第1根转子近齿轮箱端设置有轴系转速测量用光电传感器F，轴承座20有振动测量用速度传感器E，轴瓦有温度测量热电偶A，并将转速信号、振动信号及温度信号输送至监视控制台23。

所述各个滑动轴承19工作由润滑油系统供油，进油管处设置进油压力测量计G及手动调压阀22，回油管处设置双金属温度计H，轴瓦处设置轴瓦温度测量用热电偶A。

所述润滑油系统包括润滑油房1内的整体式润滑油系统、进油母管4、回油母管5、事故油箱2和备用吸油泵6等。备用吸油泵6位于近试验装置回油母管5处。

所述润滑油房内整体式油系统主要包括供油泵1-1、滤网1-2、加热器1-3、回油泵1-4、冷油器1-5、主油箱1-6等，回油泵1-4、冷油器1-5、主油箱1-6、供油泵1-1、滤网1-2、加热器1-3依次连接，回油泵1-4连接回油母管5，加热器1-3连接进油母管4。

所述事故油箱2经由三通阀3与加热器1-3、进油母管4相连，一般高于进油母管4标高2米以上安置，当事故状态下实验装置停止运行、润滑油房停止供油或供油压偏低时，事故油箱2会依靠重力作用打开三通阀3通道，以维持轴系达到静止状态过程的供油。

所述监视控制台23监控的主要参数包括多转子轴系转速、各滑动轴承进油管压力及回油管温度、各轴瓦温度、瓦振值、轴振值等，保护报警主要包括振动超标报警、瓦温超标报警、油温超标报警、低油压报警等，控制的设备主要包括直流电机、供油泵、油温加热器、备用吸油泵和回油泵等。

下面以一具体实施例进行说明。

整体根据几何相似比及转子局部按照动力特性相似原则，搭建按某大型百万级半速实物机组缩小10倍的计入弹簧基础支撑的多转子轴系振动特性实验装置，主要包括动力机房、驱动装置、润滑油系统、多转子轴承系统、轴承座与弹簧基础支撑系统及监视控制台等装置。

动力机房内通过交流电动机和直流发电机，将交流电源转换为直流电源输出给驱动装置，可有效避免动力系统对试验测试系统的电磁干扰。驱动装置由直流电机及增速齿轮箱组成，由滚动轴承支撑，两者由挠性联轴器连接，并分别通过紧固螺栓和底座连接，底座通过预埋铁固定在混凝土支墩上。试验转子设计最高转速达15000rpm，直流电机可由监视控制台控制启停及无极稳定变速。驱动装置混凝土支墩底部四周布置隔振介质，并与弹簧基础底板保持一定间隔，以隔离驱动部分的振动。

如图2所示，该多转子轴系由5根转子组成，总长近6米，分别模拟实物机组的高压转子(HP)、低压转子I(LPI)，低压转子II(LPII)、发电机转子(GEN)和励磁机转子(EXC)，其中，汽轮机部分各转子由与实物转子比例缩小的轮盘组成，但鉴于加工工艺的要求(叶轮间的距离不能太小)，因此可根据各转子的实际结构，将转子间隔过小的部分级多级合并为一级。发电机部分转子则采用专门的模化方法已保证动力相似。此外，高压转子经挠性联轴器与增速齿轮箱相连，可模拟升至一定转速脱扣后的惯性自由降速过程，此处设置有轴系转速测量用光电传感器，供监控台使用。

转子之间由刚性联轴器通过螺栓连接，联轴器部分和转子进行整锻式加工。转子材料均采用45钢，总重近1吨，转子动平衡精度要求达到G1.0以上，以保证转子能安全过临界转速并在设计转速下正常运转。

除励磁机转子外，其余转子采用双支撑形式，轴系共计采用9个滑动轴承(可倾瓦)支撑，直径技术方案有3种规格，尺寸范围为40～85mm。各个滑动轴承工作由润滑油系统供油，润滑系统通过管道与滑动轴承座的润滑油孔连接，为轴承提供一定压力、流量和温度的润滑油。进油管处设置进油压力测量计及手动调压阀，回油管处设置双金属温度计，轴瓦处设置轴瓦温度测量用热电偶。

滑动轴承轴承座直接安装在基础上，轴承座经由紧固螺栓安装在基础横梁之上，各轴承座中分面处设置有垂直和水平两个方向的轴承座振动测量用压电式速度传感器，各轴承座处转子部分设置垂直和水平两个方向的轴振测量用电涡流位移传感器。

弹簧基础长宽高大体为7×2×3米，主要包括顶台板、弹簧隔振器、基础立柱及底板等部分，基础台板横梁与立柱之间由弹簧隔振器连接。弹簧隔振器上端和下端分别设置有垂直和水平两个方向的振动测量用压电式速度传感器，可用于考查弹簧隔振器的隔振效果。

滑油系统包括润滑油房内的整体式润滑油系统、进油母管、回油母管、事故油箱和备用吸油泵等。其中：

1)润滑油房内整体式油系统主要包括主油箱、供油泵、滤网、加热器、回油泵及冷油器等，主油箱按8min的循环油量设计，并应能容纳事故油箱(又称高位油箱)的油量，大体容量为7m³；

2)事故油箱经由三通阀与润滑油房、进油母管相连，高于进油母管标高2米以上安置，当事故状态下实验装置停止运行、润滑油房停止供油或供油压偏低时，事故油箱会依靠重力作用打开三通阀通道，以维持轴系达到静止状态过程的供油；

3)油站出口油温在40～65℃范围内连续可调。出口油压通过自力式调节阀调定，范围为1.0～3.0bar。

监视控制台监控的主要参数包括试验转子转速、各滑动轴承进油管压力及回油管温度、各轴瓦温度、瓦振值、轴振值等，保护报警主要包括振动超标报警、瓦温超标报警、油温超标报警、低油压报警等，控制的设备主要包括直流电机、供油泵、油温加热器、事故吸油泵和回油泵等。

开启实验台轴系进油阀门、高位油箱、启动油站的油泵及辅助设施，使轴承进油压达到设计值，启动动力机房发电机等实验台用直流供电系统，控制台上启动直流电动机使轴系运转起来，通过操作台监控电脑采集显示轴系转速、轴承油温和油压、轴颈及轴承振动等参数，同步在轴承座、弹簧基础横梁与纵梁、基础顶板与立柱等布置测点并在振动测试分析系统进行测试记录，实现本实验装置的运转和功能效应。