一种轴向力平衡控制系统和装置

本技术涉及叶轮机械，特别是涉及一种叶片式旋转机械轴向力平衡控制系统和装置。

背景技术：

1、泵、压缩机、膨胀机等叶轮机械在国民经济尤其是整个工业体系中占据十分重要的地位。工作状态下，叶轮处流体的动量变化会对转子产生轴向冲击。同时叶轮吸入口与叶轮背面的压力差也会加剧这一轴向作用。流体密度大、转子转速高，或者电机功率较大时，轴向作用力将会达到较大水平。如果不采取平衡措施，转子在轴向力的作用下来回窜动，造成系统器械震动，引起轴承和其他零部件的疲劳和损坏，不利于旋转机械的稳定运行。因此如何平衡轴向力一直是旋转器械在设计和实际运行中不得不考虑的重要问题。

2、抵消叶轮轴系轴向载荷的方法有多种，如设计平衡叶片、平衡孔、平衡盘或平衡鼓等。其中，平衡叶片是在叶轮后盖板背面对称安置叶片。正常工作时，叶轮两侧叶片产生的压差方向相反，原本的轴向力得到一定程度的平衡。然而这种情况下，轴向力的平衡是以牺牲器械的效率作为代价。而且平衡的程度取决于平衡叶片的尺寸和叶顶间隙，平衡力度越强，器械的效率越容易受影响。平衡孔是在靠近轮毂处的叶轮轮盖上钻通孔，通过泄露叶轮处的流体，减小轴向力。平衡盘位于末级叶轮之后，随转子一起旋转。平衡盘后有空腔，并依靠径向和轴向间隙将叶轮处的流体导入空腔内，使得空腔内压力和叶轮处压力接近，从而达到平衡效果。平衡盘利用转子轴向窜动自动调节间隙大小，从而调节平衡力大小。

3、上述方式都是通过改造转动部件实现平衡轴向力，本质上是将叶轮处的工作介质泄露或者导入叶轮后，抵消由于压差带来的轴向力。不可避免的，这些平衡轴向力的方式都会造成机械效率的损失。往往平衡的程度越大，效率降低越多。另外一方面，平衡的效果严重依赖于工程师经验，且随着实时运行状态发生动态变化。现实应用中仅仅是小部分轴向力得到平衡，平衡的程度难以得到保证。

技术实现思路

1、本实用新型的一目的是，提供一种轴向力平衡控制系统和装置，该控制系统能够在不影响原旋转机械工作效率和运行稳定性的前提下，抵消旋转过程中产生的所有轴向力，以解决现有平衡轴向力的方式都会造成机械效率的损失以及平衡程度难以得到保证的技术问题。

2、本实用新型在一方面提供了一种轴向力平衡控制系统，用于平衡叶片式旋转机械的轴向力，包括：

3、平衡组件，其整体呈中心对称的环状结构，包括支架、设置在支架上的压力传感器以及安装在压力传感器上的压电陶瓷执行器，所述压力传感器用于测量和记录压力信号，所述压电陶瓷执行器用于利用压电效应产生变形而抵消轴向力；

4、数据采集卡，其电连接于所述压力传感器，用于压力信号的采集；

5、控制单元，其电连接于所述数据采集卡，用于接收所述数据采集卡采集的数据，并基于所述数据采集卡采集的数据输出对应的电压控制信号；

6、功率放大器，其电连接于所述控制单元和所述压电陶瓷执行器，用于基于所述控制单元输出的电压控制信号驱动所述压电陶瓷执行器。

7、在本实用新型的一实施例中，所述平衡组件包括两个以上所述压力传感器，所述支架为环形支架，所述环形支架均匀布置有两个以上螺纹孔，用于安装对应的所述压力传感器。

8、在本实用新型的一实施例中，所述压力传感器的为圆柱状结构，且底部设置有凹槽，用于安装所述压电陶瓷执行器。

9、在本实用新型的一实施例中，所述压电陶瓷执行器的数学模型采用以下公式进行描述：

10、f＝kδl-nd33ku (1)

11、公式(1)中，f为压电陶瓷执行器产生的作用力，δl为执行器的膨胀长度，n为压电陶瓷叠片的数量，d33为执行器的介电常数，u为控制电压，k为执行器刚度，k采用下述公式进行计算：

12、

13、公式(2)中，l为压电陶瓷执行器的长度，a为压电陶瓷执行器的横截面积,s是压电陶瓷材料系数。

14、本实用新型在另一方面还提供了一种轴向力平衡控制系统的控制方法，包括步骤：

15、s310、首先不给压电陶瓷执行器施加任何电压信号，控制叶片式旋转机械按预设时间正常运行，并读取多个压力传感器的读数，取其平均值，记录，标记为轴向力f；

16、s320、在正常运行的预设时间范围内，寻找最大的轴向力，并将其标记为f0；以及

17、s330、通过控制单元和功率放大器逐渐增大传递给压电陶瓷执行器的电压，直到压力传感器测得的轴向力超过f0至一定数值范围时，保持该电压值，便可实现叶片式旋转机械的轴向力的平衡。

18、在本实用新型的一实施例中，在步骤s310和步骤s320中，预设时间为5～10分钟，在步骤s330中，所述一定数值范围为110％*f0～120％*f0。

19、在本实用新型的一实施例中，在步骤s310之前还包括步骤：

20、s100、估算轴向力：首先采用经验公式或者数值仿真的方法估算旋转机械轴向力的范围，以选择合适量程范围的压力传感器和压电陶瓷执行器；和

21、s200、测试或标定压电陶瓷执行器性能：通过说明书或者测试的手段获知公式f＝kδl-nd33ku(1)中的参数k、n、d33。

22、本实用新型在另一方面还提供了一种轴向力平衡装置，包括壳体、安装在壳体的中心孔内的转子、分别设置在所述转子两端的第一轴承和第二轴承以及所述轴向力平衡控制系统，其中所述壳体包括靠近于叶轮端的第一壳体、靠近于电机端的第二壳体以及设置在所述第一壳体和所述第二壳体之间的中间壳体，所述轴向力平衡控制系统的平衡组件安装在所述第一壳体和所述第一轴承之间。

23、在本实用新型的一实施例中，所述第一壳体包括设置在叶轮和所述中间壳体之间的第一挡板和自所述第一挡板向所述壳体的轴向向内延伸的第二挡板，所述第一挡板用于限制所述平衡组件和所述第一轴承的轴向位移，所述第二挡板用于限制所述平衡组件和所述第一轴承的径向位移；所述第二壳体包括与所述第一挡板相对的第三挡板和弯折延伸自所述第三挡板的第四挡板，所述第三挡板用于约束所述第二轴承的径向自由度，所述第四挡板用于限制所述转子和所述第二轴承的轴向位移。

24、在本实用新型的一实施例中，所述平衡组件的压电陶瓷执行器在径向方向上与所述第一挡板的内侧间隙配合，在轴向方向上与所述第二挡板通过螺栓形成螺纹连接。

25、本实用新型的轴向力平衡控制系统和装置，利用压电陶瓷材料具有压电效应而能够产生膨胀变形和向外的压力的原理，通过控制单元和功率放大器对压电陶瓷执行器施加对应的电压信号的方式，即通过电压实现实时和定量的压力，因此可以产生用户想要的外力，以抵消掉叶片式旋转机械原有的轴向力，这样可以避免转子的来回窜动。本实用新型的控制系统能够在不影响原旋转机械工作效率和运行稳定性的前提下，抵消旋转过程中产生的所有轴向力。

26、通过对随后的描述和附图的理解，本实用新型进一步的目的和优势将得以充分体现。

技术特征：

1.一种轴向力平衡控制系统，其特征在于，用于平衡叶片式旋转机械的轴向力，包括：

2.根据权利要求1所述的轴向力平衡控制系统，其特征在于，所述平衡组件包括两个以上所述压力传感器，所述支架为环形支架，所述环形支架均匀布置有两个以上螺纹孔，用于安装对应的所述压力传感器。

3.根据权利要求1所述的轴向力平衡控制系统，其特征在于，所述压力传感器的为圆柱状结构，且底部设置有凹槽，用于安装所述压电陶瓷执行器。

4.根据权利要求1所述的轴向力平衡控制系统，其特征在于，所述压电陶瓷执行器的数学模型采用以下公式进行描述：

5.一种轴向力平衡装置，其特征在于，包括壳体、安装在壳体的中心孔内的转子、分别设置在所述转子两端的第一轴承和第二轴承以及根据权利要求1至4中任一项所述的轴向力平衡控制系统，其中所述壳体包括靠近于叶轮端的第一壳体、靠近于电机端的第二壳体以及设置在所述第一壳体和所述第二壳体之间的中间壳体，所述轴向力平衡控制系统的平衡组件安装在所述第一壳体和所述第一轴承之间。

6.根据权利要求5所述的轴向力平衡装置，其特征在于，所述第一壳体包括设置在叶轮和所述中间壳体之间的第一挡板和自所述第一挡板向所述壳体的轴向向内延伸的第二挡板，所述第一挡板用于限制所述平衡组件和所述第一轴承的轴向位移，所述第二挡板用于限制所述平衡组件和所述第一轴承的径向位移；所述第二壳体包括与所述第一挡板相对的第三挡板和弯折延伸自所述第三挡板的第四挡板，所述第三挡板用于约束所述第二轴承的径向自由度，所述第四挡板用于限制所述转子和所述第二轴承的轴向位移。

7.根据权利要求6所述的轴向力平衡装置，其特征在于，所述平衡组件的压电陶瓷执行器在径向方向上与所述第一挡板的内侧间隙配合，在轴向方向上与所述第二挡板通过螺栓形成螺纹连接。

技术总结
本技术涉及一种轴向力平衡控制系统和装置，该轴向力平衡控制系统包括平衡组件、数据采集卡、控制单元以及功率放大器，本技术利用压电陶瓷材料具有压电效应而能够产生膨胀变形和向外的压力的原理，通过控制单元和功率放大器对压电陶瓷执行器施加对应的电压信号的方式，可以根据实际需要产生外力来抵消叶片式旋转机械原有的轴向力，从而能够避免转子的来回窜动，进而能够避免造成系统器械震动而引起的轴承和其他零部件的疲劳和损坏，有利于旋转机械的稳定运行。

技术研发人员：张舒月,吕小莲,严红丽,王波,陈在斌
受保护的技术使用者：滁州学院
技术研发日：20230228
技术公布日：2024/1/13