一种滑动轴承支撑的发电机转子不平衡磁拉力测试实验台

摘要

本发明公开了一种滑动轴承支撑的发电机转子不平衡磁拉力测试实验台，包括：可变磁极对数发电机转子主轴系统和实验台基本构架。所述转子主轴系统包括发电机转子、前滑动轴承支撑子系统、传感器支架、定子前端盖、发电机转子铁芯和励磁线圈、发电机定子、集电环、碳刷支架、碳刷、定子后端盖、后滑动轴承支撑子系统；发电机转子铁芯、集电环均安装在发电机转子上；发电机转子前后两端由所述前、后滑动轴承支撑子系统支撑；发电机定子安装在所述发电机转子外。实验台基本构架包括：电动机、低速联轴器、齿轮变速箱、高速联轴器；电动机通过低速联轴器与齿轮变速箱的低速轴连接，齿轮变速箱高速轴通过高速联轴器与发电机转子连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种滑动轴承支撑的发电机转子不平衡磁拉力测试实验台。

 

背景技术

电力在我国能源消耗结构中占据主要地位，水力发电和热力发电是我目前最主要的电力来源，其中热力发电目前仍然是我国最主要的、稳定的电力来源。水力发电机组由水轮机驱动，转速较低，因而采用多极对数的刚性转子结构以获得市电频率的电能，转子为粗短型，额定工作转速远低于其一阶临界转速；热电站发电机组通常由燃煤的蒸汽轮机或是燃气轮机驱动，运转速度高、载荷大，因而大型热电站普遍采用单极对交流发电机，并采用滑动轴承支撑，发电机转子为细长型，其额定工作转速高于其一阶临界转速。

发电机高速运转时，由于转子与定子间的偏心，形成不均匀气隙磁场，会产生具有径向和切向分量的不平衡电磁作用力，会使得系统振动加剧、发电效率降低，影响机组的安全运行和电站运行的经济性，对于大型、柔性发电机组其影响更加显著。研究偏心磁拉力的作用机理和影响因素，对于系统设计、振动控制、故障诊断等均具有重要的指导意义。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种滑动轴承支撑的发电机转子不平衡磁拉力测试实验台，其是一种多功能、适应多工况实验研究测试平台，可测试滑动轴承周向油膜压力的分布，并可测试转子系统在不同励磁电压、多种负载工况条件下系统振动特性，通过调整发电机转子铁芯线圈的极对数和平衡配重轮盘质量，可以分别获得两组测试系统。具备测试系统在跨二倍一阶临界转速过程中的振动响应的能力，通过改变负载特性，可测试发电机在空载、平衡负载、不平衡负载下、电阻性/电感性/电容性负载等多种条件下，由于转子与定子间的偏心而产生的不平衡电磁作用力对系统振动的影响。

本发明的技术方案如下：

一种滑动轴承支撑的发电机转子不平衡磁拉力测试实验台，包括可变磁极对数发电机转子主轴系统和实验台基本构架。

其中，可变磁极对数发电机转子主轴系统，进一步包括：

发电机转子、测速轮、前滑动轴承支撑子系统、传感器支架、定子前端盖、发电机转子铁芯和励磁线圈、发电机定子、集电环、碳刷支架、碳刷、定子后端盖、后滑动轴承支撑子系统；

所述测速轮、发电机转子铁芯、集电环均安装在所述发电机转子上；所述发电机转子前后两端由所述前、后滑动轴承支撑子系统支撑；所述发电机定子安装在所述发电机转子外，所述定子前端盖、定子后端盖安装于发电机定子上，所述碳刷支架安装于定子后端盖上； 

实验台基本构架，进一步包括：

电动机、低速联轴器、齿轮变速箱、高速联轴器、平台；所述电动机通过所述低速联轴器与所述齿轮变速箱的低速轴连接，所述齿轮变速箱高速轴通过所述高速联轴器与所述发电机转子连接；电动机通过低速联轴器、高速联轴器、齿轮变速箱最终驱动发电机转子运转；所述电动机、齿轮变速箱、传感器支架以及前、后滑动轴承支撑子系统均安装于所述平台上。

较佳地，所述可变磁极对数发电机转子主轴系统还包括平衡配重轮盘；所述平衡配重轮盘设置于转子上。

较佳地，调整发电机转子铁芯线圈的极对数和平衡配重轮盘质量，来调节系统的一阶临界转速，可以分别获得两组测试系统：a) 四极三相同步交流发电机转子实验台，其额定工作转速1500rpm/1800rpm，其低于系统一阶固有频率，可视作刚性转子测试系统； b)两极三相交流发电机转子实验台，其额定工作转速为3000rpm/3600rpm，其高于系统一阶固有频率，可视作柔性转子测试系统。

较佳地，对应所述刚性转子测试系统，发电机转子安装四个铁芯和对应的励磁线圈，各个线圈之间串联，形成两个磁极对。

较佳地，对应所述柔性转子测试系统，发电机转子安装两个铁芯和对应的励磁线圈，各个线圈之间串联，形成一个磁极对；且发电机转子铁芯左右两侧对称安装两个平衡配重轮盘，用于调节转子系统一阶临界转速。

较佳地，发电机转子的励磁线圈采用外部供电励磁，通过调节供电电压，可以调节励磁磁场强度，进而可分析磁场强度对发电机转子系统振动的影响。

较佳地，所述发电机转子的励磁线圈通过一外部的可调压直流稳压电源供电；所述直流稳压电源连接碳刷，碳刷与集电环接触，集电环连接励磁线圈。

较佳地，所述可变磁极对数发电机转子主轴系统发电机定子输出负载调节系统，其进一步包括：

负载电路，可变电阻器、可变电容器、可变电感器的一种或几种的组合；

通过在定子各相输出端中接入不同的负载，可以获得不同的负载工况，进而测试转子系统在不同负载工况下的振动响应。

较佳地，所述前滑动轴承支撑子系统和后滑动轴承支撑子系统均包括：

前端盖、滑动轴承、垫块、轴承座、轴承座上端盖、后端盖；所述滑动轴承安装于所述轴承座内，并通过所述轴承座上端盖定位，所述前端盖和后端盖用于轴承座密封，发电机转子安装于滑动轴承中，滑动轴承的润滑油经过所述轴承座上端盖供入轴承座内，并通过所述前端盖回油孔回油。

较佳地，所述可变磁极对数发电机转子主轴系统还包括压力传感器；所述轴承承载面沿周向加工出若干个毛细导压孔，为保证压力顺利导出，毛细导压孔有多级孔径，所述毛细导压孔与所述压力传感器适配，其用于将油膜压力导出到压力传感器测头，从而测量轴承油膜压力分布；压力传感器浸油安装入毛细导压孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明为滑动轴承支撑的柔性发电机转子不平衡磁拉力测试平台，目前国内尚无此种实验平台。

2、本发明的发电机转子系统采用滑动轴承支撑，转子经过良好的动平衡，最高转速可达12000rpm，柔性发电机转子实验台系统具备跨二倍一阶临界转速和跨二阶临界的测试能力。

3、本发明在流体动压径向滑动轴承承载面布置有5个压力传感器，可测量轴承周向油膜压力分布。

4、本发明可通过调整转子铁芯和励磁线圈的极对数和平衡配重轮盘质量，来调节系统的一阶临界转速和额定工作转速，可分别获得刚性四极三相同步交流发电机转子实验台、柔性两极三相交流同步发电机转子实验台，两套不同的测试系统。

5、本发明可测试在不平衡电磁拉力和滑动轴承油膜力耦合作用下，系统跨二倍一阶临界转速的振动特性，可测试油膜涡动、油膜振荡特性及不平衡磁拉力影响下系统的动力响应特性。

6、本发明可调节转子铁芯线圈的励磁电压，来调节励磁磁场强度，进而测试不同励磁磁场强度下发电机转子系统的响应特性。

7、本发明可测试发电机在空载、平衡负载、不平衡负载、变负载、感性/容性/阻性负载等多种工况下系统的响应特性。

 

附图说明

图1为本发明具体实施例实验台基本构架的结构示意图；

图2为本发明具体实施例可变磁极对数发电机转子主轴系统的分解图；

图3为本发明具体实施例可变磁极对数发电机转子主轴系统的的剖视图；

图4为本发明具体实施例前、后滑动轴承支撑子系统的结构示意图；

图5为本发明具体实施例滑动轴承的结构示意图；

图6为本发明具体实施例滑动轴承下半瓦的结构示意图；

图7为本年发明具体实施滑动轴承下半瓦的剖视图；

图8为本发明具体实施例四极三相刚性交流发电机转子主轴系统的分解图；

图9为本发明具体实施例四极三相刚性交流发电机转子主轴系统的的剖视图；

图10为本发明具体实施例四极三相刚性交流发电机转子铁芯线圈励磁电压调节原理图；

图11为本发明具体实施例两极三相柔性交流发电机转子主轴系统的分解图；

图12为本发明具体实施例两极三相柔性交流发电机转子主轴系统的的剖视图；

图13为本发明具体实施例两极三相柔性交流发电机转子铁芯线圈励磁电压调节原理图。

具体实施方式

下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例

如图1至图3，一种滑动轴承支撑的发电机转子不平衡磁拉力测试实验台，包括可变磁极对数发电机转子主轴系统、实验台基本构架和发电机定子输出负载调节系统。

其中，可变磁极对数发电机转子主轴系统，进一步包括：

发电机转子301、测速轮302、前滑动轴承支撑子系统303、第一传感器支架304、第一平衡配重轮盘305、定子前端盖306、散热风扇307、发电机转子铁芯和励磁线圈308、发电机定子309、集电环310、碳刷支架311、碳刷、定子后端盖312、第二平衡配重轮盘313、第二传感器支架314、后滑动轴承支撑子系统315。

测速轮302、发电机转子铁芯和励磁线圈308、集电环310均安装在发电机转子301上；发电机转子301前后两端由所述前、后滑动轴承支撑子系统支撑；发电机定子309安装在发电机转子301外，定子前端盖306、定子后端盖312安装于发电机定子309上，碳刷支架311安装于定子后端盖312上。第一传感器支架304、第二传感器支架314分别靠近前、后滑动轴承支撑子系统设置。

第一平衡配重轮盘305、第二平衡配重轮盘313设置于发电机转子301上，且分置转子铁芯和励磁线圈308的前后侧。这里仅为举例，具体实施时，也可以不设置平衡配重轮盘。 

其中，实验台基本构架，进一步包括：

电动机101、低速联轴器102、齿轮变速箱103、高速联轴器104、平台108；电动机101通过低速联轴器102与齿轮变速箱103的低速轴连接，齿轮变速箱103高速轴通过高速联轴器104与发电机转子301连接；电动机101通过低速联轴器102、高速联轴器104、齿轮变速箱103最终驱动发电机转子301运转；电动机101、齿轮变速箱103、传感器支架以及前、后滑动轴承支撑子系统均安装于平台108上。

发电机定子输出负载调节系统，其进一步包括：

负载电路，可变电阻器、可变电容器、可变电感器的一种或几种的组合；

通过在定子各相输出端中接入不同的负载，可以获得不同的负载工况，进而测试转子系统在不同负载工况下的振动响应。

如图4，本实施例中，前滑动轴承支撑子系统303和后滑动轴承支撑子系统315均包括：

前端盖401、滑动轴承402、垫块403、轴承座404、轴承座上端盖405、后端盖406；滑动轴承402安装于轴承座404内，并通过轴承座上端盖405定位，前端盖401和后端盖406用于轴承座密封，发电机转子301安装于滑动轴承402中，滑动轴承402的润滑油经过轴承座上端盖405供入轴承座404内，并通过前端盖401回油孔回油。

所述可变磁极对数发电机转子主轴系统还包括压力传感器；所述轴承承载面沿周向加工出若干个毛细导压孔，为保证压力顺利导出，毛细导压孔有多级孔径，所述毛细导压孔与所述压力传感器适配，其用于将油膜压力导出到压力传感器测头，从而测量轴承油膜压力分布；压力传感器浸油安装入毛细导压孔。

发电机转子301的励磁线圈采用外部供电励磁，通过调节供电电压，可以调节励磁磁场强度，进而可分析磁场强度对发电机转子系统振动的影响。

本实施例中，发电机转子301的励磁线圈通过一外部的可调压直流稳压电源供电；所述直流稳压电源连接碳刷，碳刷与集电环310接触，集电环310连接励磁线圈。

本实施例，调整发电机转子铁芯线圈的极对数和平衡配重轮盘质量，可以调节系统的一阶临界转速，以分别获得两组测试系统：a) 四极三相同步交流发电机转子实验台，其额定工作转速1500rpm/1800rpm(25Hz/30Hz)，其低于系统一阶固有频率，可视作刚性转子测试系统； b)两极三相交流发电机转子实验台，其额定工作转速为3000rpm/3600rpm(50Hz/60Hz)，其高于系统一阶固有频率，可视作柔性转子测试系统。

对应所述刚性转子测试系统，发电机转子安装四个铁芯和对应的励磁线圈，各个线圈之间串联，形成两个磁极对。

对应所述柔性转子测试系统，发电机转子安装两个铁芯和对应的励磁线圈，各个线圈之间串联，形成一个磁极对；且发电机转子铁芯左右两侧对称安装两个平衡配重轮盘。

下面详细说明本发明实施例的工作过程。

滑动轴承周向油膜压力分布的测量方法

本实验台采用的滑动轴承是一种流体动压径向滑动轴承，此类轴承一般用于高速、重载转子的支撑，如大型蒸汽轮机、燃气轮机转子均采用此种支撑方式。测量滑动轴承油膜压力分布，对于获得油膜动力特性系数、研究流体动力润滑机理，都具有重要意义。油膜压力分布的测量方式参照图5至图7所示。

如图5至图7，滑动轴承为中心剖分式圆柱径向滑动轴承，由上半瓦62、下半瓦61两部分组成。图6和图7详细展示了油膜压力的测量和压力传感器5的安装方法。如图6和图7所示，润滑油通过供油孔1，进入油腔2，发电机转子转动时，将油腔中润滑油带出，形成压力油膜，从而实现润滑，润滑油在压力的作用下经过端面或泄油楔4泄出，并经回油油路回油，从而实现润滑油循环供给。

为测量滑动轴承周向压力分布，在滑动轴承下半瓦沿着周向开有5个毛细导压孔，如图6中，为能准确测量油膜压力，同时又不破环承载瓦面3，要适当选取导压孔的直径，同时为避免毛细导压孔直径过小引起的毛细效应影响油膜压力的测量，毛细导压孔长度不能过长，毛细导压孔应该根据轴承尺寸，做成多级孔径形式，其中，6对应导压孔中多级孔径中最小孔径的孔，如图7中所示。压力传感器5采用螺纹安装形式安装于螺纹孔7中，并用螺纹密封胶密封，安装压力传感器5时，应采用浸油安装，保证安装孔腔内充满润滑油，避免空气进入，影响压力的测量。润滑油压力经过毛细导压孔，传递至压力传感器测头，从而实验油膜压力的测量。

）刚性转子测试系统的设置方法：

此处所说的刚性转子是指额定工作转速低于系统一阶临界转速。

刚性发电机转子测试系统：转子为4极3相交流发电机转子，额定工作转速为25Hz/30Hz，小于系统一阶临界转速。发电机转子301安装4个转子铁芯和对应的励磁线圈，励磁线圈之间串联，形成2个磁极对。其结构组成和装方式参见图8和图9所示。

发电机转子301安装于前滑动轴承支撑系统303和后滑动轴承系统315之中，测速轮302安装在发电机转子上，第一传感器支架304、第二传感器314安装于发电机转子附近，与转子非接触，散热风扇安装306安装于发电机转子301上，4个转子励磁贴心线圈308采用螺钉安装于发电机转子301上，集电环310安装于转子301上，发电机定子套309套在转子301上，定子前端盖306、后端盖312安装于发电机定子上，碳刷支架安装于定子后端盖312上。

本系统中，不需要配备平衡配重轮盘，可认为此时平衡配重轮盘的质量为零。

如图10，四个励磁线圈依次串联，从而形成2个磁极对。可调压直流稳压电源501的正负两极连接到碳刷502上，碳刷502与集电环的两电极接触，集电环的两极连接到励磁线圈的两极上，从而实现向转子铁芯线圈供电和励磁。通过调节供电电压，可以调节励磁线圈的磁场强度大小，从而可以测试在不同励磁磁场下，偏心发电机转子受不平衡电磁拉力时的振动响应。

）柔性转子测试系统的设置方法：

柔性转子是指其额定工作转速高于系统的一阶临界转速.

柔性发电机转子测试系统：转子为两极三相交流发电机转子，其额定工作转速为50Hz/60Hz，大于系统一阶临界转速。转子安装2个转子铁芯及其对应的励磁线圈，励磁线圈之间串联，形成1个磁极对，另外为了调节系统一阶临界转速，在转子铁芯左右两侧对称安装两个配重和平衡用轮盘，其主轴系统的组成如图11所示。

如图12所示，发电机转子301安装于前滑动轴承支撑系统303和后滑动轴承系统315之中，测速轮302安装在发电机转子上，传感器支架304、314安装于发电机转子附近，与转子非接触，平衡配重轮盘305、313对称安装于转子上，散热风扇安装306安装于发电机转子301上，2个转子励磁贴心线圈308采用螺钉安装于发电机转子301上，集电环310安装于转子301上，发电机定子套309套在转子301上，定子前端盖306、后端盖312安装于发电机定子上，碳刷支架安装于定子后端盖312上。

如图13，两个励磁线圈轴向对称安装，依次串联，如图所示，从而形成1个磁极对。可调压直流稳压电源501的正负两极连接到碳刷502上，碳刷与集电环的两电极接触，集电环的两极连接到铁芯线圈的两极上，从而实现向转子铁芯线圈供电和励磁。通过调节供电电压，可以调节励磁线圈的磁场强度大小，从而可以测试在不同励磁磁场下，偏心发电机转子受不平衡电磁拉力时的振动响应。

）多种负载工况的设置方法

在发电机转子系统正常运转后，发电机定子绕组中产生感应电压输出，可根据研究需要，灵活设定不同的负载工况。图13为Y型连接的三相定子绕组，并列举了三种典型的负载形式。

空载工况：三相输出不接任何负载

平衡负载：三相输出接相同性质和相同大小的负载，如可同时接入电阻性、电感性、电容性负载

不平衡负载：三相处处接各种特性的负载的任意组合，如可在U-N、V-N和W-N端接入相同性质但是不同大小的负载；或是U-N，V-N和W-N端接入不同性质的负载；或是在U-N和V-N端都接入电阻性负载，W-N端空载。通过不同的负载组合，可以研究不同工况下转子系统的振动特性

变负载：三相输出接入的负载大小可以在实验中调节，如接入可变电阻器、可变电感器、可变电容器，或者各种特性负载的组合。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明为滑动轴承支撑的柔性发电机转子不平衡磁拉力测试平台，目前国内尚无此种实验平台。

2、本发明的发电机转子系统采用滑动轴承支撑，转子经过良好的动平衡，最高转速可达12000rpm，系统具备跨二倍一阶临界转速和跨二阶临界的测试能力。

3、本发明在流体动压径向滑动轴承承载面布置有5个压力传感器，可测量轴承周向油膜压力分布。

4、本发明可通过调整转子铁芯和励磁线圈的极对数和平衡配重轮盘质量，来调节系统的一阶临界转速和额定工作转速，可分别获得刚性四极三相同步交流发电机转子实验台、柔性两极三相交流同步发电机转子实验台，两套不同的测试系统。

5、本发明可测试在不平衡电磁拉力和滑动轴承油膜力耦合作用下，系统跨二倍一阶临界转速的振动特性，可测试油膜涡动、油膜振荡特性及不平衡磁拉力影响下系统的动力响应特性。

6、本发明可调节转子铁芯线圈的励磁电压，来调节励磁磁场强度，进而测试不同励磁磁场强度下发电机转子系统的响应特性。

7、本发明可测试发电机在空载、平衡负载、不平衡负载、变负载、感性/容性/阻性负载等多种工况下系统的响应特性。

本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。