用于在高速下平衡旋轉機器的轉子的平衡方法與流程
本發明涉及包括磁浮軸承(magnetic bearing)的旋轉機器的領域，該磁浮軸承由于磁場而通過主動磁浮軸承來支撐旋轉機器的轉子的重量和負荷。
具體來說，本發明涉及一種用于平衡磁浮轉子系統的平衡方法。
背景技術：
在磁浮軸承發生故障的情形中，例如磁浮軸承過載或如果電控制系統或電子控制系統發生故障的情形中，已知要在具有豎置轉子裝置或水平轉子裝置的旋轉機器中提供軸向磁浮軸承和徑向磁浮軸承，且提供支撐轉子的輔助機械軸承。
需要準確地平衡旋轉機器的轉子。的確，如果沒有準確地平衡轉子，那么旋轉機器將不會在不接觸輔助軸承的情況下穿越臨界轉速。
還已知要在平衡設施上平衡旋轉機器的轉子。
在“剛性”轉子的情形中，不會由于隨速度增加的失衡力而存在轉子變形。對于剛性轉子，可以在低速下使用經典的平衡設施進行平衡。
此外，還可使用具有“柔性”結構的轉子。在具有柔性結構的轉子的情形中且根據轉子結構，將會因隨速度增加的失衡力而存在變形。在接近臨界速度之上運行的柔性轉子必須以接近這些臨界速度的速度來旋轉且被平衡，并且在高于這些臨界速度運行的柔性轉子必須以接近最終速度的速度來旋轉且被平衡。
用于這種“臨界”柔性轉子的高速平衡設施是特別昂貴的，且需要許多次試運行并使用多個傳感器。此外，如果轉子未得到準確的平衡，那么在已知的平衡設施上非常高速地旋轉的、具有大直徑的轉子可能是特別危險的。
最后，這樣的平衡設施需要真空，這增加了平衡的成本。
技術實現要素：
本發明的一個目的是提供一種適于在轉子被安裝在旋轉機器的內部時，無需使用特定的平衡設施而直接平衡高速的旋轉機器的柔性轉子的平衡方法。
本發明的特定目的是提供一種用于在高速下平衡旋轉機器的轉子的平衡方法，該旋轉機器包括：定子；轉子，該轉子具有旋轉軸且被至少兩個徑向磁浮軸承支撐在所述定子中；以及，固定至轉子軸的儲能筒。定子包括具有開口端的殼體和適于封閉該殼體的開口端的頂蓋。
所述平衡方法包括：將轉子放置在定子內部的步驟；進行至少一次第一運行，以便確定第一速度區間內的失衡的幅度和角位置的步驟；將第一套平衡質塊放置在轉子內部的、預定的第一平衡面上的步驟；進行至少一次第二運行，以便穿越臨界速度并識別第二速度區間內的失衡的幅度和角位置的步驟；以及，將第二平衡質塊放置在轉子內部的、預定的第二平衡面上的步驟。
在一個實施方案中，進行至少一次第一運行的步驟包括：轉動轉子直至第一閾值的步驟；將徑向磁浮軸承切換到同步力抑制模式(synchronous force rejection mode)的步驟；在同步力抑制模式下轉動轉子直至第二閾值的步驟；以及，根據從控制磁浮軸承的電子控制設備接收到的信息來識別在第一閾值和第二閾值之間的第二速度區間內的失衡的幅度和角位置的步驟。
對于“將徑向磁浮軸承切換到同步力抑制模式”，應理解為：徑向磁浮軸承按照轉子無需力即可圍繞其慣性軸轉動的方式進行切換。
所述平衡方法還包括：移除頂蓋、將第一平衡質塊放置在轉子內部抵靠轉子的內部圓柱形表面的步驟，該第一平衡質塊被布置在通過轉子模型給出的、預定的第一平衡面上；以及，通過頂蓋封閉定子殼體的上部的步驟。
進行至少一次第一運行的步驟包括：轉動轉子直至第一閾值的步驟；將徑向磁浮軸承切換到同步力抑制模式的步驟；在同步力抑制模式下轉動轉子直至第二閾值的步驟；啟動徑向磁浮軸承的主動共振阻尼模式的步驟；在主動共振阻尼模式下轉動轉子直至第三閾值的步驟；將徑向磁浮軸承切換到同步力抑制模式的步驟；在同步力抑制模式下轉動轉子直至第四閾值的步驟；以及，根據從控制磁浮軸承的電子控制設備接收到的信息來識別在第三閾值和第四閾值之間的第四速度區間R4內的失衡的幅度和角速度的步驟。
對于“將徑向磁浮軸承切換到主動共振阻尼模式”，應理解為：徑向磁浮軸承按照轉子借助由徑向磁浮軸承產生的力來轉動的方式進行切換。
所述平衡方法還包括以下步驟：移除頂蓋、將第二平衡質塊放置在轉子內部抵靠轉子的內部圓柱形表面，第二平衡質塊被布置在通過柔性轉子模式確定的、預定的第二平衡面上。
在一個實施方案中，各平衡質塊均由在同一平衡面上位于轉子的內部圓周上相對位置處的兩個單獨質塊構成。
在一個實施方案中，各平衡質塊均具有環形形狀。
在一個實施方案中，平衡質塊由金屬材料制成。
在一個實施方案中，平衡質塊通過粘接方式被固定在轉子的內表面上。
在一個實施方案中，平衡質塊由磁性材料制成。
第一閾值例如介于80Hz到120Hz之間，例如100Hz；第二閾值例如介于150Hz到200Hz之間，例如160Hz；第三閾值例如介于250Hz到350Hz之間，例如300Hz；以及，第四閾值例如介于500Hz到1000Hz之間，例如750Hz。
在一個實施方案中，轉子包括上軸和下軸。
第一運行例如被設置成對轉子的上軸進行平衡且第二運行例如被設置成對轉子的下軸進行平衡。
作為實例，兩個平衡面分別與轉子的上、下軸相關。
附圖說明
經由研究通過非限制性實施例給出的且通過所附附圖闡釋的具體實施方案的詳細描述，將更好地理解本發明及其優勢，在附圖中：
-圖1是具有(適于通過根據本發明的平衡方法進行平衡的)轉子的旋轉機器的軸向半剖視圖；
-圖2顯示了圖1的轉子的坎貝爾圖(Campbell diagram)，該圖中示出了以Hz計的頻率與以rpm計的速度；
-圖3闡釋了根據本發明的平衡方法的流程圖；
-圖4顯示了轉子坐標中的幾何軸(geometrical axis)偏擺(runout)的矢量軌跡圖；以及
-圖5顯示了以μm計的幾何軸偏擺作為以Hz計的轉子轉速的函數的示意圖。
具體實施方式
旋轉機器10如圖1中所示。所述旋轉機器10，例如，可以是用于儲能的高速飛輪，抑或是具有豎置轉子裝置(rotor arrangement)的任何高速旋轉機器。
旋轉機器10包括定子12和轉子14，轉子14具有圍繞垂直軸線X-X旋轉的上軸16和下軸18。儲能筒20以柔性方式被固定于轉子14的軸16、18。
儲能筒20適于在真空中非常高速地旋轉，諸如高達50000rpm。
轉子14的上軸16和下軸18由主動磁浮軸承系統和軸向驅動器26相對于定子12旋轉支撐，其中，主動磁浮軸承系統包括兩個徑向磁浮軸承22、24，分別為上徑向磁浮軸承22和下徑向磁浮軸承24；軸向驅動器26被固定于定子12且被設置成在轉子14的上軸16上產生軸向吸引力。
兩個徑向磁浮軸承22、24可以是相同的且被布置在轉子14的相對端處。兩個徑向磁浮軸承22、24包括多個傳感器(未顯示)且受到適于接收來自傳感器的信息的電子控制單元(未顯示)的控制。
轉子14的上軸16和下軸18進一步通過上徑向觸地軸承(touch down bearing)28以及下徑向和軸向觸地軸承30、32相對于定子12旋轉支撐。觸地軸承，例如，是在磁浮軸承出現故障的情形下適于支撐轉子的機械輔助軸承。
各徑向磁浮軸承22、24均包括由鐵磁性材料制成的、安裝在轉子軸16、18的外部圓柱形表面16a、18a上的環形電樞22a、24a和固定于定子12的定子電樞22b、24b。定子電樞22b、24b，按常規方式，各自包括具有鐵磁體(ferromagnetic body)和一個或多個環形線圈的定子磁路，且被設置成面朝轉子電樞22a、24a，以便限定徑向間隙。附圖中未顯示定子電樞的細節。借助主動磁浮軸承系統，轉子14在定子12內以沒有機械接觸的方式轉動。
如圖1中所示的，各轉子軸16、18均是中空的，且在一個端處被設置有在徑向上朝定子12突出的軸肩16b、18b。
定子12包括圍繞轉子14的殼體34，轉子14由儲能筒20、上軸16以及下軸18形成。如圖1中所示的，殼體34包括容納轉子14下軸18的下部34a和容納轉子14上軸16的上部34b。下部34a設置有下開口34c，適于容納用于下徑向觸地軸承30和下軸向觸地軸承32的下支撐件(lower holder)36。上部34b在軸向上是開口的，以便將轉子軸16、18以及儲能筒20安裝在定子12內。定子還包括頂蓋38，該頂蓋38適于在軸向上封閉定子12的上部34b的開口端34d。頂蓋38設置有上開口38a，適于容納用于上徑向觸地軸承28的上支撐件40。頂蓋38、上支撐件40以及下支撐件36被可移除地安裝在殼體12上。
如所示的，軸向驅動器26被固定于殼體的上部34b且被設置成在轉子14的上軸16的軸肩16b上產生軸向吸引力。
上磁浮軸承22、軸向驅動器26以及上支撐件40被固定于頂蓋38，使得在移除頂蓋38之后，轉子14可以很容易被拉出。
如所示的，電機/發電機42的定子被固定于殼體34的下部34a，面向轉子14的下軸18。
轉子14的上軸和下軸16、18由磁性鋼制成。儲能筒20可以由碳纖維或金屬材料(例如鋼)制成。
儲能筒20柔性連接至軸肩16b、18b。由于儲能筒20與轉子軸16、18之間柔性連接，軸彎曲頻率(shaft bending frequency)和臨界轉速都低，這降低了穿越臨界轉速所需的磁浮軸承功率。
圖2中顯示的坎貝爾圖示意旋轉機器10的轉子14的共振頻率F與轉速S。一種模式下固有頻率(natural frequency)的演變是作為轉子轉速的函數被繪制出來的。
如圖2所示，旋轉機器以額定運行轉速Sn運行，所述額定運行轉速Sn高于上、下軸彎曲模式頻率Bm1、Bm2，低于但接近儲能筒彎曲模式頻率Bm3。上、下軸彎曲模式頻率Bm1、Bm2約為180Hz，而旋轉機器的最大運行轉速Sn，比方說，可以是750Hz。儲能筒的彎曲模式頻率Bm3約為1000Hz。
當旋轉機器的運行轉速線OS穿越上、下軸彎曲模式頻率Bm1、Bm2時(介于180Hz到10800rpm之間的區域)，臨界轉速S1、S2被穿越。一旦穿越臨界速度S1、S2，旋轉機器10的運行則無需再穿越任何其它臨界速度了。然而，在高速下，當速度接近儲能筒的彎曲模式時，軸的偏擺會再次增加。此偏擺的增加，例如，可以由軸與筒之間不完美連接引起。這樣的偏擺增加可以通過將平衡質塊放置在靠近軸附著區域的預定平衡面處而得以最小化。
因而，為了以低的偏擺和振動水平穿越轉子軸的臨界速度，對此類旋轉機器進行準確平衡是必不可少的。為了使旋轉機器以接近筒的彎曲模式頻率Bm3的運行額定速度Sn轉動，對此類旋轉機器進行準確平衡也是必不可少的。
將參考在圖3中所示的流程圖和在圖4和5中所示的圖來描述根據本發明的平衡方法。
在第一步驟50中，(包括軸16、18和儲能筒20的)轉子14通過定子殼體34的上部34b的孔被放置在旋轉機器10的內部。以非限制性的方式，轉子14可提前在低速下在常見的平衡設施中被預先平衡。根據本發明的平衡方法的目的在于識別和補償在柔性的轉子結構的不同位置處的可能的失衡，該失衡可能僅在高速旋轉時才能被識別。
在第二步驟51中，進行轉子的一次第一運行。
第一運行包括步驟52：轉動懸浮在磁浮軸承22、24上的轉子，直至第一閾值F1，例如100Hz。在例如介于0Hz到100Hz之間的第一速度區間R1中，磁浮軸承22、24控制轉子軸圍繞旋轉軸X-X的轉動。
第一運行還包括步驟53：將徑向磁浮軸承切換到同步力抑制模式，轉子因而不需要力就能圍繞其慣性軸(inertia axis)轉動，直至第二閾值F2，例如160Hz。介于例如F1＝100Hz到F2＝160Hz之間的第二速度區間R2中，磁浮軸承22、24是工作的，但不會產生任何同步力，因而轉子圍繞其慣性軸轉動。
作為典型的示例，偏擺矢量軌跡(runout vector trajectory)在轉子坐標中的速度區間R2內由圖4中的曲線1顯示。圖5顯示了相應的偏擺幅度演變。在速度區間R2中，偏擺軌跡在F1和F2之間是一條直線。失衡引起速度區間R2內偏擺的增加，失衡的角位置(angular location)和幅度(amplitude)可以由圖4中的曲線1得出。曲線1顯示了失衡轉子的偏擺行為。圖4和5顯示了上或下徑向軸承的典型的偏擺演變。然而，所描述的失衡識別方法與上軸承或下軸承大致是相同的。
在步驟54中，通過使用從控制磁浮軸承的電子控制設備接收到的信息，來識別引起第二速度區間R2和第三速度區間R3內的偏擺增加的失衡的幅度和角位置。
在步驟55中，移除頂蓋38并將平衡質塊放置在轉子軸內部。
一組上平衡質塊72、74被放置在轉子的上軸16的內部抵靠轉子的上軸16的內部圓柱形表面16c。上平衡質塊72、74根據轉子的類型被布置在預定的上平衡面82、84上。以類似的方式，一套下平衡質塊76、78被放置在轉子的下軸18的內部抵靠轉子的下軸18的內部圓柱形表面18c。下平衡質塊根據轉子的類型而被布置在預定的下平衡面84、86上。
如圖1中所示，存在與上軸16相關的兩個預定的上平衡面82、84。然而，平衡面的數目和位置根據所使用的轉子類型在制圖(cartography)中被預先確定。第一預定的上平衡面82在徑向上位于上磁浮軸承22之間。位于第一預定的上平衡面82上的第一上平衡質塊72允許補償位于上軸16末端處的失衡。第二預定的上平衡面84在徑向上位于上軸16的軸肩16b之間。位于第二預定的上平衡面84上的第二上平衡質塊74允許補償上轉子軸16和儲能筒20之間的失衡以及最終的同心度誤差(concentricity error)。
在上和下平衡質塊72、74、76和78已經被放置在轉子內部之后，定子殼體的上部被頂蓋38封閉，且轉子的第二運行可以在步驟56處進行。
第二運行包括步驟57：懸浮在磁浮軸承22、24上的轉子轉動直至第一閾值F1，例如100Hz。在例如介于0Hz到100Hz之間的第一速度區間R1中，磁浮軸承22、24控制轉子軸圍繞旋轉軸X-X的轉動。
第二運行還包括步驟58：將主動磁浮軸承切換到同步力抑制模式，因而轉子圍繞其慣性軸轉動直至第二閾值F2，例如160Hz。在例如介于100Hz到160Hz之間的第二速度區間R2中，磁浮軸承是工作的，但不會產生任何同步力，且轉子圍繞其慣性軸轉動。
在步驟59，磁浮軸承22、24以主動同步阻尼模式(active synchronous damping mode)運行，以便穿越所述的臨界速度。轉子14在主動同步阻尼模式下轉動直至第三閾值F3，例如300Hz。在例如介于160Hz到300Hz之間的第三速度區間R3中，磁浮軸承控制轉子軸圍繞旋轉軸X-X的轉動且提供轉子的主動阻尼模式。
在步驟60，在高于F3時，磁浮軸承22、24從主動同步阻尼模式切換到同步力抑制模式，轉子因而圍繞其慣性軸轉動，直至第四閾值F4，例如750Hz。在例如介于300Hz到750Hz之間的第四速度區間R4內，磁浮軸承是工作的，但不會產生任何同步力，轉子無需力來圍繞其慣性軸轉動。
在轉子坐標中，失衡受到補償的典型偏擺矢量軌跡如圖4和5中的曲線2所示。曲線2顯示了失衡受到補償的偏擺行為。
在步驟61中，通過使用從控制磁浮軸承的電子控制設備接收到的信息來識別引起第四速度區間R4內的偏擺增加的失衡的幅度和角位置。如果需要的話，可以通過將質塊放置在平衡面84、86處來補償失衡。
在步驟62，如果需要的話，引起速度區間R4內的偏擺增加的失衡可以被補償。移除頂蓋38且將平衡質塊74、76放置在轉子軸內部。
如圖1所示，與下軸18相關的有兩個預先確定的下平衡面86、88，與上軸16相關的有兩個預先確定上平衡面82、84。然而上、下平衡面的數目和位置在制圖中根據所使用的轉子類型來確定。
各平衡質塊72、74、76和78均可以由位于轉子軸的內部圓周上的一個或多個單獨質塊構成，例如兩個質塊被布置在同一平衡面上的相對位置處。各平衡質塊72、74、76和78均可以具有例如平行六面體形狀，且重量例如可為若干克(g)，諸如2g。作為一種選擇，各平衡質塊72、74、76和78均可以具有環形形狀。平衡質塊72、74、76和78由金屬材料制成且通過任意方法(例如粘接)被固定在轉子軸的內表面16c、18c上。平衡質塊72、74、76和78可以是由磁性鋼制成的磁體。在平衡質塊72、74、76和78是磁體的情形中，不需要固定裝置(例如膠)。此外，當轉動轉子軸時，離心力將平衡質塊72、74、76和78壓靠著轉子軸16、18的內表面16c、18c。
平衡質塊可使用合適的工具從定子的頂部引入。
第一閾值F1，比方說，介于80Hz到120Hz之間，例如100Hz。第二閾值F2，比方說，介于150Hz到200Hz之間，例如160Hz。第三閾值F3，比方說，介于250Hz到350Hz之間，例如300Hz；第四閾值F4，比方說，介于600Hz到1000Hz之間，例如750Hz。
平衡方法被描述為包括第一運行和第二運行。然而，平衡方法可以包括多次第一運行和多次第二運行，以便使轉子幾乎達到完美的平衡。
本發明所述的平衡方法使用轉子坐標中給出的、由磁浮軸承產生的轉子失衡信息。所需平衡質塊的數量及其在轉子內部的放置位置則是根據柔性轉子結構的模型計算得出的。
借助本發明，可直接在旋轉機器內部平衡轉子。上述平衡方法能夠通過利用轉子坐標中給出的、由磁浮軸承產生的信息來確定轉子失衡的準確位置，并通過簡單打開定子并將平衡質塊放置在轉子內部來校正失衡。
因而，不需要使用昂貴的、在真空條件下的高速平衡設施，且不需要為了進行平衡或在平衡期間取出轉子。
根據本發明的平衡方法允許快速且準確地進行平衡，且減少平衡時間并降低成本。
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