一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置及方法。現有監測裝置復雜，方法準確率低。本發明包括轉子以及套置在所述轉子上的軸承箱，所述轉子外壁上設置一環狀推力盤，所述推力盤上設有與其軸向聯動的環狀推力瓦座，所述軸承箱內設有與所述推力瓦座匹配抵觸的支撐感應件，所述推力盤通過推力瓦座擠壓所述支撐感應件的感應面。在現有軸承箱內增設直接感應轉子軸向推力的支撐感應件，既能直接監測轉軸軸向推力實時變化，防止因監測延誤而導致裝置推力瓦或推力盤受損，還對監測工位周邊環境溫度要求較低，且設備結構簡單，便于在原有結構上改造。推力盤通過推力瓦座將軸向推力傳遞至支撐感應件的感應面上，實現軸向推力數據實時監測。
【專利說明】
一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及火力發電領域，具體涉及一種用于監測轉子軸向推力的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]大型旋轉機械在正常運行過程中，會產生沿汽流方向的軸向推力。目前采用下列幾種主要手段平衡大型旋轉機械的巨大軸向推力，包括:1、高壓軸封兩端以反向壓差設置平衡活塞；2、高、中壓缸反向布置;3、低壓缸分流布置;4、在葉輪上開設平衡孔;5、推力軸承。
[0003]當大型旋轉機械采用上述前4種軸向推力平衡手段后，運行過程轉子的軸向推力由推力軸承平衡，維持大型旋轉機械轉子和靜止部件間的正常軸向間隙。因此推力軸承的正常工作是大型旋轉機械安全經濟運行的先決條件之一。
[0004]推力軸承一般由推力瓦和推力盤兩部分組成，推力瓦安裝在推力瓦座上，推力瓦和推力盤之間充滿潤滑油，當轉子高速轉動后，可在推力盤和推力瓦之間建立一層油膜，防止推力盤和推力瓦直接接觸導致推力瓦或推力盤因溫度過高而燒毀。
[0005]在大型旋轉機械的運行過程，由于其通流部分結構故障、結垢等原因，導致其軸向推力突然增大。這會破壞推力瓦和推力盤之間的油膜，導致推力瓦和推力盤直接接觸摩擦而燒毀的事故發生。所以，監測大型旋轉機械轉子軸向推力是保障大型旋轉機械安全運行的前提之一。此外，大型旋轉機械轉子的軸向推力是反映其通流部分是否正常的關鍵參數，通過對其連續監測，可為大型旋轉機械通流故障專家診斷系統提供基礎數據。
[0006]目前，在大型旋轉機械的正常運行過程中，主要通過監測推力瓦和推力盤之間的潤滑油溫、轉子的軸向位移等間接手段來監視轉子的軸向推力是否在正常的區間內，無法獲取準確的軸向推力數值。由于這些間接監測參數受多種因素影響，當軸向推力突然增大時，這些間接手段不能及時和準確的反映，而導致推力瓦燒毀的事故時有發生，嚴重影響設備的安全可靠性。
[0007]針對上述問題，當前部分專家對小型旋轉機械(諸如壓氣機等)轉子軸向推力的測量也提出了改進方案，例如，申請公開號為CN204330190U的發明專利提出了一種在推力瓦上安裝電阻應變式測力計，來測量作用在推力瓦上的軸向推力。但是這種應變式測力計也有明顯的缺點:對現場環境要求高，其測量準確性受環境溫度影響大；當測量載荷反復變化時，存在較大“機械滯后”現象;存在應變極限，較難滿足大型旋轉機械轉子軸向推力的測量需求;且現場設備復雜。以上缺點使這種方法較難直接應用在大型旋轉機械轉子軸向推力的測量上。
【發明內容】
[0008]為了解決現有技術的不足，本發明提供一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置及方法，
本發明通過以下方式實現:一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，包括轉子以及套置在所述轉子上的軸承箱，所述轉子外壁上設置一環狀推力盤，所述推力盤上設有與其軸向聯動的環狀推力瓦座，所述軸承箱內設有與所述推力瓦座匹配抵觸的支撐感應件，所述推力盤通過推力瓦座擠壓所述支撐感應件的感應面。在現有軸承箱內增設直接感應轉子軸向推力的支撐感應件，既能直接監測轉軸軸向推力實時變化，防止因監測延誤而導致裝置推力瓦或推力盤受損，還對監測工位周邊環境溫度要求較低，且設備結構簡單，便于在原有結構上改造。推力盤通過推力瓦座將軸向推力傳遞至支撐感應件的感應面上，實現軸向推力數據實時監測。
[0009]作為優選，所述推力瓦座內緣面上設有匹配套置所述推力盤外緣的內凹環，所述內凹環的兩側壁上分別嵌設若干均勻布置的推力瓦，所述推力盤可轉動地卡置在對應的推力瓦間，所述推力盤側壁與推力瓦間設有油膜層。推力盤可轉動地嵌置在所述內凹環中，既不影響轉子轉動，還能利用內凹環側壁來傳遞轉子的軸向推力;推力瓦既起到承受轉子軸向推力的作用，還起到限制推力盤過度軸向位移的作用，確保轉子始終處于正常工位。油膜層能有有效降低推力瓦與推力盤間的摩擦力，確保推力盤與推力瓦抵觸時不會因推力盤轉動而產生高溫，進而對推力盤或推力瓦造成損壞。
[0010]作為優選，所述軸承箱內壁設有帶外凹環的支撐座，所述支撐感應件嵌設在所述外凹環的側壁上，所述推力瓦座外緣插入所述外凹環并與所述支撐感應件抵觸連接。推力瓦座的進行運動被外凹環以及推力盤限制，使得推力瓦座只能做整體軸向運動，這就使得推力瓦座能完整傳遞來自推力盤的軸向推力，外凹環側壁上的支撐感應件用于接收通過推力瓦座傳遞來的軸向推力，以此獲得轉子軸向推力數據。
[0011]作為優選，所述支撐感應件為四個，分別設置在兩個所述支撐座內，所述支撐座分置在所述軸承箱的中分面處。四個支撐感應件分為兩組，每組包括分置在外凹環兩側壁面上的支撐感應件，兩組對稱設置在轉子兩側，優選位于軸承箱的中分面處，便于裝配檢修。轉子發生軸向移動時，每組中至多只有一個支撐感應件被觸發。
[0012]作為優選，所述支撐感應件包括一帶敞口式內腔的油缸、設于所述內腔內端的彈性油囊以及可伸縮地插接在所述內腔外端的活塞體，所述活塞體外端外露于所述油缸敞口并形成與所述推力瓦座外緣抵觸的感應面。支撐感應件通過其上的活塞體感應外界傳遞來的轉子軸向推力，活塞體通過擠壓彈性油囊來改變其內壓力油壓力，軸向推力由機械作用力轉換為液壓作用力，便于后期采集、監測。
[0013]作為優選，位于所述彈性油囊和活塞體間的內腔壁面上設有凸臺，所述活塞體內端周緣設有與所述凸臺匹配的內臺肩，所述敞口內緣螺接有定位環，所述活塞體外端周緣設有與所述定位環匹配的外臺肩，所述活塞體內端越過所述凸臺并抵觸在彈性油囊的外壁上，外端穿過所述定位環并外露，使得活塞體可在所述凸條和定位環間伸縮移動。活塞體的內端和外端均為小徑段，中部為大徑段，利用小徑段與大徑段間的內臺肩和外臺肩實現對活塞體活動范圍進行限定，既確保活塞體不會因脫離油缸而無法對彈性油囊限位，還能確保活塞體不會因過度內腔內端擠壓而使得彈性油囊破損，此外，對活塞體向內腔內端的位移進行限定，通過與其抵觸的推力瓦座對推力盤進行軸向位移限定，確保轉子不會因軸向位移過度而影響正常運轉。定位環可拆卸地螺接在敞口內緣，既便于彈性油囊和活塞體安裝，還能調節控制活塞體的伸縮運動幅度。
[0014]作為優選，所述活塞體在所述凸條和定位環間伸縮移動距離為0.lmm-0.3mm。通過限定活塞體的運動范圍來防止轉子因過度軸向位移而影響正常運轉的情況發生，在軸向推力較大時，支撐座能對轉子其軸向限位作用。
[0015]作為優選，所述彈性油囊充滿所述內腔內端，所述內腔內端壁面上穿設分別與彈性油囊通連的注油管、排氣管以及檢測管，所述檢測管上外露端串連一壓力變送器。壓力油通過注油管送入彈性油囊，彈性油囊內的空氣通過排氣管外排，彈性油囊內的壓力油壓力會外界作用力而發生改變，壓力變送器能時時感知檢測壓力油壓力變化，并將信號向外輸送。
[0016]一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的方法，包括:
首先，將轉子受到的軸向推力通過推力盤傳遞至推力瓦座上；
之后，所述推力瓦座再將受到的軸向推力傳遞至支撐感應件的感應面，利用支撐感應件將作用力轉化為成液體壓力信號；
最終，通過壓力變送器檢測獲得液體壓力信號進而計算獲得轉子軸向推力值。
[0017]作為優選，所述轉子受到的軸向推力為F，在計算轉子軸向推力時，通過以下公式計算:F=(P1+P2)*A，其中P1、P2為分別為設于轉子軸向同側壓力變送器檢測獲得的油壓壓力，單位為兆帕斯卡;A是指活塞體內端面的面積，單位為平方毫米。
[0018]本發明的突出有益效果:將大型旋轉機械轉子在運行過程中產生的軸向推力等效的轉換成易于測量的液體壓力信號，通過測量液體壓力，可計算出大型旋轉機械在運行過程轉子的軸向推力。在結構上，在軸承箱內增設直接感應轉子軸向推力的支撐感應件，既能直接監測轉軸軸向推力實時變化，防止因監測延誤而導致裝置推力瓦或推力盤受損，還對監測工位周邊環境溫度要求較低，且設備結構簡單，便于在原有結構上改造。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明剖視結構示意圖；
圖2為支撐感應件剖視結構示意圖；
圖3為推力瓦在內凹環側壁分布結構示意圖；
圖中:1、轉子，2、軸承箱，3、推力盤，4、推力座，5、感應面，6、內凹環，7、推力瓦，8、外凹環，9、支撐座，10、油缸，11、彈性油囊，12、活塞體，13、凸臺，14、內臺肩，15、外臺肩，16、定位環，17、注油管，18、排氣管，19、檢測管，20、壓力變送器。
【具體實施方式】
[0020]下面結合說明書附圖和【具體實施方式】對本發明的實質性特點作進一步的說明。
[0021]如圖1所示的一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，由轉子I以及套置在所述轉子I上的軸承箱2組成，所述轉子I外壁上設置一環狀推力盤3，所述推力盤3上設有與其軸向聯動的環狀推力座4，所述軸承箱2內設有與所述推力座4匹配抵觸的支撐感應件，所述推力盤3通過推力座4擠壓所述支撐感應件的感應面5。
[0022]采用上述結構實施的一種用于監測旋轉機械轉子I軸向推力的方法，包括:
首先，將轉子I受到的軸向推力通過推力盤3傳遞至推力座4上；
之后，所述推力座4再將受到的軸向推力傳遞至支撐感應件的感應面5，利用支撐感應件將作用力轉化為成液體壓力信號；最終，通過壓力變送器20檢測獲得液體壓力信號進而計算獲得轉子I軸向推力值。
[0023]通過本方法可準確的測量出大型旋轉機械在運行過程的轉子I軸向推力，測量系統簡單、可靠性高。當轉子I軸向推力測量值大于推力軸承可承受的最大值時，應立即跳閘停機，防止更加嚴重的設備損壞事故發生，有效的提高了大型旋轉機械的安全可靠性。
[0024]轉子I的軸向推力是大型旋轉機械的關鍵參數，是很多故障的前兆，例如:通流部分結構故障、結垢等。這些故障或影響設備的經濟性或引發更大的設備損壞事故。準確的測量其數值可幫助提高設備經濟性和預防事故的發生。
[0025]所述支撐感應件為四個，分別設置在兩個所述支撐座9內，所述支撐座9分置在所述軸承箱2的中分面處。由于支撐感應件為兩組，當轉子I向軸向任一側移動時，都會同時且只能觸發兩個支撐感應件，通過這兩個被觸發支撐感應件上的壓力變送器20檢測獲得的液體壓力信號為Pl和P2，所述轉子I受到的軸向推力為F，以此獲得轉子I軸向推力與液體壓力間的轉換公式:F=(P1+P2)*A，其中P1、P2為分別為設于轉子I軸向同側壓力變送器20檢測獲得的油壓壓力，單位為兆帕斯卡;A是指活塞體12內端面的面積，單位為平方毫米。
[0026]在實際操作中，所述支撐感應件的數量及分布位置可以根據實際情況進行調整，例如增加至三組共六個支撐感應件，此時，當轉子I向軸向任一側移動時，都會同時且只能觸發三個支撐感應件，且收集到三個液體壓力信號Pl、P2、P3，則公式變為:F=(P1+P2+P3)*A，以此類推，使得公式根據實際裝置結構進行調整，均應視為本發明的具體實施例。
[0027]在實際操作中，所述推力座4內緣面上設有匹配套置所述推力盤3外緣的內凹環6，所述內凹環6的兩側壁上分別嵌設若干均勻布置的推力瓦7，所述推力盤3可轉動地卡置在對應的推力瓦7間，所述推力盤3側壁與推力瓦7間設有油膜層。推力盤3與轉子I為一體結構，且與轉子I 一起轉動，確保轉子I的軸向推力能完整傳遞至推力盤3上，推力盤3通過推力座4與支撐座9配合，對轉子I起到軸向限位作用。所述推力盤3為環狀，且設于轉子I外側壁的周緣上，所述推力盤3兩側環形壁面與內凹環6的兩側壁面均為與轉子I軸線垂直的徑向平面，確保推力盤3和推力座4間作用力傳遞順暢。
[0028]在實際操作中，所述推力瓦7呈扁平的扇形結構(如圖3所示)，推力瓦7等距環繞嵌置在內凹環6的兩側壁面上，內凹環6的側壁上設有與推力瓦7匹配的嵌槽，推力瓦7用于承擔軸向推力并確保與推力盤3光滑滑動，所述推力瓦7的數量和位置可以根據實際情況進行增減和調整，均應視為本發明的具體實施例。
[0029]在實際操作中，所述軸承箱2內壁設有帶外凹環8的支撐座9，所述支撐感應件嵌設在所述外凹環8的側壁上，所述推力座4外緣插入所述外凹環8并與所述支撐感應件抵觸連接。外凹環8上設有支撐感應件，支撐感應件的感應面5與推力座4外緣側壁匹配，且兩者均與轉子I軸向垂直設置，使得推力座4能將軸向推力完整傳遞至支撐感應件上，確保兩者不會因抵觸時作用力過大而發生斜向偏離的情況。
[0030]在實際操作中，所述支撐感應件包括一帶敞口式內腔的油缸1、設于所述內腔內端的彈性油囊11以及可伸縮地插接在所述內腔外端的活塞體12，所述活塞體12外端外露于所述油缸10敞口并形成與所述推力座4外緣抵觸的感應面5。所述彈性油囊11充滿所述內腔內端，所述內腔內端壁面上穿設分別與彈性油囊11通連的注油管17、排氣管18以及檢測管19，所述檢測管19上外露端串連一壓力變送器20(如圖2所示)。所述活塞體的外端外露于敞口，使得活塞體外端面能順利與推力座外緣側壁抵觸。
[0031]在安裝時，通過以下步驟實現:
1.將彈性油囊11通過敞口裝入內腔的內端，并將注油管17、排氣管18以及檢測管19穿過油缸10壁面后與彈性油囊11通連；
2.將活塞體12通過敞口插入內腔外端；
3.將定位環16螺接在敞口內緣處，為活塞體12在所述凸臺和定位環16間預留0.1mm-0.3mm的預設軸向移動值。
[0032]4.通過注油管17向彈性油囊11注入壓力油，彈性油囊11內的空氣通過排氣管18外排，使得壓力油充滿彈性油囊11。
[0033]通過上述步驟實現支撐感應件裝配。
[0034]在實際操作中，油缸10的高度一般為2_3cm。為防止油缸10中的壓力油外溢，壓力油應該充滿彈性油囊11，彈性油囊11類型由壓力油等級和類型確定。注入的壓力油一般為粘稠性，體積模量較大的油液，因為體積模量較大的液體不易被壓縮，既有效增加支撐感應件的量程，確保活塞體12在承受較大作用力時內臺肩14不會因與凸臺13抵觸而喪失壓力變送器20數據精準度，還能保證推力座4的軸向位置的穩定。
[0035]在實際操作中，彈性油囊11的材質強度由壓力油的壓力等級確定，在符合強度要求的情況下，彈性油囊11的材質宜采用彈性系數較小的材料，使得彈性油囊11充滿內腔內端時，其彈性張力較小，內外壓力差也會較小，可保證推力瓦7的軸向推力信號能完整的轉換成壓力油的壓力信號，有效提高本發明的測量精度。
[0036]在實際操作中，受到油缸10內腔壁面的限制，彈性油囊11的形狀基本不變，其彈性張力也是一個恒定值，具體數值可由試驗確定。
[0037]在實際操作中，位于所述彈性油囊11和活塞體12間的內腔壁面上設有凸臺13，所述活塞體12內端周緣設有與所述凸臺13匹配的內臺肩14，所述敞口內緣螺接有定位環16，所述活塞體12外端周緣設有與所述定位環16匹配的外臺肩15，所述活塞體12內端越過所述凸臺13并抵觸在彈性油囊11的外壁上，外端穿過所述定位環16并外露，使得活塞體12可在所述凸臺和定位環16間伸縮移動。當油缸10中的壓力油發生外溢后，這種內臺肩14與凸臺13配合承擔推力座4的軸向推力，使推力瓦7不會出現超過預設軸向移動值，有效防止由于壓力油外溢，導致大型旋轉機械轉子I的軸向移動位移過大，保證推力瓦7正常工作，并有效的提高該型推力座4支撐型式的可靠性。所述預設軸向移動值為0.lmm-0.3mm，優選為
0.2mm，可以根據實際情況通過旋轉定位環16來調整，均應視為本發明的具體實施例。
【主權項】
1.一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，包括轉子(I)以及套置在所述轉子(I)上的軸承箱(2)，其特征在于，所述轉子(I)外壁上設置一環狀推力盤(3)，所述推力盤(3)上設有與其軸向聯動的環狀推力座(4)，所述軸承箱(2)內設有與所述推力座(4)匹配抵觸的支撐感應件，所述推力盤(3)通過推力座(4)擠壓所述支撐感應件的感應面(5)。2.根據權利要求1所述的一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，其特征在于，所述推力座(4)內緣面上設有匹配套置所述推力盤(3)外緣的內凹環(6)，所述內凹環(6)的兩側壁上分別嵌設若干均勻布置的推力瓦(7)，所述推力盤(3)可轉動地卡置在對應的推力瓦(7)間，所述推力盤(3)側壁與推力瓦(7)間設有油膜層。3.根據權利要求2所述的一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，其特征在于，所述軸承箱(2)內壁設有帶外凹環(8)的支撐座(9)，所述支撐感應件嵌設在所述外凹環(8)的側壁上，所述推力座(4)外緣插入所述外凹環(8)并與所述支撐感應件抵觸連接。4.根據權利要求3所述的一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，其特征在于，所述支撐感應件為四個，分別設置在兩個所述支撐座(9)內，所述支撐座(9)分置在所述軸承箱(2)的中分面處。5.根據權利要求3所述的一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，其特征在于，所述支撐感應件包括一帶敞口式內腔的油缸(10)、設于所述內腔內端的彈性油囊(11)以及可伸縮地插接在所述內腔外端的活塞體(12)，所述活塞體(12)外端外露于所述油缸(10)敞口并形成與所述推力座(4)外緣抵觸的感應面(5)。6.根據權利要求5所述的一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，其特征在于，位于所述彈性油囊(11)和活塞體(12)間的內腔壁面上設有凸臺(13)，所述活塞體(12)內端周緣設有與所述凸臺(13)匹配的內臺肩(14)，所述敞口內緣螺接有定位環(16)，所述活塞體(12)外端周緣設有與所述定位環(16)匹配的外臺肩(15)，所述活塞體(12)內端越過所述凸臺(13)并抵觸在彈性油囊(I I)的外壁上，外端穿過所述定位環(16)并外露，使得活塞體(12)可在所述凸臺和定位環(16)間伸縮移動。7.根據權利要求6所述的一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，其特征在于，所述活塞體(12)在所述凸臺和定位環(16)間伸縮移動距離為0.1mm-0.3mm。8.根據權利要求6所述的一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的裝置，其特征在于，所述彈性油囊(11)充滿所述內腔內端，所述內腔內端壁面上穿設分別與彈性油囊(11)通連的注油管(17)、排氣管(18)以及檢測管(19)，所述檢測管(19)上外露端串連一壓力變送器(20)。9.一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的方法，其特征在于，首先，將轉子(I)受到的軸向推力通過推力盤(3)傳遞至推力座(4)上，之后，所述推力座(4)再將受到的軸向推力傳遞至支撐感應件的感應面(5)，利用支撐感應件將作用力轉化為成液體壓力信號，最終，通過壓力變送器(20)檢測獲得液體壓力信號進而計算獲得轉子(I)軸向推力值。10.根據權利要求9所述的一種用于監測旋轉機械轉子軸向推力的方法，其特征在于，所述轉子(I)受到的軸向推力為F，F=(P1+P2)*A，其中P1、P2為分別為設于轉子(I)軸向同側壓力變送器(20)檢測獲得的油壓壓力，單位為兆帕斯卡;A是指活塞體(12)內端面的面積，單位為平方毫米。
【文檔編號】G01L5/12GK105910745SQ201610472411
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】謝尉揚, 朱寶, 周仁米, 董益華, 顧偉飛
【申請人】浙江浙能技術研究院有限公司