重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)綜合試驗(yàn)平臺

徐自力， 趙世全， 王建錄， 王為民， 王鐵軍， 虞 烈

（1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.東方汽輪機(jī)有限公司，德陽 618000）

由于燃?xì)廨啓C(jī)具有效率高、污染小、用水量少、啟動速度快以及建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，自1939年誕生以來得到了快速發(fā)展.目前，投入商業(yè)運(yùn)行的先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)透平燃?xì)獬鯗匾堰_(dá)到1500℃，單循環(huán)與聯(lián)合循環(huán)熱效率分別達(dá)到40%和60%［1-2］.由于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)含量高，設(shè)計制造難度大，在世界范圍內(nèi)形成了美國通用電氣（GE）、日本三菱（MHI）、德國西門子（Siemens）、歐洲阿爾斯通（Alstom－ABB）以及俄羅斯列寧格勒金屬工廠等五大公司高度壟斷的局面.截至2004年，這幾家公司的廠商及其伙伴廠商的產(chǎn)品份額約占世界總量的80%［3］，在2011年，西門子、通用電氣和三菱等三家公司及其伙伴廠商的市場份額已經(jīng)超過90%.

我國重型燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)歷了50年的馬鞍型發(fā)展歷程，目前正處在新的發(fā)展階段.近十年來，引進(jìn)了三菱、西門子以及通用電氣公司的E／F級重型燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)，使我國燃?xì)廨啓C(jī)制造能力得到了大幅提升.然而，引進(jìn)的只是冷部件的制造技術(shù)，外方并沒有轉(zhuǎn)讓熱部件制造技術(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)包括冷部件在內(nèi)的設(shè)計和試驗(yàn)技術(shù)至今仍被外方所壟斷.

在重型燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，我國和發(fā)達(dá)國家的差距仍然很大.燃?xì)廨啓C(jī)不僅應(yīng)用于發(fā)電，而且還廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船和兵器等領(lǐng)域，是世界各國戰(zhàn)略必爭的先進(jìn)動力裝備.因此，提升我國重型燃?xì)廨啓C(jī)自主設(shè)計和制造能力，縮短與先進(jìn)制造廠商的差距，是關(guān)系到我國能源和國防安全的重大戰(zhàn)略任務(wù).考慮到高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速等極端服役環(huán)境的要求以及高溫部件冷卻等多種因素，重型燃?xì)廨啓C(jī)大多采用了盤式拉桿組合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，F(xiàn)級燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子質(zhì)量近100t，因而對軸承提出了很高要求.盤式拉桿組合轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的動力學(xué)設(shè)計是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展所公認(rèn)的核心技術(shù)之一，而開展試驗(yàn)研究又是開發(fā)盤式拉桿組合轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)動力學(xué)設(shè)計技術(shù)所必須的.為此，在國家973計劃支持下，建立了重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)綜合試驗(yàn)平臺，下面對部分試驗(yàn)臺功能和試驗(yàn)方法作簡要介紹.

1 大型重載軸承靜態(tài)性能試驗(yàn)臺

為了全面評價軸承的綜合性能和為軸承的設(shè)計及安全運(yùn)行提供保障，對軸承的理論計算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并為計算模型的改進(jìn)提供依據(jù)，建造了大型重載軸承靜態(tài)性能試驗(yàn)臺，可用于對上瓦固定－下瓦可傾軸承以及可傾瓦軸承等多種形式軸承靜態(tài)性能進(jìn)行測試和試驗(yàn)，以滿足重型燃?xì)廨啓C(jī)重載軸承研發(fā)的需要.

大型重載軸承靜態(tài)試驗(yàn)臺主要由試驗(yàn)臺主體、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、動力和控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及水冷卻系統(tǒng)等五部分組成（圖1）.試驗(yàn)臺主體采用兩端加載，中間為試驗(yàn)軸承的單支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，主要由試驗(yàn)轉(zhuǎn)子、軸承、軸承箱、加載軸承箱、加載波紋管、加載軸承、增速齒輪箱以及萬向聯(lián)軸器等組成.該試驗(yàn)臺驅(qū)動功率為800kW，軸承最大軸頸為800 mm，轉(zhuǎn)速范圍為0～3600r／min，其軸承最大載荷為50t.

此試驗(yàn)臺可以用來測量軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)油溫度、進(jìn)油壓力、潤滑油流量、沿軸承周向巴氏合金溫度分布、沿周向油膜壓力分布、軸承加載壓力以及軸心穩(wěn)態(tài)位置（偏心率、偏位角）等參數(shù).在整套試驗(yàn)裝置中，共布置了24個壓力測點(diǎn)和26個溫度測點(diǎn).

圖1 大型重載軸承靜態(tài)性能試驗(yàn)臺Fig.1 Bearing test－bed of heavy－duty gas turbine

利用該試驗(yàn)臺對一套軸徑為560mm的重載可傾瓦軸承進(jìn)行了試驗(yàn).在進(jìn)油壓力為0.078MPa、進(jìn)油溫度為40℃和比壓為1.76MPa時在900～3000 r／min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了軸承試驗(yàn)，不同轉(zhuǎn)速下的軸承性能參數(shù)見表1.

通過試驗(yàn)分析了轉(zhuǎn)速、進(jìn)油溫度和比壓等對軸承靜態(tài)性能的影響，結(jié)果表明：（1）隨著轉(zhuǎn)速的加快，潤滑油流量在低轉(zhuǎn)速下增加得較快，但在達(dá)到2400r／min后，潤滑油流量增幅減小并逐漸穩(wěn)定；（2）隨著轉(zhuǎn)速的加快，摩擦功耗增加，在2400r／min以后，摩擦功耗增加較快，軸承功耗劇增，導(dǎo)致軸承排油溫度和巴氏合金溫度升高；（3）軸承排油溫度升高，進(jìn)油溫度提高，會降低軸承的承載能力；（4）低速試驗(yàn)時，軸瓦溫度無異?，F(xiàn)象，試驗(yàn)軸承未發(fā)現(xiàn)黏瓦，說明該結(jié)構(gòu)型式的軸承低速性能良好，在重載工況下軸承未發(fā)生黏瓦和拉毛.

表1 不同轉(zhuǎn)速下的軸承性能參數(shù)Tab.1 Bearing performance at different rotating speeds

2 基于高速動平衡機(jī)的軸承動特性參數(shù)辨識試驗(yàn)臺

目前，大多通過施加外部激勵獲取系統(tǒng)響應(yīng)以得到軸承油膜動特性參數(shù)［4］.這種方法對于小型滑動軸承是簡便可行的，然而重型燃?xì)廨啓C(jī)的徑向滑動軸承屬于重載、大尺寸軸承，面臨著難以施加大功率激勵、系統(tǒng)信噪比低以及不易有效獲取系統(tǒng)響應(yīng)等難題.因此，提出利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身的不平衡響應(yīng)，以軸承和軸承支撐系統(tǒng)作為研究對象的辨識方法［5］，文獻(xiàn)［6］中在動平衡試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了軸承油膜動特性參數(shù)的辨識試驗(yàn)和研究，但是已有的文獻(xiàn)未曾考慮剛度改變前后擺架參振質(zhì)量的變化.

為此，建立了基于高速動平衡機(jī)的軸承動態(tài)特性參數(shù)辨識試驗(yàn)臺并提出了測試方法.根據(jù)擺架的剛度可變特性以及水平和垂直方向等剛度的設(shè)計特點(diǎn)，簡化了軸承與擺架系統(tǒng)物理模型，并考慮了擺架參振質(zhì)量的變化.對擺架動剛度進(jìn)行了測試，獲得了擺架等效剛度和參振質(zhì)量，并形成了一種軸承油膜動特性參數(shù)的快速辨識方法［7］，可以用于對重型燃?xì)廨啓C(jī)的軸承動特性進(jìn)行測試.

根據(jù)動平衡機(jī)擺架軸承座在水平（x）和垂直（y）方向的等剛度設(shè)計特點(diǎn)，將擺架視為各向同性，即2個方向的等效支撐剛度均為kb，單位為N／m，軸承的支撐擺架為金屬桿，因此可以忽略其阻尼特性.以一側(cè)擺架－軸承子系統(tǒng)為例（圖2），列出其動力學(xué)方程：

圖2 擺架－軸承子系統(tǒng)Fig.2 Pedestal－bearing subsystem

式中：m1為動平衡機(jī)擺架的參振質(zhì)量，kg；xa，ya分別為軸承在x方向和y方向的絕對位移，m；xr，yr分別為軸頸與軸承在x方向和y方向的相對位移，m；kij和cij（i＝x，y；j＝x，y）分別為滑動軸承油膜的剛度和阻尼，單位分別為N／m和N·s／m.

令不平衡響應(yīng)xa，ya，xr，yr為：

式中：ω為轉(zhuǎn)子角速度，rad／s；下標(biāo)c表示位移的余弦分量；下標(biāo)s表示位移的正弦分量.

將位移寫成復(fù)數(shù)形式

利用上式，并將式（2）代入式（1）得到復(fù)數(shù)方程：

式中：Ua、Va、Ur、Vr分別為擺架支撐剛度和參振質(zhì)量改變前的位移.

在工作轉(zhuǎn)速下，可以對動平衡機(jī)擺架剛度和參振質(zhì)量進(jìn)行改變，此時其他運(yùn)行參數(shù)不變，因此可以認(rèn)為滑動軸承的油膜動特性參數(shù)kij和cij是不變的.在改變擺架支撐剛度后，剛度和參振質(zhì)量變?yōu)楹蚼，可得另一組方程：2

聯(lián)立式（4）和式（5）得：

利用下式可識別出滑動軸承油膜的剛度和阻尼：

在識別軸承油膜動特性參數(shù)時，動平衡機(jī)擺架的等效剛度、參振質(zhì)量是必需的參數(shù)，其準(zhǔn)確性直接影響油膜動特性參數(shù)識別的準(zhǔn)確性.因此，在進(jìn)行油膜動特性系統(tǒng)識別前，必須對擺架等效剛度和參振質(zhì)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測定.采用偏心激振方式，測量不同頻率下擺架的動剛度值，并通過多項式擬合得到擺架等效剛度和參振質(zhì)量（表2）.擺架為各向同性結(jié)構(gòu)，所以x方向和y方向的剛度值一致.

筆者對某重載軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)和測試，以識別軸承油膜動特性參數(shù).在額定轉(zhuǎn)速下，軸承油膜動特性系數(shù)的試驗(yàn)值與理論值見表3.從表3可以看出：兩組數(shù)據(jù)在一個數(shù)量級內(nèi)，說明辨識結(jié)果和理論值基本吻合，證明該辨識方法具有可行性，從識別結(jié)果的對比也可以看到該方法仍有改進(jìn)的空間.

表2 擺架的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of pedestal

3 轉(zhuǎn)子高速動平衡與軸系模態(tài)測試試驗(yàn)臺

為了對重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子高速動平衡進(jìn)行測試，設(shè)計和制造了250t擺架，在真空倉中就可完成對重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子高速動平衡與軸系模態(tài)的測試和試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子高速動平衡與軸系模態(tài)測試試驗(yàn)臺見圖3.

圖3 轉(zhuǎn)子高速動平衡與軸系模態(tài)測試試驗(yàn)臺Fig.3 High speed balancing and modal measurement test－rig of rotor

利用高速動平衡機(jī)可以測量轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速和不平衡響應(yīng)，同時采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)還能夠測量轉(zhuǎn)子橫向振動的模態(tài)振型.

4 三級透平級間耦合試驗(yàn)臺

國外一些大公司和高校的實(shí)驗(yàn)室都十分重視空氣透平級間耦合試驗(yàn)研究，日本的日立、三菱和東芝公司，美國的通用電氣公司，歐洲的Alstom公司和英國劍橋大學(xué)、德國亞深大學(xué)以及MTU研究中心均進(jìn)行過空氣透平試驗(yàn)和研究.

建成了三級透平級間耦合試驗(yàn)平臺（圖4），主要由試驗(yàn)臺位本體、風(fēng)源系統(tǒng)、水力測功器、測量控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及水冷卻系統(tǒng)等部分組成，是空氣動力學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、電氣控制和測量技術(shù)等多學(xué)科集成的體現(xiàn).

該試驗(yàn)臺的風(fēng)機(jī)功率為5000kW，流量為1800m3／min，出口壓力為274kPa.葉片根徑變化范圍為660～900mm，最長試驗(yàn)葉片高度為250 mm，轉(zhuǎn)速為1500～6000r／min.三級透平級間耦合試驗(yàn)臺在轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)葉高以及汽源功率等方面均具有較高指標(biāo).

該試驗(yàn)平臺的主要功能有：（1）進(jìn)行單級、2級或3級非定常流動試驗(yàn)研究；（2）進(jìn)行多級綜合效率測試；（3）進(jìn)行級間流場的詳細(xì)測試；（4）進(jìn)行汽封小間隙流動試驗(yàn)；（5）進(jìn)行級間耦合試驗(yàn)；（6）進(jìn)行葉片的振動特性試驗(yàn).

圖4 三級透平級間耦合試驗(yàn)臺Fig.4 Test rig for interstage coupling

通過三級透平級間耦合試驗(yàn)臺可以對CFD的計算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，可以對級內(nèi)隔板漏汽、級間漏汽和平衡孔漏汽，汽流之間的相互作用及對級特性的影響以及級間耦合對葉片振動的影響進(jìn)行研究，從而為通流部分優(yōu)化設(shè)計及葉片和轉(zhuǎn)子振動設(shè)計提供依據(jù).

5 轉(zhuǎn)子模化試驗(yàn)臺

設(shè)計和制造了重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的?；囼?yàn)臺，目的在于觀察和研究盤式拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所特有的線性、非線性動力學(xué)現(xiàn)象，探索拉桿松緊程度、拉桿緊力不對稱、拉桿數(shù)目、摩擦傳扭面受力不均、傳扭面粗糙度和端面齒不均勻等結(jié)構(gòu)參數(shù)與轉(zhuǎn)子動力學(xué)行為之間的內(nèi)在關(guān)系，研究轉(zhuǎn)子從線性過渡到非線性振動的閥值，最后形成盤式拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的試驗(yàn)理論、試驗(yàn)方法和測試技術(shù).

圖5為設(shè)計和搭建的盤式拉桿?；D(zhuǎn)子－軸承試驗(yàn)臺.壓氣機(jī)?；糠钟?5級葉輪，其中第一級葉輪和前端軸鍛造成整體，透平級?；糠钟?級葉輪，軸承為4瓦的可傾瓦軸承.壓氣機(jī)端采用徑向軸承，透平端采用徑向－推力軸承.

圖5 模化轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)試驗(yàn)臺Fig.5 Model test rig of rotor－bearing system

6 現(xiàn)場測試

對某電廠1號燃?xì)猓羝?lián)合發(fā)電機(jī)組的軸系振動進(jìn)行了監(jiān)測和評估［8］，為重型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計與運(yùn)行積累了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn).該軸系共有8個支承、4段轉(zhuǎn)子，圖6為監(jiān)測參數(shù)測點(diǎn)布置示意圖.從燃?xì)廨啓C(jī)端開始分別為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子，汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子，整個軸系總長為40m.在每個軸承支承面附近安裝了垂直成45°角的2個測量轉(zhuǎn)子徑向振動的電渦流位移傳感器，另外安裝了3個軸向位移傳感器，用于監(jiān)測軸系的軸向振動.采用2臺便攜式Bently 408型振動數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)進(jìn)行測量.軸振信號以及鑒相信號取自機(jī)組自備的Bently3500系統(tǒng)的緩沖輸出口，軸承座的振動信號取自于該次測試時加裝的速度傳感器.

圖7為啟動過程中轉(zhuǎn)子的振動瀑布.從圖7可以看出：1號處軸振的頻譜以基頻為主，幾乎沒有倍頻信號；2號處的振動頻譜中倍頻很復(fù)雜.該機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行狀況良好.

圖6 監(jiān)測參數(shù)測點(diǎn)布置示意圖Fig.6 Arrangement of measuring points

圖7 啟動過程中轉(zhuǎn)子的振動瀑布Fig.7 Waterfall plot of rotor vibration during start－up process

測試結(jié)果表明：在整個啟停機(jī)過程和額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，該轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)設(shè)計合理，轉(zhuǎn)子動平衡質(zhì)量良好.雖然此盤式拉桿轉(zhuǎn)子是組合式、不連續(xù)的結(jié)構(gòu)，但表現(xiàn)出與連續(xù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)同樣的特征，說明通過合理的設(shè)計可以將不連續(xù)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)連續(xù)轉(zhuǎn)子，能夠滿足大型動力裝備對轉(zhuǎn)子的需要.該燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子具有良好的阻尼特性，證明拉桿轉(zhuǎn)子比傳統(tǒng)整體轉(zhuǎn)子具有更多的優(yōu)勢.

7 結(jié)束語

建成的重型燃?xì)廨啓C(jī)軸承靜態(tài)性能試驗(yàn)臺和基于高速動平衡機(jī)的軸承動特性參數(shù)辨識測試試驗(yàn)臺為重型燃?xì)廨啓C(jī)大軸徑、高載荷軸承特性的試驗(yàn)以及計算和分析模型的驗(yàn)證提供了條件.建成的轉(zhuǎn)子高速動平衡和軸系模態(tài)測試試驗(yàn)臺以及三級透平級間耦合試驗(yàn)臺為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的高速動平衡和橫向振動的模態(tài)測試以及為非定常氣流對轉(zhuǎn)子的影響研究提供了條件.而轉(zhuǎn)子模化試驗(yàn)臺和實(shí)際轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場測試則為盤式拉桿轉(zhuǎn)子線性、非線性動力學(xué)現(xiàn)象探索和研究以及轉(zhuǎn)子的設(shè)計和驗(yàn)證提供了依據(jù).初步形成了重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)動力學(xué)試驗(yàn)體系，為我國重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的自主設(shè)計和發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐.

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