高速透平發(fā)電機自動降速故障試驗研究

第一作者付忠廣男，博士，教授，1963年7月生

通信作者邊技超男，博士生，1987年8月生

高速透平發(fā)電機自動降速故障試驗研究

付忠廣1，邊技超1，楊金福2，韓東江2

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京102206； 2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190)

摘要：對高速透平發(fā)電機在驅(qū)動氣流量不減少的情況下發(fā)生的自動降速現(xiàn)象進行了理論分析及試驗研究。應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件FLUENT對機身內(nèi)部流場的壓力分布進行定量分析，并對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所受軸向力進行定性分析。通過時間三維譜圖、軸心軌跡、頻譜分析等非線性振動分析方法分析自動降速現(xiàn)象的特征及發(fā)展過程。試驗分析表明，軸向力的變化引起轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向位移，進而導(dǎo)致軸向碰摩，引起高速透平發(fā)電機發(fā)生自動降速現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：機械學(xué)；透平發(fā)電機；自動降速；軸向力；軸心軌跡；三維譜圖

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2012BAA11B02)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(13XS10);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2014ZZD04)

收稿日期：2014-09-26修改稿收到日期：2014-12-28

中圖分類號:TH113.1

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.032

Abstract:The theoretical analysis and experimental research on the automatic slow-down fault of high-speed turbine generator were conducted under the condition of no reduction of the driving gas flow. The FLUENT was used to quantitatively analyse the internal flow field pressure distribution and qualitatively analyse the axial force of rotor system. The time-frequency-amplitude waterfall diagrams, shaft orbit, frequency spectrum characters and bifurcation diagram were used to analyse the characteristics and developing process of automatic slow-down fault. The experimental results show that the change of axial force causes axial displacement of rotor system and then causes axial contacts. As a result, it finally leads to the automatic slow-down of high-speed turbine generator.

Experimental study on automatic slow-down fault of high-speed turbine generator

FUZhong-guang1，BIANJi-chao1，YANGJin-fu2，HANDong-jiang2(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206，China；2. Institute of Engineering Thermo physics, Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

Key words:mechanics; turbine generator; automatic slow-down; axial force; shaft orbit; three-dimensional spectra

分布式供能系統(tǒng)能夠以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近[1]，可應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院、重要政府部門以及邊防哨所、海島、坦克環(huán)控等領(lǐng)域。其關(guān)鍵技術(shù)之一即為微小型動力技術(shù)[2]，包括微小型燃氣輪機技術(shù)、內(nèi)燃機技術(shù)等。高速透平發(fā)電機作為分布式供能系統(tǒng)的核心機之一，可以在為用戶發(fā)電的同時，為用戶供熱和提供冷量，應(yīng)用前景廣闊。在設(shè)備運行中軸系發(fā)生的各種非線性振動及故障則是研究重點[3-6]。

輸入能量降低、動靜件碰摩等都會引起旋轉(zhuǎn)機械的自動降速故障，廣大研究學(xué)者對此進行了大量研究。馬輝等[7]對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障的實驗研究進行了全面的綜述并指出了發(fā)展方向。劉楊等[8]針對雙盤轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)不對中-碰摩耦合故障建立了力學(xué)模型及有限元模型，找出了此種故障出現(xiàn)的特征。劉桂珍，于影等[9]通過建立非穩(wěn)態(tài)油膜力的轉(zhuǎn)子-定子-軸承系統(tǒng)碰摩故障的力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)激勵頻率作為唯一控制參數(shù)時，系統(tǒng)存在周期運動、擬周期運動和混沌運動等豐富的非線性現(xiàn)象。宋光雄等[10]則對近年來國內(nèi)的一些大型汽輪機組的碰摩故障案例進行了研究分析，總結(jié)出碰摩故障的主要原因包括動靜間隙調(diào)整過小，氣缸膨脹不暢以及汽封問題等。華征瀟等[11]同樣對 動靜件碰摩故障的影響因素進行了研究。張根勝等[12-13]通過建立軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)考慮徑向碰磨力的運動微分方程，推導(dǎo)出圓盤與封嚴圈之間軸向碰磨力與摩擦力的計算公式，并進一步建立相應(yīng)振動方程，得到了轉(zhuǎn)子靜子之間軸向間隙對轉(zhuǎn)子運動的影響。以上研究集中在碰摩本身及其對軸系的影響。

本文以高速透平發(fā)電機整體為研究對象，發(fā)現(xiàn)引起軸系發(fā)生軸向碰摩的原因是由于轉(zhuǎn)子的軸向位移引起的，并給出了軸向碰摩的特征。另外研究了由于軸承性能，機身結(jié)構(gòu)及軸向碰摩耦合作用引起的高速透平發(fā)電機自動降速現(xiàn)象的原因，為類似故障的判別與診斷提供了試驗依據(jù)。

1試驗臺及測試系統(tǒng)

圖1為試驗設(shè)備的總體布置圖，除高速透平發(fā)電機外，還包括供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。其中高速透平發(fā)電機采用氣體靜壓徑向-止推聯(lián)合軸承支承的雙止推面、四磁盤結(jié)構(gòu)的軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，透平輪、壓氣機輪及磁盤同軸結(jié)構(gòu)，在兩磁盤之間固定線圈，通過磁盤旋轉(zhuǎn)切割磁感線來實現(xiàn)發(fā)電功能并向外界供冷、供熱。

圖1　試驗設(shè)備總體布置圖 Fig.1 General arrangement diagram of test bench

供氣系統(tǒng)能夠向透平發(fā)電機提供高壓常溫空氣，其動力源為一臺氣流量范圍在0~1 500 Nm3/h的空氣壓縮機。在供氣管路上，布置有控制閥門(包括開關(guān)球閥、穩(wěn)壓閥調(diào)節(jié)閥及緊急切斷閥)、流量計、溫度傳感器及壓力傳感器。供氣系統(tǒng)分為驅(qū)動渦輪的主路氣供氣部分及軸承氣供氣部分。

控制系統(tǒng)能夠?qū)υ囼炦^程進行遠程控制，遠程操作主氣路及軸承氣路閥門開度，控制升速，并能實時記錄供氣系統(tǒng)的流量、壓力、溫度等參數(shù)。

數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)通過在壓氣機及渦輪端尾部布置電渦流位移傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測、采集實驗過程中產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)，并應(yīng)用DASP振動分析軟件，實時顯示轉(zhuǎn)子運行過程中的軸心軌跡、時域及頻域波形圖等。

2自動降速機理分析

本文的研究對象為高速透平發(fā)電機的自動降速故障，即在輸入流量不減少的前提下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速出現(xiàn)下降，并伴隨周期性的上升、下降現(xiàn)象。由圖1中試驗臺本體部分可以看出，軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)從左到右分別為壓氣機輪、磁盤、軸承、兩個止推面、軸承、磁盤與透平輪，而圖2為軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高速透平發(fā)電機設(shè)備中的布置圖。

圖2　軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)布置圖 Fig.2 Arrangement diagram of bearing-rotor system

從渦輪端蝸殼輸入的驅(qū)動氣要經(jīng)過導(dǎo)流盤驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，其中部分驅(qū)動氣會沿渦輪與導(dǎo)流盤之間的間隙流入機身內(nèi)部，并在其中形成壓力分布，設(shè)渦輪入口外徑為d1，導(dǎo)流盤內(nèi)徑為d2，引線出口直徑為d3，則入口截面積為：

(1)

引線出口截面積為：

(2)

而其中：

d1=88.74 mm；

d2=89.23 mm；

d3=8.4 mm

將其代入截面積計算公式，可以得出：

S1=68.49 mm2；

S1=55.41 mm2

由計算結(jié)果可以看出，因為入口截面積大于出口截面面積，所以當(dāng)由渦輪與導(dǎo)流盤之間的間隙流入機身內(nèi)部的氣體流量較小時，氣流會從線圈引線出口全部流出。但是隨著轉(zhuǎn)速上升，主氣路流量增加時，流入機身內(nèi)部的氣體流量也會持續(xù)增加，這樣就會在機身內(nèi)部形成壓力分布，使得磁盤在軸向方向的受力不平衡。為了定性分析機身內(nèi)部的壓力分布，采用FLUENT模擬軟件建立物理模型，采用SIMPLE算法和k-ε方程，對機身內(nèi)部進行數(shù)值模擬。模型入口為速度入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件其他為壁面邊界條件。模擬結(jié)果如圖3所示，顏色的深淺代表壓力的大小，顏色由藍到紅，表示壓力越來越大。

圖3　機殼體內(nèi)壓力分布圖 Fig.3 Inside pressure distribution chart of machine

選取4種工況條件，分別進行模擬，其模擬結(jié)果如表1所示。由表可以看出，隨著主路驅(qū)動氣輸氣量的增加，機身內(nèi)部的壓力分布也在發(fā)生變化，并且磁盤2正背面的壓差越來越大，這代表著機身內(nèi)部的氣壓對磁盤形成了一個整體向左的推力，由圖5上看，即形成一個向右的軸向力，其中磁盤2靠近軸承的為背面。轉(zhuǎn)子在運行過程中軸向受力情況如圖5所示。

表1　數(shù)值模擬結(jié)果

圖4　主氣路流量與磁盤正背面壓差關(guān)系曲線 Fig.4 Relation curve of the flow and pressure difference

由于壓氣機輪為直葉片，軸向力很小，可以忽略不計。所以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到的力有壓氣機端止推軸承對止推盤向右的軸向力F1、渦輪端止推軸承對止推盤向左的軸向力F2、氣流對透平輪向左的軸向力F3以及機身內(nèi)部由于壓力分布產(chǎn)生的向右的軸向力F4。隨著主氣路輸入流量的增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，如果保持軸承供氣壓力不變，則F3與F4發(fā)生變化，并在4個力中占主導(dǎo)作用。4個力在軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行過程中的相對大小發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向位移，當(dāng)位移距離大于轉(zhuǎn)子與軸承之間的軸向間隙時，就會發(fā)生軸向碰摩，碰摩消耗能量，如果輸入能量不變，則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的自動下降。與此同時，由于此時渦輪端止推面與止推軸承接觸，而壓氣機端止推面與止推軸承位于距離最大處，則此時F1最小，而F2達到最大，所以會將止推面推離，則轉(zhuǎn)子退出碰磨，轉(zhuǎn)速重新恢復(fù)上升。這即為高速透平發(fā)電機發(fā)生周期性自動升降速的機理。

3試驗結(jié)果及分析

將兩路軸承供氣壓力保持在0.6 MPa進行升速試驗，圖6為描述整個升速過程的時間-頻率-幅值三維譜圖，其中橫坐標(biāo)代表頻率，縱坐標(biāo)為升速時間，而顏色的的亮度代表振動幅值的大小，由藍到黃，代表幅值有小到大。由圖可以看出，當(dāng)開度達到30%時，流量繼續(xù)增大，最大達到261.52 Nm3/h，此時轉(zhuǎn)速到達最高點，保持此流量不變，轉(zhuǎn)速發(fā)生自動降速現(xiàn)象，圖7為自動降速區(qū)域的局部放大圖。

圖6　升速過程時間-頻率-幅值三維譜圖 Fig.6 Three-dimensional spectra of acc process

由圖7我們可以看出，轉(zhuǎn)速從12 538 r/min開始，出現(xiàn)有規(guī)律的升降速現(xiàn)象，每次降速的最低轉(zhuǎn)速都在10 429 r/min左右，但是降速后，再次升速的最高轉(zhuǎn)速卻逐漸降低，為12 538 r/min→11 308 r/min→10 898 r/min→10 781 r/min。

圖7　自動升降速區(qū)域三維譜圖放大圖 Fig.7 Three-dimensional spectra enlarged drawing of automatic slow-down stage

圖8~圖11為轉(zhuǎn)速從12 538 r/min降速到10 429 r/min再升到最高轉(zhuǎn)速11 308 r/min的一個周期內(nèi)的軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)。圖8為轉(zhuǎn)速在最高時刻12 538 r/min的軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)，可以看出此時頻譜成分主要以工頻為主，存在一幅值較明顯的高頻及若干幅值很小的分頻頻率。圖9為發(fā)生軸向碰摩時刻的軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)，可以看出此時軸心軌跡混亂，頻譜成分復(fù)雜，除工頻外，還存在振幅較大的低頻及高頻，時域波形也有明顯的削峰現(xiàn)象，且此時的轉(zhuǎn)速急劇下降。圖10為轉(zhuǎn)子脫離碰摩，但是由于慣性繼續(xù)降速至最低點，此時軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常。隨后轉(zhuǎn)子再次開始升速，重復(fù)此過程。

圖8　轉(zhuǎn)速12 538 r/min對應(yīng)軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu) Fig.8 Shaft orbit and spectrum structure map at 12 538 r/min

圖9　轉(zhuǎn)速12 089 r/min對應(yīng)軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu) Fig.9 Shaft orbit and spectrum structure map at 12 089 r/min

圖10　轉(zhuǎn)速10 429 r/min對應(yīng)軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu) Fig.10 Shaft orbit and spectrum structure map at 10 429 r/min

圖11　轉(zhuǎn)速11 308 r/min對應(yīng)軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu) Fig.11 Shaft orbit and spectrum structure map at 11 308 r/min

圖12為時間轉(zhuǎn)速幅值曲線，上方曲線為時間-轉(zhuǎn)速曲線，下方曲線為時間-幅值曲線。由曲線可以看出，每次轉(zhuǎn)速降低的過程對應(yīng)的是幅值升高的過程，這是由于轉(zhuǎn)速從最高開始下降的過程，對應(yīng)的為轉(zhuǎn)子止推面向止推軸承移動并發(fā)生軸向碰摩的過程。

圖12　自動降速階段時間轉(zhuǎn)速幅值曲線 Fig.12 Time-speed-amplitude curves of automatic slow-down stage

自動降速故障不僅危害軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，危害設(shè)備的安全運行，而且轉(zhuǎn)子與軸承的軸向碰摩也會導(dǎo)致并加速氣體軸承的磨損，嚴重時會導(dǎo)致氣體軸承的斷裂、報廢。所以在不改變機身結(jié)構(gòu)的前提下，重新設(shè)計軸承，將止推面止推小孔距軸承中心的距離由21.1 mm降低到17.4 mm，如圖13所示，即提高了止推軸承的止推效果，使得止推軸承對止推盤的力F1、F2遠大于氣流對透平輪向左的軸向力F3與機身內(nèi)部由于壓力分布產(chǎn)生的向右的軸向力F4，降低F3與F4對軸向力的影響，可以緩解甚至消除自動降速故障。

圖13　兩次試驗軸承參數(shù)對比 Fig.13 The parameters comparison of two bearings

圖14為更換軸承后的第2次試驗的時間三維譜圖，可以看出，第1次試驗12 000 r/min左右出現(xiàn)的自動降速現(xiàn)象在本次試驗中消失，提高了軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖14　第2次試驗升速時間頻率幅值三維譜圖 Fig.14 Three-dimensional spectra of the second test

4結(jié)論

通過對高速透平發(fā)電機在驅(qū)動氣流量不減少的情況下發(fā)生的自動降速現(xiàn)象進行了理論分析及試驗研究，得出如下結(jié)論：

(1)各軸向力之間的相對大小發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向位移，當(dāng)位移量大于轉(zhuǎn)子與軸承之間的軸承間隙時，就會發(fā)生軸承碰摩，進而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降；

(2)軸向碰摩一般會伴隨著轉(zhuǎn)速突降、軸心軌跡突變以及頻譜結(jié)構(gòu)存在較寬工頻頻帶等故障特征；

(3)通過監(jiān)測轉(zhuǎn)子軸向位移，改善軸承結(jié)構(gòu)進而改善止推軸承止推性能、擴大線圈引線出口截面積等措施能夠有效緩解甚至消除轉(zhuǎn)子的軸向位移，進而消除自動降速現(xiàn)象的發(fā)生。

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