高速渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動特性試驗

馮 巖，王績德，韓東江

（1.中國中原對外工程有限公司，北京 100044；2.中國科學院 工程熱物理研究所，北京 100190）

渦輪發(fā)電機是能源系統(tǒng)中熱-功-電轉(zhuǎn)換的核心動力裝置，其性能的好壞直接影響能源動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性、安全性與穩(wěn)定性。隨著能源系統(tǒng)的小型化與智能化，渦輪發(fā)電機正向著高速化與微型化的方向發(fā)展，其典型的應(yīng)用場合為冷熱電分布式能源系統(tǒng)與超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)。在上述系統(tǒng)中，對渦輪發(fā)電機提出功率密度大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速高的要求。氣體軸承具有轉(zhuǎn)速高、功耗低、精度高和壽命長等優(yōu)點[1]，在高速支承、低摩擦損耗支承、高精度支承和特殊工況下的支承領(lǐng)域占有絕對的應(yīng)用優(yōu)勢，從而被廣泛應(yīng)用于高速微型動力裝置、精密儀器及航空航天等國防領(lǐng)域[2]。氣體軸承黏度低使得氣體軸承在高速旋轉(zhuǎn)動力裝置中應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一在于氣體軸承支承下轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性[3]。

國內(nèi)外學者對氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了大量的理論與試驗研究。侯予等[4]將可傾瓦動壓氣體軸承應(yīng)用于高速透平膨脹制冷機中，并對氣體軸承承載力與穩(wěn)定性開展了一系列研究。楊金福等[5－6]開展氣體軸承支承的高速永磁電機、高速渦輪膨脹制冷機軸系動力學特性實驗研究，探討了阻尼墊、軸承供氣壓力等轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性調(diào)整因素，并提出軸承轉(zhuǎn)子流-固耦合調(diào)頻原理及工程穩(wěn)定性判別準則。張廣輝[7－8]通過數(shù)值分析研究動靜壓混合氣體軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性，并在旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機試驗臺上進行氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學性能研究。韓東江[9]提出基于圖譜分析的轉(zhuǎn)子非線性振動行為分析方法，該方法以氣膜振蕩起始點為界，選用不同的圖譜來分析氣膜振蕩前后的動力學特征，給出了氣膜振蕩發(fā)生前不平衡量引起同頻渦動的分析圖譜和氣膜振蕩發(fā)生后氣膜非線性引起低頻渦動與振蕩的分析圖譜。Su[10－11]通過數(shù)值分析研究多排研究節(jié)流孔供氣徑向軸承的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，結(jié)果表明，軸承承載能力隨偏心率的增加速率大于其隨轉(zhuǎn)速的增加速率，并使用擾動法對多排節(jié)流孔供氣的動靜壓混合軸承動態(tài)穩(wěn)定性進行分析，通過計算軸承的剛度和阻尼系數(shù)確定其失穩(wěn)轉(zhuǎn)速。Morosi等[12－13]提出了一種可主動控制的氣體潤滑軸承，采用壓電制動裝置控制通過節(jié)流孔空氣的流量與壓力特性，進而實現(xiàn)氣膜動力學特性的在線控制，并建立該氣體潤滑軸承的動力學分析模型，開展軸承及轉(zhuǎn)子動力學特性試驗研究，驗證該軸承的有效性。

本文基于靜壓氣體軸承支承的高速渦輪發(fā)電機試驗裝置，采用轉(zhuǎn)子非線性振動分析方法，通過試驗研究高速渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子升速過程中非線性振動特性，并重點分析軸承供氣壓力對高速渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動特性的影響。

1 高速渦輪發(fā)電機試驗臺

高速渦輪發(fā)電機試驗臺[14]如圖1所示，包括軸承供氣及渦輪驅(qū)動氣子系統(tǒng)、振動信號采集與處理子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和高速渦輪發(fā)電機。

圖1 高速渦輪發(fā)電機試驗臺結(jié)構(gòu)圖

軸承供氣及渦輪驅(qū)動氣子系統(tǒng)由螺桿式空氣壓縮機提供壓力為1.20 MPa、流量800 Nm3/h的高壓氣源；高壓氣體通過管路支線1進入驅(qū)動渦輪，為高速渦輪發(fā)電機提供動力，高壓氣體通過管路支線2進入靜壓氣體軸承，為軸承提供潤滑與支承；在管路支線上布置壓力傳感器、溫度傳感器、過濾器、穩(wěn)壓閥與調(diào)節(jié)閥等，實現(xiàn)氣體參數(shù)控制與監(jiān)控。

振動信號采集與處理子系統(tǒng)由電渦流位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、存儲電腦組成。渦輪端布置3個電渦流位移傳感器以測量渦輪端轉(zhuǎn)子振動位移及旋轉(zhuǎn)速度，壓氣機端布置2兩個電渦流位移傳感器以測量壓氣機端轉(zhuǎn)子振動位移，所測量振動位移信號通過前置器轉(zhuǎn)換后進入數(shù)據(jù)采集儀，并在DASP-V10軟件中實現(xiàn)在線監(jiān)測與離線分析。

控制子系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)閥控制軸承供氣及驅(qū)動渦輪所需高壓氣體的流量，以實現(xiàn)控制軸承供氣壓力和轉(zhuǎn)子升速率的目的。

高速渦輪發(fā)電機是實現(xiàn)熱-功-電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵動力裝置，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示，為壓氣機、透平與發(fā)電機同軸的一體化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖2 高速渦輪發(fā)電機一體化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

發(fā)電機采用永磁盤式電機結(jié)構(gòu)，在軸承兩側(cè)分別布置一對磁盤，每個磁盤上均勻布置8個永磁體。在徑向上，磁盤通過鍵與轉(zhuǎn)軸連接，在軸向上通過螺母將葉輪與磁盤固定。每對磁盤間布置一個定子線圈，其冷卻方式為自然風冷，同時定子線圈上布置2個溫度測點，通過定子線圈溫度變化來觀察永磁盤與定子線圈是否發(fā)生碰磨、定子線圈溫度隨發(fā)電負載功率的變化情況。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由一對靜壓氣體軸承支承，軸承為圓柱型節(jié)流孔式徑向-止推混合軸承，軸承材料為石墨合金，具有耐磨與自潤滑的功能；采用橡膠“O”型圈提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性；徑向潤滑由2排節(jié)流小孔提供，沿著周向均布分布，數(shù)量為16個；止推潤滑由止推軸承面上均勻布置的10個節(jié)流小孔提供，以平衡轉(zhuǎn)子軸向推力，其結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

表2 軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗方案

表3中所示為本文所采用的試驗方案。在試驗1中，采用升速過程變軸承供氣壓力的方案，渦輪端與壓氣機端軸承以0.67 MPa的軸承供氣壓力啟動，當轉(zhuǎn)速到達16600 r/min時，渦輪端與壓氣機端軸承供氣壓力增加為0.80 MPa。

表3 軸承供氣壓力方案

轉(zhuǎn)速點16600 r/min的選取是基于多次試驗后歸納總結(jié)得到的。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在16600 r/min發(fā)生飛升，為了抑制飛升過程中轉(zhuǎn)子低頻振動現(xiàn)象，在飛升點前提高軸承供氣壓力至0.80 MPa。在試驗2中，升速過程軸承供氣壓力保持恒定，為0.80 MPa。

3 渦輪發(fā)電機升速過程中轉(zhuǎn)子振動特性與發(fā)電特性分析

3.1 試驗1渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動特性

圖3給出了試驗1軸承在供氣壓力下渦輪端水平方向轉(zhuǎn)子升速過程時間-轉(zhuǎn)速-幅值三維譜圖，其中橫坐標為頻率，單位為Hz，縱坐標為幅值，單位為μm。曲線ABCD代表轉(zhuǎn)子升速過程工頻振動曲線。

如圖3中所示，轉(zhuǎn)子在B點，轉(zhuǎn)速為11899 r/min時出現(xiàn)低頻渦動現(xiàn)象，渦動頻率為146.63 Hz，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，渦動頻率隨之增加；轉(zhuǎn)速為14279 r/min時，低頻渦動頻率出現(xiàn)跳躍，由153.85 Hz降為132.21 Hz，該低頻頻率跳躍的直接原因為氣膜剛度降低，即氣膜的渦動分力對應(yīng)的剛度降低。轉(zhuǎn)子在C點，轉(zhuǎn)速15505 r/min時低頻振動消失，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)碰摩特征，轉(zhuǎn)速為16658 r/min時，轉(zhuǎn)子進入飛升（升速率急劇增加）階段，到達D點，轉(zhuǎn)速42548 r/min時穩(wěn)定；在轉(zhuǎn)速45780 r/min時，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)低頻振蕩，低頻頻率為158.65 Hz，低頻振蕩的出現(xiàn)引起轉(zhuǎn)子工頻轉(zhuǎn)速的降低，低頻振蕩消失后轉(zhuǎn)子工頻轉(zhuǎn)速回升并穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)子在以上各個階段頻譜圖及軸心軌跡如圖4所示?？梢钥吹?，在AB階段，如圖4(a)所示，轉(zhuǎn)子振動譜圖以工頻振動為主，軸心軌跡呈現(xiàn)周期一特征；且在7428 r/min(123.80 Hz)時出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速特征，該臨界為轉(zhuǎn)子錐動臨界轉(zhuǎn)速特征，如圖4(b)所示。在BC階段，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)低頻渦動后頻譜圖及軸心軌跡如圖4(c)所示，軸心軌跡呈現(xiàn)多周期特征。圖4(d)給出C點后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為15851 r/min時頻譜特征，可以看到，頻譜分析圖上，出現(xiàn)類似于點碰磨特征的連續(xù)譜，同時，在時域頻譜上間斷性出現(xiàn)幅值的突躍-衰減，而軸心軌跡呈現(xiàn)混沌特征，如圖4(e)所示。

圖3 試驗1工況下轉(zhuǎn)子升速過程時間-轉(zhuǎn)速-幅值三維譜圖

圖4(f)給出飛升過程中轉(zhuǎn)子頻譜分析及軸心軌跡，轉(zhuǎn)子在飛升階段升速率為4309 r/min/s。該階段形成的原因為在轉(zhuǎn)速15500 r/min之前轉(zhuǎn)子發(fā)生低頻振動，隨著輸入能量（驅(qū)動渦輪流量增加，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加緩慢）增加，轉(zhuǎn)子在發(fā)生低頻振動區(qū)域積蓄能量，當?shù)皖l振動消失后，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)較大升速率的飛升現(xiàn)象?？梢钥吹?，在頻譜分析圖上，工頻的頻率值呈現(xiàn)頻帶的特征，其原因是升速率較快，采樣頻率與升速率不匹配。轉(zhuǎn)子在飛升區(qū)域軸心軌跡呈現(xiàn)周期一特征。在飛升轉(zhuǎn)速后期，轉(zhuǎn)子工頻振動幅值出現(xiàn)突變特征，如圖4(g)頻譜圖中所示，其原因為在飛升區(qū)域，無外界能量的輸入（此時驅(qū)動流量不增加），轉(zhuǎn)子在飛升初期，幅值是相對減小的，隨著飛升進入后期，在飛升穩(wěn)定時，幅值相對增大，其典型軸心軌跡如圖4(h)所示。

圖4(i)給出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速45780 r/min時出現(xiàn)低頻振蕩（振蕩頻率為158.65 Hz）時的軸心軌跡。

3.2 試驗2渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動特性

從試驗1軸承供氣壓力下轉(zhuǎn)子升速實驗結(jié)果可以看到，轉(zhuǎn)子在飛升轉(zhuǎn)速16600 r/min前出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，而在轉(zhuǎn)速為16600 r/min時提高軸承供氣壓力后，轉(zhuǎn)子低頻振動消失，且能夠穩(wěn)定運行于45000 r/min。本小節(jié)基于試驗1結(jié)果，將升速過程中供氣壓力穩(wěn)定在0.80 MPa，觀察供氣壓力對轉(zhuǎn)子升速過程低頻振動的影響。

圖4 試驗1工況下升速過程典型區(qū)域轉(zhuǎn)子頻譜特征及軸心軌跡

圖5 試驗2工況下轉(zhuǎn)子升速過程時間-轉(zhuǎn)速-幅值三維譜圖

圖5給出試驗2軸承供氣壓力下渦輪端水平方向轉(zhuǎn)子升速過程時間-轉(zhuǎn)速-幅值三維譜圖，其中橫坐標為頻率，單位為Hz，縱坐標為幅值，單位為μm。轉(zhuǎn)子在32690 r/min時出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，低頻頻率為125 Hz，隨著工頻轉(zhuǎn)速增加，低頻頻率略有增加。試驗2工況下轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行于40770 r/min。

圖6給出試驗2工況下轉(zhuǎn)子升速過程中典型軸心軌跡、頻譜特性與臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域伯德圖。如圖6(a)所示，轉(zhuǎn)子錐動臨界發(fā)生在轉(zhuǎn)速7544 r/min，比試驗1工況下臨界轉(zhuǎn)速值高116 r/min，其原因為軸承供氣壓力的增高引起氣膜剛度的增加，進而提高臨界轉(zhuǎn)速值。在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，轉(zhuǎn)子以周期一運行，其軸心軌跡如圖6(b)所示。圖6(c)給出轉(zhuǎn)子出現(xiàn)低頻振蕩后軸心軌跡及頻譜圖，轉(zhuǎn)速40743 r/min時，轉(zhuǎn)子以擬周期狀態(tài)運行，且軸心軌跡最大值在60 μm以內(nèi)。

圖6 試驗2工況下升速過程典型區(qū)域轉(zhuǎn)子頻譜特征及軸心軌跡

分岔圖描述轉(zhuǎn)子升速過程中從周期一穩(wěn)定運轉(zhuǎn)到出現(xiàn)混沌失穩(wěn)的路徑。文中的分岔圖是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制出來的：按等采樣點采樣，以采樣開始時轉(zhuǎn)子上鍵相槽產(chǎn)生的鍵相信號的上升沿為零基準，分岔圖上每個點表示鍵相信號上升沿相對于零基準的位移。圖7給出試驗2工況下轉(zhuǎn)子升速過程分岔圖，可以看到，分岔點為低頻振蕩出現(xiàn)起始轉(zhuǎn)速點。低頻振蕩出現(xiàn)后轉(zhuǎn)速大于38000 r/min，轉(zhuǎn)子振動幅值邊界呈收斂狀態(tài)，根據(jù)工程穩(wěn)定性判別準則[6]可知，轉(zhuǎn)子在該轉(zhuǎn)速下能夠穩(wěn)定運行。

圖7 試驗2工況下轉(zhuǎn)子升速過程分岔圖

將試驗2工況下轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)與試驗1工況下轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)對比分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)軸承供氣壓力的增加使得轉(zhuǎn)子錐動臨界轉(zhuǎn)速值相應(yīng)增加；

(2)試驗2工況下軸承供氣壓力的變化能夠消除轉(zhuǎn)子在試驗1工況下升速過程中（轉(zhuǎn)速區(qū)域為11899 r/min～15505 r/min）出現(xiàn)的低頻振動現(xiàn)象；

(3)試驗2工況下軸承供氣壓力的變化抑制低頻振動現(xiàn)象，使得轉(zhuǎn)子不存在低頻蓄能區(qū)域，進而消除轉(zhuǎn)子飛升區(qū)域；

(4)試驗2工況下轉(zhuǎn)子在32690 r/min時出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，但低頻振蕩幅值較小，隨著轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)子振動幅值在安全裕度以內(nèi)，依據(jù)工程穩(wěn)定性判別準則可知，轉(zhuǎn)子能夠在40000 r/min穩(wěn)定運行。

3.3 高速渦輪發(fā)電機發(fā)電特性分析

圖8給出試驗1工況下升速過程中渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速-功率-線圈溫度變化曲線。

圖8 試驗1工況下轉(zhuǎn)速-功率-線圈溫度特性曲線

可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的增加，功率隨之增加，進而線圈溫度隨之增加。發(fā)電功率與線圈溫度在32000 r/min～45000 r/min之間存在一個滯環(huán)。這是由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的飛升導致功率迅速增加，而飛升的時間很短，熱量還沒有顯現(xiàn)出來，因此存在線圈溫度落后于發(fā)電功率的滯環(huán)。伴隨轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，隨著時間的積累，熱量增加引起線圈溫度的遲滯增加。

4 結(jié)語

采用時間-轉(zhuǎn)速-幅值三維譜圖、頻譜圖、時域分析、軸心軌跡及分岔圖等非線性振動測試與分析方法，對高速渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子升速過程中振動特性開展試驗研究，主要結(jié)論如下：

(1)渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速隨軸承供氣壓力的增加而增加。

(2)軸承供氣壓力的增加能夠抑制轉(zhuǎn)子低頻渦動現(xiàn)象，去除轉(zhuǎn)子低頻蓄能區(qū)域，進而消除轉(zhuǎn)子飛升，提高轉(zhuǎn)子運行穩(wěn)定性與安全性。

(3)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)低頻振蕩后，只要轉(zhuǎn)子振動幅值邊界隨轉(zhuǎn)速增加而收斂，且在安全裕度以內(nèi)，則轉(zhuǎn)子可在低頻振蕩狀態(tài)下安全穩(wěn)定運行。