高速透平发电机自动降速故障试验研究

第一作者付忠广男，博士，教授，1963年7月生

通信作者边技超男，博士生，1987年8月生

高速透平发电机自动降速故障试验研究

付忠广1，边技超1，杨金福2，韩东江2

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206； 2.中国科学院工程热物理研究所，北京100190)

摘要：对高速透平发电机在驱动气流量不减少的情况下发生的自动降速现象进行了理论分析及试验研究。应用计算流体力学软件FLUENT对机身内部流场的压力分布进行定量分析，并对转子系统所受轴向力进行定性分析。通过时间三维谱图、轴心轨迹、频谱分析等非线性振动分析方法分析自动降速现象的特征及发展过程。试验分析表明，轴向力的变化引起转子发生轴向位移，进而导致轴向碰摩，引起高速透平发电机发生自动降速现象。

关键词：机械学；透平发电机；自动降速；轴向力；轴心轨迹；三维谱图

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAA11B02)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(13XS10);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2014ZZD04)

收稿日期：2014-09-26修改稿收到日期：2014-12-28

中图分类号:TH113.1

文献标志码：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

分布式供能系统能够以小规模、小容量、模块化、分散式的方式布置在用户附近[1]，可应用于学校、医院、重要政府部门以及边防哨所、海岛、坦克环控等领域。其关键技术之一即为微小型动力技术[2]，包括微小型燃气轮机技术、内燃机技术等。高速透平发电机作为分布式供能系统的核心机之一，可以在为用户发电的同时，为用户供热和提供冷量，应用前景广阔。在设备运行中轴系发生的各种非线性振动及故障则是研究重点[3-6]。

输入能量降低、动静件碰摩等都会引起旋转机械的自动降速故障，广大研究学者对此进行了大量研究。马辉等[7]对转子系统碰摩故障的实验研究进行了全面的综述并指出了发展方向。刘杨等[8]针对双盘转子轴承系统不对中-碰摩耦合故障建立了力学模型及有限元模型，找出了此种故障出现的特征。刘桂珍，于影等[9]通过建立非稳态油膜力的转子-定子-轴承系统碰摩故障的力学模型，发现了当激励频率作为唯一控制参数时，系统存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象。宋光雄等[10]则对近年来国内的一些大型汽轮机组的碰摩故障案例进行了研究分析，总结出碰摩故障的主要原因包括动静间隙调整过小，气缸膨胀不畅以及汽封问题等。华征潇等[11]同样对 动静件碰摩故障的影响因素进行了研究。张根胜等[12-13]通过建立轴承-转子系统考虑径向碰磨力的运动微分方程，推导出圆盘与封严圈之间轴向碰磨力与摩擦力的计算公式，并进一步建立相应振动方程，得到了转子静子之间轴向间隙对转子运动的影响。以上研究集中在碰摩本身及其对轴系的影响。

本文以高速透平发电机整体为研究对象，发现引起轴系发生轴向碰摩的原因是由于转子的轴向位移引起的，并给出了轴向碰摩的特征。另外研究了由于轴承性能，机身结构及轴向碰摩耦合作用引起的高速透平发电机自动降速现象的原因，为类似故障的判别与诊断提供了试验依据。

1试验台及测试系统

图1为试验设备的总体布置图，除高速透平发电机外，还包括供气系统、控制系统及数据采集与分析系统。其中高速透平发电机采用气体静压径向-止推联合轴承支承的双止推面、四磁盘结构的轴承-转子系统，透平轮、压气机轮及磁盘同轴结构，在两磁盘之间固定线圈，通过磁盘旋转切割磁感线来实现发电功能并向外界供冷、供热。

图1　试验设备总体布置图 Fig.1 General arrangement diagram of test bench

供气系统能够向透平发电机提供高压常温空气，其动力源为一台气流量范围在0~1 500 Nm3/h的空气压缩机。在供气管路上，布置有控制阀门(包括开关球阀、稳压阀调节阀及紧急切断阀)、流量计、温度传感器及压力传感器。供气系统分为驱动涡轮的主路气供气部分及轴承气供气部分。

控制系统能够对试验过程进行远程控制，远程操作主气路及轴承气路阀门开度，控制升速，并能实时记录供气系统的流量、压力、温度等参数。

数据采集及分析系统通过在压气机及涡轮端尾部布置电涡流位移传感器，能够实时监测、采集实验过程中产生的振动数据，并应用DASP振动分析软件，实时显示转子运行过程中的轴心轨迹、时域及频域波形图等。

2自动降速机理分析

本文的研究对象为高速透平发电机的自动降速故障，即在输入流量不减少的前提下，转子转速出现下降，并伴随周期性的上升、下降现象。由图1中试验台本体部分可以看出，轴承转子系统从左到右分别为压气机轮、磁盘、轴承、两个止推面、轴承、磁盘与透平轮，而图2为轴承转子系统在高速透平发电机设备中的布置图。

图2　轴承转子系统布置图 Fig.2 Arrangement diagram of bearing-rotor system

从涡轮端蜗壳输入的驱动气要经过导流盘驱动涡轮旋转，其中部分驱动气会沿涡轮与导流盘之间的间隙流入机身内部，并在其中形成压力分布，设涡轮入口外径为d1，导流盘内径为d2，引线出口直径为d3，则入口截面积为：

(1)

引线出口截面积为：

(2)

而其中：

d1=88.74 mm；

d2=89.23 mm；

d3=8.4 mm

将其代入截面积计算公式，可以得出：

S1=68.49 mm2；

S1=55.41 mm2

由计算结果可以看出，因为入口截面积大于出口截面面积，所以当由涡轮与导流盘之间的间隙流入机身内部的气体流量较小时，气流会从线圈引线出口全部流出。但是随着转速上升，主气路流量增加时，流入机身内部的气体流量也会持续增加，这样就会在机身内部形成压力分布，使得磁盘在轴向方向的受力不平衡。为了定性分析机身内部的压力分布，采用FLUENT模拟软件建立物理模型，采用SIMPLE算法和k-ε方程，对机身内部进行数值模拟。模型入口为速度入口边界条件，出口为压力出口边界条件其他为壁面边界条件。模拟结果如图3所示，颜色的深浅代表压力的大小，颜色由蓝到红，表示压力越来越大。

图3　机壳体内压力分布图 Fig.3 Inside pressure distribution chart of machine

选取4种工况条件，分别进行模拟，其模拟结果如表1所示。由表可以看出，随着主路驱动气输气量的增加，机身内部的压力分布也在发生变化，并且磁盘2正背面的压差越来越大，这代表着机身内部的气压对磁盘形成了一个整体向左的推力，由图5上看，即形成一个向右的轴向力，其中磁盘2靠近轴承的为背面。转子在运行过程中轴向受力情况如图5所示。

表1　数值模拟结果

图4　主气路流量与磁盘正背面压差关系曲线 Fig.4 Relation curve of the flow and pressure difference

由于压气机轮为直叶片，轴向力很小，可以忽略不计。所以转子系统受到的力有压气机端止推轴承对止推盘向右的轴向力F1、涡轮端止推轴承对止推盘向左的轴向力F2、气流对透平轮向左的轴向力F3以及机身内部由于压力分布产生的向右的轴向力F4。随着主气路输入流量的增加，转子转速上升，如果保持轴承供气压力不变，则F3与F4发生变化，并在4个力中占主导作用。4个力在轴承转子系统运行过程中的相对大小发生变化，导致转子发生轴向位移，当位移距离大于转子与轴承之间的轴向间隙时，就会发生轴向碰摩，碰摩消耗能量，如果输入能量不变，则会导致转速的自动下降。与此同时，由于此时涡轮端止推面与止推轴承接触，而压气机端止推面与止推轴承位于距离最大处，则此时F1最小，而F2达到最大，所以会将止推面推离，则转子退出碰磨，转速重新恢复上升。这即为高速透平发电机发生周期性自动升降速的机理。

3试验结果及分析

将两路轴承供气压力保持在0.6 MPa进行升速试验，图6为描述整个升速过程的时间-频率-幅值三维谱图，其中横坐标代表频率，纵坐标为升速时间，而颜色的的亮度代表振动幅值的大小，由蓝到黄，代表幅值有小到大。由图可以看出，当开度达到30%时，流量继续增大，最大达到261.52 Nm3/h，此时转速到达最高点，保持此流量不变，转速发生自动降速现象，图7为自动降速区域的局部放大图。

图6　升速过程时间-频率-幅值三维谱图 Fig.6 Three-dimensional spectra of acc process

由图7我们可以看出，转速从12 538 r/min开始，出现有规律的升降速现象，每次降速的最低转速都在10 429 r/min左右，但是降速后，再次升速的最高转速却逐渐降低，为12 538 r/min→11 308 r/min→10 898 r/min→10 781 r/min。

图7　自动升降速区域三维谱图放大图 Fig.7 Three-dimensional spectra enlarged drawing of automatic slow-down stage

图8~图11为转速从12 538 r/min降速到10 429 r/min再升到最高转速11 308 r/min的一个周期内的轴心轨迹及频谱结构。图8为转速在最高时刻12 538 r/min的轴心轨迹及频谱结构，可以看出此时频谱成分主要以工频为主，存在一幅值较明显的高频及若干幅值很小的分频频率。图9为发生轴向碰摩时刻的轴心轨迹及频谱结构，可以看出此时轴心轨迹混乱，频谱成分复杂，除工频外，还存在振幅较大的低频及高频，时域波形也有明显的削峰现象，且此时的转速急剧下降。图10为转子脱离碰摩，但是由于惯性继续降速至最低点，此时轴心轨迹及频谱结构恢复正常。随后转子再次开始升速，重复此过程。

图8　转速12 538 r/min对应轴心轨迹及频谱结构 Fig.8 Shaft orbit and spectrum structure map at 12 538 r/min

图9　转速12 089 r/min对应轴心轨迹及频谱结构 Fig.9 Shaft orbit and spectrum structure map at 12 089 r/min

图10　转速10 429 r/min对应轴心轨迹及频谱结构 Fig.10 Shaft orbit and spectrum structure map at 10 429 r/min

图11　转速11 308 r/min对应轴心轨迹及频谱结构 Fig.11 Shaft orbit and spectrum structure map at 11 308 r/min

图12为时间转速幅值曲线，上方曲线为时间-转速曲线，下方曲线为时间-幅值曲线。由曲线可以看出，每次转速降低的过程对应的是幅值升高的过程，这是由于转速从最高开始下降的过程，对应的为转子止推面向止推轴承移动并发生轴向碰摩的过程。

图12　自动降速阶段时间转速幅值曲线 Fig.12 Time-speed-amplitude curves of automatic slow-down stage

自动降速故障不仅危害轴承-转子系统的稳定性，危害设备的安全运行，而且转子与轴承的轴向碰摩也会导致并加速气体轴承的磨损，严重时会导致气体轴承的断裂、报废。所以在不改变机身结构的前提下，重新设计轴承，将止推面止推小孔距轴承中心的距离由21.1 mm降低到17.4 mm，如图13所示，即提高了止推轴承的止推效果，使得止推轴承对止推盘的力F1、F2远大于气流对透平轮向左的轴向力F3与机身内部由于压力分布产生的向右的轴向力F4，降低F3与F4对轴向力的影响，可以缓解甚至消除自动降速故障。

图13　两次试验轴承参数对比 Fig.13 The parameters comparison of two bearings

图14为更换轴承后的第2次试验的时间三维谱图，可以看出，第1次试验12 000 r/min左右出现的自动降速现象在本次试验中消失，提高了轴承-转子系统的稳定性。

图14　第2次试验升速时间频率幅值三维谱图 Fig.14 Three-dimensional spectra of the second test

4结论

通过对高速透平发电机在驱动气流量不减少的情况下发生的自动降速现象进行了理论分析及试验研究，得出如下结论：

(1)各轴向力之间的相对大小发生变化，导致转子发生轴向位移，当位移量大于转子与轴承之间的轴承间隙时，就会发生轴承碰摩，进而导致转速下降；

(2)轴向碰摩一般会伴随着转速突降、轴心轨迹突变以及频谱结构存在较宽工频频带等故障特征；

(3)通过监测转子轴向位移，改善轴承结构进而改善止推轴承止推性能、扩大线圈引线出口截面积等措施能够有效缓解甚至消除转子的轴向位移，进而消除自动降速现象的发生。

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