165kW鼓风机改型电磁轴承后转子动力学分析与试验∗

杜国伟 王有志 杨国军 时振刚 赵 雷

（清华大学核能与新能源技术研究院，先进核能技术协同创新中心，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室）

165kW鼓风机改型电磁轴承后转子动力学分析与试验∗

杜国伟 王有志 杨国军 时振刚 赵 雷

（清华大学核能与新能源技术研究院，先进核能技术协同创新中心，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室）

10MW高温气冷堆是利用氦气循环载出核热能推动发电机组发电的新型反应堆，堆内主氦风机是高温气冷堆一回路系统的关键设备之一。主氦风机原有的支承形式为油润滑机械支承方案，为了保证轴承的长期安全运行，油润滑的机械滚珠轴承系统非常复杂，长时间运行会对氦气纯度形成威胁。电磁悬浮轴承有无需润滑、无摩擦、高转速等优点，可以用来替代机械支承以解决主氦风机支承的关键问题。但是与机械滚珠轴承相比，电磁悬浮轴承的体积较大，承载力小，在保证风机接口不变的前提下，其能否满足主氦风机的运转要求，尚需要进行验证。文章通过采用ABAQUS和SAMCEF软件建模，充分利用了转子模态频率随轴承刚度的变化规律，研究了165kW鼓风机转子在机械滚珠轴承和电磁轴承支承环境下的运转模态，最终通过电磁轴承运行实验，验证了数值计算的准确性，并证明了在驱动电机、叶轮、冷却风扇等其它结构暂不更换的前提下，使用电磁轴承替代机械滚珠轴承可以满足主氦风机的运转要求。

氦气鼓风机；电磁轴承；高温气冷反应堆；转子动力学；SAMCEF ROTOR

0 引言

10MW高温氦气核反应实验堆，简称HTR－10MW，是利用氦气循环载出核热能推动发电机组发电的新型反应堆。堆内主氦风机是高温气冷堆一回路系统的关键设备之一。自1995年起，清华大学核研院和上海鼓风机厂联合攻关，攻克了氦气环境下的电机技术、氦气介质下的风机叶轮叶型设计等技术难题，研制出我国第一台反应堆用机械滚珠轴承支承的主氦风机[1，2]，并成功用于核研院承担的国家863计划的重点项目“10兆瓦高温气冷实验堆”。

随着我国核能发展战略需要，以及大型化、商用化的需要，对应用于高温气冷核电站的主氦风机的支承技术提出了更高要求。目前，世界上已经建造的高温气冷堆主氦风机均采用油润滑轴承设计方案，为保证轴承的长期安全运行，系统中配备了润滑循环，密封、冷却水循环系统，同时，为了防止油蒸汽对一回路冷却氦气的污染，反应堆中需要设置非常复杂的油压力平衡和油蒸汽收集系统。这种方案虽然可以满足实验要求，但在长期运行过程中对氦气环境的纯净度构成了潜在威胁。

针对大型化商用反应堆的主氦风机功率及转速的提高也将使传统轴承材料性能面临严峻考验。基于这种特殊运行介质以及封闭压力壳内难以接近的苛刻的环境要求，电磁轴承有其独特优势，在该领域得到越来越多的关注。相对于传统的油润滑轴承，电磁轴承具有无需润滑、无摩擦、高转速、无污染等特点，能够解决其中的关键问题。

目前，法国、美国、瑞士等少数国家在电磁轴承技术应用发展速度较快，已经具有大量的成功案例，将电磁轴承应用于不同环境的涡轮机械[3-5]，但是，目前尚未有反应堆领域的应用先例。

为验证氦气环境中电磁轴承的运行特性，从2006年开始，M.Andrew Rossouw和 G.G.Jacobe先后在PBMR（Pebble Bed Modular Reactor）的氦气实验系统中，开展多次的考核验证实验[4-5],证明了电磁轴承系统虽然在支承刚度、转速等性能指标能够满足实际需要，但是在如何适应反应堆结构、如何设计转子性能及可靠性等方面，仍然需要大量的研究及实验验证工作。

基于自身需求的紧迫性与国际上该领域的发展现状，清华大学核研院在HTR－10MW主氦风机成功研制和运行的基础上，于2004年开始研制电磁轴承主氦风机，开展了一系列的设计、验证实验工作，尝试在氦气风机中使用电磁轴承技术替代原有的机械滚珠轴承。但是电磁轴承的体积较大，承载力较小，需要运用转子模态随刚度的变化规律来确保电磁轴承支撑的可行性。

1 主氦风机及转子模型介绍

主氦风机对磁轴承结构的要求是在保持支承功能不变的前提下，适当改型以适应电磁轴承，但是需要电磁轴承尽量结构紧凑，体积质量小，结构上与风机一同置于压力壳内部，电气控制柜置于壳外的控制室内部，中间通过电气贯穿件及电缆连接。改型设计后的主氦风机机械结构如图1所示，主要部件包括，叶轮、驱动电机、电磁轴承、辅助轴承，隔热层，顶端冷却叶轮，以及安装在压力壳外的电磁轴承控制器及电机驱动变频器。

图1 电磁轴承——氦气鼓风机Fig.1 Helium blower——AMB

表1 氦风机参数表Tab.1 Helium blower parameters

用于支承氦气鼓风机的电磁轴承的主要功能要求是支承一个总质量550kg立式转子在氦气环境内无油稳定运行，并能够承受各种干扰。更重要的是能够真正免维护。虽然，工业界已经有许多如压缩机、膨胀机的磁轴承应用实例，但是，氦风机的轴承仍然是一个全新而不同常规的设计，需要将磁轴承内部的多个部件集成设计在一个相对紧凑的空间内。而按照功能划分，鼓风机中转子结构组成部件包括：

1）主叶轮，用于产生足够的气动压力与流量；

2）冷却叶轮，用于冷却电机与轴承，保证轴承处于正常温度范围；

3）165kW变频电机转子；

4）轴承转子部件，需要占用一定的轴向空间；

5）隔离叶轮腔室的迷宫密封轴径。

设计的难点是在满足这些部件功能要求的条件下，需要尽量减少转子体积质量，得到一个适宜控制的转子动力学特征，避免转子共振区落入工作转速范围内。原风机设计为单级离心式叶轮、冷却叶轮及驱动电机的一体化转子，由机械滚珠轴承支承，见图2（a）。为简化转子结构，提高可靠性，将机械滚珠轴承支承更换为电磁轴承支承，但是，因电磁轴承目前还不是一种成熟产品，无法直接选型更换，需要风机与磁轴承结构设计人员的双方面技术协调、综合优化。其中很关键的一个问题如果改型选择电磁轴承，改进后的电磁轴承见图2（b），由于电磁轴承体积较大，会导致电磁轴承转子比机械滚珠轴承转子加长300mm，导致转子刚度降低，而且电磁轴承刚度为105～107N/m量级，相比于机械滚珠轴承的108～109N/m量级，刚度大大减小。一般而言刚度降低会导致转子的模态频率变小，进而减少隔离裕度，因此对于更换电磁轴承后转子的安全裕度需要重新进行验证。

图2 改造前后转子结构图Fig.2 Rotor structure before and after retrofitted

2 数值计算

2.1 一阶弯曲模态对比

为了验证转子的安全裕度首先采用ABAQUS软件分别计算了机械滚珠轴承转子和电磁轴承转子的一阶弯曲模态。模型为一体化模型，材料参数如下：

材料密度ρ=7 800kg/m3

弹性模量E=2×1011Pa

泊松系数μ=0.3

机械滚珠轴承转子的支撑刚度为1×109N/m，电磁轴承转子的支撑刚度为1×106N/m，支撑以弹簧形式施加在模型对应轴承处，转子的一阶弯曲模态振型见图3。图3中机械滚珠轴承转子的一阶弯曲模态频率为110Hz，距离最高转速5 100r/min（85Hz）的隔离裕度为29.4%；电磁轴承转子的一阶弯曲模态为128Hz，距离最高转速5 100r/min（85Hz）的隔离裕度为50.5%。电磁轴承在转子变长，轴承刚度变小，而两端质量基本不变的情况下，其一阶弯曲频率不减反增。

图3 两种转子一阶弯曲模态振型图Fig.3 The bending modal shapes of two rotors

2.2 电磁轴承前四阶模态随轴承刚度的变化关系

为了解释2.1节中一阶弯曲频率不减反增的原因，通过SAMCEF软件进行有限元建模，绘制了电磁轴承转子前四阶模态随着电磁轴承支承刚度的变化曲线。

2.2.1 模型简化

转子上有电机和电磁轴承转子部分的结构，其材料的构成相对复杂。在建模和模型简化上，有限元计算不可能完全考虑到每一个细节，因此在计算中对结构和材料进行了一定程度的简化。模型的简化如下4点：

1）将所有的紧固装配视为黏连，即将所有旋转部件考虑为一个无装配的整体钢转子，采用梁模型进行模拟，并且统一材料参数与2.1节相同；

2）忽略电机转子中电机部分的绕线和风机叶片的细节，将电机转子和风扇都视为等质量、等转动惯量的集中质量施加到转子梁模型上，质量、转动惯量和质心位置见表2；

表2 简化转子模型集中质量参数Tab.2 Lumped mass parameters of simplified rotor model

3）忽略电磁轴承转子部分对轴的模态频率的影响；4）忽略转子的不平衡质量，认为转子完全轴对称。忽略其他不必要的细节部分，如结构中的倒角、螺栓等；通过对转子的一系列简化，简化后的转子系统由如下四部分组成（见图4）：

1）顶部冷却风扇叶轮

2）黏连了大部分旋转部件轴承转子

3）165kW电机转子

4）主氦风机主叶轮

将转子的两组径向电磁轴承简化为弹簧单元，连接到轴心节点上，见图4。上支承位置A距顶端342mm处，下支承位置B距顶端1 217mm处，在约束条件上对整个转子施加沿轴向Y的平动位移约束和沿RY方向的旋转位移约束，转子的其他4个自由度X，Z，RX，RZ，则通过上轴承弹簧A和下轴承弹簧B对X和Z方向的弹簧刚度来进行约束，用XZ方向的弹簧刚度来模拟电磁轴承的径向刚度。弹簧径向刚度由1×106N/m变化到1×109N/m，计算在该区间内，转子模态的变化，计算结果见图5。

图5 电磁轴承转子随支撑刚度变化图Fig.5 AMB rotor modes with different stiffness

2.2.2 计算结果及分析

图5（b）为转子前四阶模态随支承刚度的变化关系。图5（a）为刚度K=1×106N/m时的模态振型，图5（c）为刚度K=1×109N/m时的模态振型。从图中可以看出，支承刚度的不同，模态振型不同。因为电磁轴承刚度比较小，因此风机转子模态进入图5（a）区域；而机械滚珠轴承刚度比较大，因此风机转子模态进入图5（c）区域。因此在将轴承由机械滚珠轴承替换为电磁轴承之后，得到的结果是电磁轴承转子的第一阶弯曲振型（图5mode3）固有频率反而高于图5（c）的刚性支承下的第一阶弯曲振型（图5mode1）固有频率，从而有利于增加隔离裕度。综上所述，使用电磁轴承替代机械滚珠轴承之后，尽管轴承刚度下降，转子变长，但是转子的一阶弯曲频率不降反增，安全裕度增大。因此使用电磁轴承替代机械滚珠轴承是合理可行的。

2.3 考虑陀螺效应的转子安全裕度

在进一步确定电磁轴承刚度时，为抵抗流体动力、电机磁偏拉力、转子不平衡等，电磁轴承刚度在1×106N/m～1×107N/m量级范围内应该尽量高。但是观察图5可以发现，过高的刚度会压缩主氦风机的有效工作区间。为了保证刚度，并且给主氦风机提供足够的运转空间。因此，折中确定电磁轴承的支承刚度为5×106N/m。

当转子运转起来之后，需要考虑转子的陀螺效应，而转子的正进动会降低转子刚度，从而降低转子临界频率，降低安全裕度。因此需要校核在考虑陀螺效应的状况下转子的模态频率能否满足转速要求，因此在考虑了转子的陀螺效应之后，画出了转子在轴承刚度为5×106N/m时的坎贝尔图，见图6。在图中绘制一条X＝Y的直线（虚线），可以确定转子运转时的临界频率。由此确定出来的一阶弯曲临界频率约为112Hz，即6 720r/min，安全裕度超过30%。

图6 轴承刚度为5×106N/m时转子的坎贝尔图Fig.6 Campbell figure with5×106N/mstiffness

3 试验验证

为了验证磁轴承转子的运转稳定性，需要在风机入堆之前进行可行性验证试验，图7所示的是真实的主氦风机电磁轴承组件。图8所示的是按照转子的真实运行状况要求，在250℃气体环境内持续运行100小时，图9是氦风机转子在运行过程中的升速曲线。

图7 主氦风机电磁轴承组件图Fig.7 Heliumal blower electromagnetic bearing assembly

图8 闭式回路上的氦气风机运转试验图Fig.8 Operational experiment of helium bloweral

图9中是5个轴承坐标处的测振点位移，在转子从0Hz升速到转子的额定转速85Hz的区间内，共振区域最高幅度小于70μm，稳态振动幅度的最高幅度不超过50μm，满足了实际使用要求。另外转子在加速过程中，在25Hz附近处出现了共振区，并且从40Hz一直到85Hz都没有再出现共振，该结果与图6中转子数值模拟计算中得到的平动模态频率吻合的非常好，证明了2.3节中数值计算的准确性。另外在风机100h的整体运行过程中风机和电磁轴承运行稳定，证明了风机由机械滚珠轴承改为电磁轴承的可行性。

图9 主氦风机转子运行升降速曲线图Fig.9 Operation speed curve of helium blower rotor

4 结论

中型涡轮机械转子在驱动电机、叶轮结构不变的条件下，支承改型选择电磁轴承方案是完全可行的，主要体现在：

1）将机械轴承转换为电磁轴承之后，转子虽然加长300mm，但是轴承刚度降低3个量级，导致转子出现两个平动自由度，因此第三阶模态才是一阶弯曲模态，一阶弯曲模态频率反而从110Hz增加到128Hz，安全裕度由30%增加到50%，有利于控制系统设计。

2）为抵抗流体动力、电机磁偏拉力、转子不平衡等载荷，并保证风机有足够的运转空间，将电磁轴承刚度选择为5×106N/m，在此基础上，考虑转子陀螺效应之后，转子的一阶弯曲临界频率为112Hz，即6 720r/min，安全裕度超过30%。

3）通过氦风机运转实验，证明电磁轴承完全可以承受气动力、电机电磁偏拉力、转子不平衡等载荷并保证电机的稳定运行。在转子升速过程中，转子运行稳定，没有出现一阶弯曲频率共振峰，验证了数值模拟的准确性。

[1]清华大学核能技术设计研究院，HTR-10—循环风机配套电动机HTR355－2技术条件，2004.

[2]王捷，周惠忠.HTR-10一回路流道气动特性和主氦风机运行参数的研究[J].高技术通讯，2003,13(3):90-97.

[3]Norman Grum & Brian Green,ActiveMagneticBearing requirements for Turbomachinery,The institution of Electrical Engineers.Printed and published by the IEE,Savoy Place,London WC2R OBL,UK.1997.

[4]M.Andrew Rossouw.Development of a Blower for the PBMR Environment-Reliable,Versatile and“Maintenance-free”[c]. Proceedings of the 3rd International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology,HTR2006,2006,Johannesburg, South Africa.

[5]G.G.Jacobs,G.J.F.Hammann.Submerged Helium Blower Experience with Specific Reference to the Electro Magnetic Bearing Behaviour on the Pbmr Helium TestFacility[c]. Proceedings of the 4th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology.HTR2008 1,2008,Washington, DC USA.

[6]A.B.M.Nijhuis,J.Schmied,R.R.Schultz,Rotordynamic Design Considerations for a 23 MW Compressor with Magnetic Bearings, Delaval Stork V.o.f.,The Netherlands.

[7]Habermann,H.and Brunet,M.The active magnetic bearing enables optimum control of machine vibrations[C].ASME Paper 85-GT-221,1985.

[8]API-617/6 Centrifugal Compressors for General Refinery service (1995).

[9]ISO14839-1 Mechanical vibration-Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings-Part 1:Vocabulary.

[10]ISO14839-2 Mechanical vibration-Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings-Part 2:Evaluation of vibration.

[11]ISO14839-3 Mechanical vibration-Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings-Part 3:Evaluation of stability margin.

[12]JB/T 6443-1992离心压缩机[S].中华人民共和国机械行业标准，1992.

Rotor Dynamics Research of a 165kW Helium Blower with AMBs

Guo-wei DuYou-zhi WangGuo-jun YangZhen-gang ShiLei Zhao
(Institute of Nuclear and New Energy Technology,Collaborative Innovation Center of Advanced Nuclear Energy Technology,Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of Ministry of Education,Tsinghua University)

The 10MW high temperature gas cooled reactor is a new type of reactor that uses helium to carry nuclear energy out from the power generation.The main helium blower in the reactor is one of the key components in the primary system loop of the high temperature gas cooled reactor.At present,the main helium blower is supported by an oil lubricated bearing in order to ensure a long-term safe operation of the bearing.The oil lubrication system for mechanical bearings,however,is complicated and a long time operation will pose a threat to the purity of the helium.AMB has the advantages of lubrication, frictionless free,high speed and so on.The key problem of electromagnetic bearings is larger in size and less in bearing capacity such that further studies are required to investigate,whether electromagnetic bearings are able to meet themechanical requirements for the main helium blower.It is necessary to verify whether it can satisfy the operation requirements of the main helium blower under the blower interface remains unchanged.By using ABAQUS and SAMCEF software modeling, make full use of the rotor modal frequency changes with the bearing stiffness,operation mode of 165kW rotor blower in mechanical ball bearing and AMB environment.By experiment the electromagnetic bearing and the numerical calculation accuracy is verified,meanwhile the driven motor,impeller,cooling fan and other components are not changed.Electromagnetic bearings meet the operating requirements to replace mechanical bearings for the main heliumblower.

helium blower,AMBs,HTR(High Temperature Reactor),rotor dynamic,SAMCEF rotor

TH442；TK05

1006-8155-(2017)04-0039-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.04.0007

国家科技重大专项资助项目（ZX 06901）

2017-06-21 北京 100084