静压气体轴承<br/>——涡轮发电机轴系振动特性分析

静压气体轴承
——涡轮发电机轴系振动特性分析

2018-06-24唐长亮韩东江杨金福

设备管理与维修 2018年13期

唐长亮，韩东江，杨金福

（1.北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192；2.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190）

0 引言

涡轮发电机的研究起源于20世纪70年代的世界石油危机。美国首先提出了朗肯循环涡轮发电机，将朗肯循环系统、涡轮膨胀机以及发电机相结合，实现对低温热能的能量回收。经过近几十年的发展，法国Cryostar、韩国Turbo等国外涡轮机械公司已经开发出成熟商业化产品，广泛应用于电力、化工行业的尾气能量回收。由于涡轮工作转速远高于普通感应电机的工作转速，因此传统涡轮发电机一般使用减速器与发电机连接，轴系结构复杂、传动效率偏低、运转可靠性差，严重制约了其使用和发展。随着高速永磁电机技术的发展，先进涡轮发电机均采用透平与高速永磁电机同轴连接，为减小轴承损耗，采用气体悬浮轴承支承，有效克服了传统涡轮发电机的缺点，系统能效和可靠性大幅提高。

高速永磁电机从结构形式上分为径向磁场电机（常规柱式电机）和轴向磁场电机。目前，多数涡轮发电机均采用柱式电机，轴系跨距较大，降低了系统整体的功率密度以及轴系动力学的稳定性。盘式永磁电机为轴向磁场电机的发展，与常规柱式电机相比，具有功率密度大、转矩大、轴向长度小的突出优点，适合应用于对空间要求更为严格的涡轮发电轴系。

结合在研项目需求，提出一种新型涡轮发电机结构，在轴系上对称安装4个盘式永磁电机转子，采用气体静压轴承支承。气体润滑轴承分为静压、动压和动静压混合3种类型。作为润滑介质的气体黏度较低，轴承摩擦阻力和功耗很小，与滚珠轴承和油膜轴承相比，避免了复杂的油泵、滑油箱以及油雾污染。对于气体轴承支承的高速旋转轴系，非线性气膜力导致的气膜涡动、气膜振荡等轴系非线性动力学行为研究，是高速微型动力产品研发的关键技术瓶颈之一。Lund近似分析了动静压混合轴承产生的气膜涡动和气锤现象。供气压力对气体轴承的特性影响较大，G.Belforte和Florin Dimofte的研究发现，提高供气压力可以推迟甚至抑制低频涡动，提高轴承稳定运行的转速区间。Keun Ryu研究了供气压力与气膜刚度的关系，较大的供气压力可以提高气膜刚度，从而提高轴系的临界转速。郭俊试验研究了供气压力对低频涡动的影响，得出其研究结论。韩东江开展了低频振动特性试验研究，考虑气膜压力与弹性支承的耦合作用。

1 试验系统

图1 试验系统结构

试验系统结构如图1所示，主要由供气系统、控制系统、试验台本体以及数据采集分析系统组成。供气系统采用空气压缩机产生1 MPa，1000 m3/h的高压常温空气，经由主路和轴承气支路输送到试验台本体，分别驱动涡轮发电机和悬浮静压气体轴承。通过控制系统实现气路中各阀门开度控制，以调节主路空气和轴承气的流量和压力，进而调节透平发电机升速率和气体轴承的承载特性。为监测透平发电机的轴系振动，分别在压气机端、涡轮端的水平以及垂直方向布置电涡流位移传感器，并在压气机端加工键槽，监测其键相信号。

涡轮发电机轴系结构，如图2（a）。静压气体轴承结构示意，如图2（b）。透平发电机由2个带有止推面的静压气体轴承支承，分别由管路1和管路2供气，供气压力一般在（0.4～0.7）MPa。透平发电机两端对称布置2对盘式永磁电机，线圈绕组安置于2个盘式永磁转子之间，气隙约为0.7 mm；转轴采用凸台结构，材料为40Cr，转轴与透平、压气机以及盘式电机转子均采用键联结，轴系总长370 mm，跨距为 65 mm。

转子选用小孔节流式纯静压气体轴承支承。气体轴承外缘加工有环向槽用以安装O形橡胶圈，具有较好的阻尼减振和柔性支承的作用。轴承材料选用石墨合金，具有良好的自润滑和耐高温特性。气体轴承径向和轴向均设计有节流小孔，轴承内直径为25 mm，内径加工有2排节流小孔，分别沿着圆周方向均布16个，轴承侧面靠近外缘位置沿着圆周方向也均布了16个小孔，外界供气后可以产生径向和轴向止推气膜力。静压气体轴承结构，图 2（b）。

图2 （a）气体轴承透平发电轴系

图2 （b）静压气体轴承结构

2 试验结果及分析

图3 升降速时间三维谱图

试验过程中的时间三维谱图，如图3所示。升速过程中，当转速达到12 235 r/min时（阀门开度0.28），轴系出现转速飞升现象，即转速从12 235 r/min，在（1～2 s）突增到22 971 r/min（阀门开度为0.30）。为避免轴系进一步转速突增，将阀门开度重新调整为0.28，轴系转速由22 971 r/min降到22 812 r/min，进而平稳升速。如图4所示为飞升转速12 235 r/min对应的轴心轨迹，为多周期运动状态，可以推测涡轮做功主要转化为振动能量存储，然后突然释放转化为转动动能，使转速徒增。

图4 所轴心轨迹（12 235 r/min）

如图5所示为A区域的状态细节，可以看到当转速达到38 785 r/min时，轴系出现低频振动。在1～2区域的转速范围为（38 785～40 480）r/min，此时低频频率保持在 139.42 Hz。当转速达到40 480 r/min时，低频频率从139.42 Hz突变到144.23 Hz。2～3区域转速稳定在40 480 r/min，此区域低频保持为144.23 Hz，比1/4工频略低。

图5 A区域时间三维谱图

在图 5 中，3～4 区域的转速为（40 480～38 942）r/min，三维谱图上出现了较宽的频带，此种特征一般由轻微碰摩引起，转速也有一个下降，整个过程主气路保持流量输入不变，能量在各个频率之间不断地转化与分配。

4～5区域对应的转速范围为（38 942～37 907）r/min，此阶段低频频率保持在211.54 Hz，轴心轨迹显示为周期三状态。当转速降低到37 907 r/min时，主气路切断，转速降为0，整个1——2——3——4——5阶段其轴心轨迹变化为：拟周期——紊乱拟周期——紊乱碰摩混沌——周期三。

通过轴心轨迹和庞加莱截面，可以判断轴系运动状态为拟周期运动，轴心轨迹呈现椭圆状，图6。图7所示，当轴系转速达到40 472 r/min时，轴系轴心轨迹紊乱程度增加，庞加莱截面显示为封闭圆环，说明轴系仍然处于拟周期运动状态，但是振幅增大较多。

图6 轴心轨迹和庞加莱截面（39 598 r/min）

图7 轴心轨迹和庞加莱截面（40472 r/min）

见图8，当轴系转速达到41 882 r/min时，由于振幅持续增大，轴系发生了轻微碰摩，但是轴心轨迹还没有呈现出削峰现象，庞加莱截面显示为一些不规则的散点，可以认为轴系处于混沌运动状态。因为碰摩消耗了较多的转动动能，类似于刹车盘的作用，转速有较明显的降低，监测轴心轨迹为周期三运动状态，庞加莱截面为3个点。见图9。