于明濤，付忠廣，楊金福，邊技超，王正威（.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京006；.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京0090）

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高速渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)載特性試驗(yàn)

于明濤1，付忠廣1，楊金福2，邊技超1，王正威1
（1.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)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：以氣體軸承支撐的高速渦輪發(fā)電機(jī)為研究對象，研究電機(jī)電負(fù)載對軸系穩(wěn)定性影響，對比分析電機(jī)在不帶電負(fù)載和帶電負(fù)載兩種情況下軸系振動特性，借助時間三維譜圖、頻譜圖、軸心軌跡等詳細(xì)分析升速區(qū)域內(nèi)振動特性，并且對比分析以上兩種工況下能量輸出情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后不僅會使軸系振動加劇，而且會改變能量的輸出比例。

關(guān)鍵詞：振動與波；高速渦輪發(fā)電機(jī)；電負(fù)載；試驗(yàn)研究

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，人們越來越關(guān)注能源系統(tǒng)環(huán)境問題，高速渦輪發(fā)電機(jī)作為分布式供能系統(tǒng)重要組成部分，由于節(jié)能、環(huán)保、可增加用戶電力可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外已受到廣泛重視[1]。多年來軸承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性研究取得了一系列成果，電機(jī)帶電負(fù)載后軸系會受到電磁力和滑動軸承氣膜力的合力[2，3]，由于以氣體軸承支撐的高速渦輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速高和軸系振動呈現(xiàn)出高度的非線性，機(jī)組軸系受到輕微的外力激勵就會導(dǎo)致振動加劇，從而嚴(yán)重威脅機(jī)組的運(yùn)行安全[4，5]。

高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動問題是一個很關(guān)鍵的問題，關(guān)系到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能否穩(wěn)定安全的工作，因此受到研究人員的關(guān)注。國內(nèi)在高速渦輪轉(zhuǎn)子的靜態(tài)特性和振動仿真方面做的工作較多，而在渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動試驗(yàn)方面做的工作并不多，2004年，楊金福[6]提出了軸承與轉(zhuǎn)子的流固耦合調(diào)頻原理及工程穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則，從而奠定了團(tuán)隊(duì)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2008年，陳策對動靜壓混合氣體潤滑軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)行為進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，并且給出轉(zhuǎn)子由周期運(yùn)動進(jìn)入混沌的過程[7]。本文以高速渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計(jì)并搭建高速渦輪發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺，通過是否引入發(fā)電機(jī)電負(fù)載進(jìn)行對比升速試驗(yàn)，分析軸系在不同電負(fù)載情況下的升速特性響應(yīng)，研究發(fā)電機(jī)電負(fù)載對高速渦輪轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，并且通過對比兩次試驗(yàn)冷熱電的輸出情況得到電負(fù)載對能量輸出的影響。

1　試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括四部分，供氣系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，試驗(yàn)臺本體以及數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)可提供壓力范圍為0.3 MPa～1.0 MPa、流量范圍為0～1 500 Nm3/h的驅(qū)動氣源，供氣管路上布置壓力、溫度、流量傳感器以及主動控制閥門；控制系統(tǒng)可以控制軸承氣以及驅(qū)動渦輪機(jī)的流量，進(jìn)而控制軸承供氣壓力和轉(zhuǎn)子升速率；采集系統(tǒng)由電渦流位移傳感器和數(shù)據(jù)采集儀組成，用于測量和采集靠近軸承處轉(zhuǎn)子的振動位移以及鍵相信號[8]。試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖

試驗(yàn)對象為由氣體軸承支承的高速渦輪發(fā)電機(jī)，軸系兩端為渦輪和壓氣機(jī)，在高速旋轉(zhuǎn)的同時還能通過膨脹和壓縮空氣分別產(chǎn)生冷量和熱量，試驗(yàn)中所用的盤式電機(jī)由2個磁盤和1個線圈組成，磁盤固定在轉(zhuǎn)軸上為動子，線圈固定在缸體上為靜子，磁盤的磁感應(yīng)線運(yùn)動后切割線圈產(chǎn)生電流。試驗(yàn)過程中先布置好各個測點(diǎn)的振動及溫度探頭，再將軸承氣壓力調(diào)到0.7 Mpa，通過改變線圈與外接電負(fù)載的連接來控制發(fā)電機(jī)電負(fù)載對軸系的作用，試驗(yàn)方案如下：

（a）發(fā)電機(jī)不接電負(fù)載作為對照，進(jìn)行轉(zhuǎn)子升速實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為42000r/min。

（b）發(fā)電機(jī)接電負(fù)載，保證其他條件不變，進(jìn)行對比升速實(shí)驗(yàn)，負(fù)載隨轉(zhuǎn)速升高不斷增大，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為42000r/min。

在沒有帶電負(fù)載時機(jī)組軸系主要受到氣膜力和不平衡質(zhì)量的影響，增加電負(fù)載后線圈內(nèi)產(chǎn)生電流會使軸系溫度升高，可能會導(dǎo)致機(jī)組軸系發(fā)生熱彎曲增加不平衡質(zhì)量，另外當(dāng)N極和S極磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化時，根據(jù)電磁吸引力的計(jì)算公式為：F=B2A/2μ，電磁吸引力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比（A為做功面積，μ為磁導(dǎo)率），導(dǎo)致N、S極下的電磁力發(fā)生變化，使轉(zhuǎn)子發(fā)生磁不平衡的振動，軸系受到磁不平衡和熱不平衡的作用，會嚴(yán)重影響軸系的穩(wěn)定運(yùn)行[9，10]，因此在下面的試驗(yàn)中通過兩組對比試驗(yàn)，重點(diǎn)研究在臨界轉(zhuǎn)速處和氣膜振蕩區(qū)域內(nèi)的振動特性。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1臨界轉(zhuǎn)速對比分析

如圖2所示為軸系轉(zhuǎn)速幅值曲線，無電負(fù)載時臨界轉(zhuǎn)速為11 971 r/min，在臨界轉(zhuǎn)速處的振動幅值為11.1 μm，帶電負(fù)載后臨界轉(zhuǎn)速為11 697 r/min，振動幅值為26.3 μm，與無電負(fù)載時相比臨界轉(zhuǎn)速提前了300 r/min，臨界轉(zhuǎn)速處的振動幅值增大了15.2 μm，可見增加電負(fù)載后軸系在臨界轉(zhuǎn)速處的振幅急劇增大。臨界轉(zhuǎn)速ω=k/m，帶電負(fù)載后軸系會受到不平衡磁拉力的影響，使軸系受到的不平衡質(zhì)量力m增大，根據(jù)公式臨界轉(zhuǎn)速ω會相應(yīng)的減小，因此與不帶電負(fù)載時相比臨界轉(zhuǎn)速提前了300r/min。

圖2　轉(zhuǎn)速幅值曲線

2.2低頻特性對比分析

圖3為無負(fù)載時的時間三維譜圖，橫坐標(biāo)代表頻率，縱坐標(biāo)代表時間，譜圖的亮度代表振幅的大小，顏色越亮幅值越大。

圖3　無電負(fù)載時的三維譜圖

譜圖中出現(xiàn)兩條曲線，一條為工頻曲線，從工頻曲線中可以看出，整個升速過程平穩(wěn)，最高轉(zhuǎn)速為43 200 r/min。圖中另外一條曲線為低頻曲線，在轉(zhuǎn)速為38 700 r/min時出現(xiàn)，一直持續(xù)到最高轉(zhuǎn)速，低頻的頻率為153 Hz，鎖定在固有頻率150 Hz至200 Hz區(qū)間不再變化。

圖4為帶電負(fù)載時的時間三維譜圖，從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速39 300 r/min時，開始出現(xiàn)了一段不連續(xù)的低頻，斷斷續(xù)續(xù)，低頻頻率維持在152 Hz至155 Hz之間。分析此處低頻出現(xiàn)間斷的原因：帶電負(fù)載后軸系不僅受到不平衡質(zhì)量力和氣膜力的作用，而且還受到電磁力的作用，多個力在一起的耦合作用導(dǎo)致了不連續(xù)低頻的出現(xiàn)。從圖中可以看出隨著轉(zhuǎn)速升高低頻頻率會略有增大，這是由于氣浮轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下具有動壓效果，轉(zhuǎn)速越高氣膜剛度越大，使得固有頻率增高。

圖4　帶電負(fù)載時的三維譜圖

圖5　無電負(fù)載時低頻區(qū)域頻譜圖與軸心軌跡圖

圖5為無電負(fù)載時氣膜振蕩的典型軸心軌跡和頻譜圖，由圖形可以看出，不帶電負(fù)載時隨著轉(zhuǎn)速升高渦輪端的軸心軌跡圖形始終處于周期一運(yùn)行狀態(tài)，整個過程并沒有出現(xiàn)多周期運(yùn)行現(xiàn)象，也就是說在此期間分頻能量不足以影響到工頻。在轉(zhuǎn)速達(dá)到38 700 r/min之后出現(xiàn)了一個低頻，其頻率維持在148 Hz～157 Hz之間，低頻的幅值隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸變大，在轉(zhuǎn)速43104r/min時低頻振幅為6.31μm。

圖6為帶電負(fù)載時氣膜振蕩的軸心軌跡和頻譜圖，由下面的圖形可以看出，在轉(zhuǎn)速為42 000 r/min之前軸心軌跡仍然呈現(xiàn)出周期一運(yùn)行狀態(tài)，只是到43 000 r/min時軸心軌跡在水平方向出現(xiàn)了‘竄動’，分析其原因：可能是由于增加電磁力后影響了水平方向上的平衡狀態(tài)，造成軸系在水平方向移動。從頻譜圖上可以看出在轉(zhuǎn)速達(dá)到39 300 r/min之后出現(xiàn)了一個低頻，其頻率維持在148 Hz～157 Hz之間，低頻的幅值隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸變大，在轉(zhuǎn)速為43104r/min時低頻振幅為10.13μm。與帶電負(fù)載前相比，帶電負(fù)載后低頻出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速向后推遲了600 r/ min，低頻幅值增大了3.82μm。

圖6　帶電負(fù)載時低頻區(qū)域頻譜圖與軸心軌跡圖

圖7　帶電負(fù)載時分叉圖

圖7是帶電負(fù)載時的分岔圖，分岔圖是將計(jì)算各轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子振動的Poincarè截面圖按轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)排列起來得到的圖形。當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)只受到不平衡質(zhì)量力作用下處于周期一狀態(tài)時，Poincarè截面圖中僅會出現(xiàn)一個截點(diǎn)，對應(yīng)到分岔圖當(dāng)中表現(xiàn)為分岔圖形呈現(xiàn)線狀；而當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到不平衡質(zhì)量力、氣膜力、電磁力等多個力作用下，呈現(xiàn)非線性振動時，Poincarè截面圖將會發(fā)生變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于混沌狀態(tài)時，其Poincarè截面圖呈現(xiàn)分散堆積的散點(diǎn)云圖，對應(yīng)在分岔圖形則必然呈現(xiàn)云狀。

從圖8的低頻區(qū)域工頻振幅曲線可以看出，在轉(zhuǎn)速達(dá)到41 000 r/min之前，相同轉(zhuǎn)速下帶電負(fù)載后的工頻振幅比帶電負(fù)載前的工頻振幅大5 μm，之后隨著轉(zhuǎn)速升高，在42 000 r/min附近帶電負(fù)載時低頻振幅突然增加，從而導(dǎo)致了工頻振幅的突然增大，此時兩次試驗(yàn)工頻幅值的差值為7μm。

2.3能量輸出對比分析

第一次試驗(yàn)中沒有帶電負(fù)載，設(shè)備通過壓縮和膨脹空氣產(chǎn)生熱量和冷量，在轉(zhuǎn)速為43000r/min時制熱溫度為54.3℃，制冷溫度為-20.8℃。將環(huán)境溫度設(shè)定為25℃，功率計(jì)算公式為p=cΔt，如圖9所示，可以計(jì)算出輸出功率隨著輸入能量增加的變化曲線。

隨著輸入功率的增加，輸出的制冷功率呈線性增加，由于開始階段從壓氣機(jī)輸出空氣溫度小于設(shè)定的環(huán)境溫度，因此一直到轉(zhuǎn)速為2.3 kW之后才有制熱功率輸出，隨著輸入功率的增大輸出的制熱功率也逐漸增大。

從輸出功率比例曲線可以看出，輸出的制冷功率占了很大比例，這是由于渦輪端的出口空氣溫度非常低，與環(huán)境溫度之間的溫差很大，因此計(jì)算出來的制冷功率占很大比例。在轉(zhuǎn)速為42 000 r/min時，輸出制冷功率占輸出總功率的87 %，輸出制熱功率占輸出總功率的13%。

圖8　低頻區(qū)域內(nèi)的工頻振幅

圖9　無電負(fù)載時輸出冷熱能量曲線

圖10　帶電負(fù)載時輸出冷熱電能量曲線

第二次試驗(yàn)中電機(jī)帶電負(fù)載，設(shè)備能同時輸出冷、熱、電三種形式的能量，在轉(zhuǎn)速為43 000 r/min時制熱溫度為34.8℃，制冷溫度為-13.8℃。圖10為這三種能量的功率隨輸入能量的變化曲線，輸出的制冷功率與輸入功率呈線性關(guān)系；在主氣路功率為4.5 kW之后才有輸出的制熱功率，制熱功率隨著輸入功率逐漸增大；電功率也隨著輸入功率的增加呈線性增長。從輸出功率比例曲線可以看出，在剛開始階段制熱功率為0，所以發(fā)電功率所占比例較大，制熱功率開始出現(xiàn)后發(fā)電功率逐漸減小，而制冷功率隨著轉(zhuǎn)速增加基本維持在一個定值。在轉(zhuǎn)速42 000 r/min時制冷比例為84 %，制熱比例為6 %，發(fā)電比例為10 %，與無電負(fù)載時相比較制冷比例減少了3%，制熱功率減少了7%。

圖11為兩次試驗(yàn)的對比曲線，可以看出隨著主路流量的增加無電負(fù)載時轉(zhuǎn)速要比帶電負(fù)載時大，而且無電負(fù)載時輸出總功率（制冷功率與制熱功率之和）也要大于帶電負(fù)載時的總功率（制冷功率、制熱功率與發(fā)電功率之和），這是因?yàn)樵谳敵瞿芰恐兄评淞空己艽蟊壤?，而制冷量大小又與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，因此在相同流量下無電負(fù)載時輸出總功率要大于帶電負(fù)載時輸出總功率。

3　結(jié)語

搭建了氣體軸承支撐的高速渦輪發(fā)電機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺，通過三維譜圖、軸心軌跡、頻譜圖對帶電負(fù)載前后軸系振動特性和輸出能量進(jìn)行分析，從分析中可以得到以下結(jié)論：

（1）帶電負(fù)載后臨界轉(zhuǎn)速提前了300 r/min，而且在臨界轉(zhuǎn)速處振動幅值增大15.2μm。

（2）帶電負(fù)載后氣膜振蕩開始的轉(zhuǎn)速向后推遲600 r/min，而且氣膜振蕩區(qū)域內(nèi)工頻振幅比帶電負(fù)載前工頻振幅大7μm。

（3）在相同的主氣路流量下，帶電負(fù)載后輸出總功率要小于帶電負(fù)載前輸出總功率。

圖11　兩次實(shí)驗(yàn)冷熱對比曲線

參考文獻(xiàn)：

[1]丁千.轉(zhuǎn)子碰磨運(yùn)動的非穩(wěn)態(tài)分析［J].航空動力學(xué)報(bào)，2000，15(2):191-195.

[2]張國淵，黃海舟，周淼.油膜力和電磁力作用下發(fā)電機(jī)組非線性動力學(xué)模型及穩(wěn)定性研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(15)：712-718.

[3]趙廣，于賀春，馬文琦，等.轉(zhuǎn)子-氣體軸承-彈性支承系統(tǒng)研究綜述[J].潤滑與密封，2010，(11)：115-122.

[4]馬文琦，于賀春，孫昂.氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].潤滑與密封，2010，(6)：121-125.

[5]陳勇，趙黛青.中國能源可持續(xù)發(fā)展若干重大問題研究[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[6]楊金福，劉占生，于達(dá)仁，等.滑動軸承非線性動態(tài)油膜力及穩(wěn)定性的研究[J].動力工程，2004，24(4)：501-504.

[7]陳策.軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)行為及其耦合調(diào)頻技術(shù)研究[D].北京：中國科學(xué)院工程熱物理研究所，2008.

[8]韓東江，楊金福.氣浮軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性實(shí)驗(yàn)研究[J].振動工程學(xué)報(bào)，2012，25(6)：680-685.

[9] Park J K, Kim K W. Stability analyses and experiments of spindlesystem using new typeof slotrestricted gasjournal bearings[J]. Tribology International, 2004, 37(6):451-462.

[10]郭力，胡斌，李柏巖，等.燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速振動故障的診斷[J].廣東電力，2010，23(4)：81-85.

[11]付忠廣，邊技超，楊金福，等.高速氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速飛升故障的試驗(yàn)[J].噪聲與振動控制，2015，35(4)：124-128.

[12]邊技超，付忠廣，楊金福，等.高速透平發(fā)電機(jī)軸向碰摩故障的試驗(yàn)[J].噪聲與振動控制，2015，35（3）：149-152.

Load Characteristic Test of a High Speed Turbine Generator

YU Ming-tao1, FU Zhong-guang1, YANG Jin-fu2, BIAN Ji-chao1, WANG Zheng-wei1
（1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North ChinaElectric Power University, Beijing 102206, China; 2. Instituteof Engineering Thermo Physics, ChineseAcademy of Sciences, Beijing 100190, China)

Abstract:With the high speed turbine generator supported by gas bearing as an object, the influence of electromagnetic forces on themotor shaft stability was studied. Thevibration characteristics of themotor shaft system with and without power load were compared and analyzed. With help of three-dimensional spectrum, frequency spectrum and centroid orbit, the vibration characteristics of the shaft in the acceleration range were analyzed in detail. The experimental resultsshow that thegenerator loadcanaffect thestability of thewholesystemandchangetheoutput ratioof energy.

Key words:vibrationandwave; highspeedturbogenerator; power load; experimental study

通訊作者：付忠廣，男，博士生導(dǎo)師。E-mail:fzg@ncepu.edu.cn

作者簡介：于明濤（1988-），男，河南省平頂山市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉蔷€性動力學(xué)。

基金項(xiàng)目：“分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)”資助項(xiàng)目（2012BAA11B02）

收稿日期：2015-08-14

文章編號：1006-1355(2016)02-0199-06

中圖分類號：TH113

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.044