高速透平發電機軸向碰摩故障的試驗

邊技超，付忠廣，楊金福，于明濤，王正威

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.中國科學院 工程熱物理研究所，北京 100190）

高速透平發電機軸向碰摩故障的試驗

邊技超1，付忠廣1，楊金福2，于明濤1，王正威1

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.中國科學院 工程熱物理研究所，北京 100190）

采用氣體靜壓徑向—止推聯合軸承支承的雙止推面、四磁盤結構軸承—轉子系統對高速透平發電機出現的軸向碰摩故障展開試驗研究。分析時間三維譜圖、頻譜結構、軸心軌跡等給出了由于軸向力變化導致的軸向碰摩的典型特征，并分析軸向碰摩產生的機理、發展過程及解決措施。試驗結果表明，由于軸向力變化導致的軸向碰摩一般伴隨著轉速突降、軸心軌跡突變及頻譜結構存在較寬工頻頻帶等故障特征。試驗結果能夠為軸向碰摩故障的在線監測、模式識別及故障診斷提供參考。

振動與波；機械學；透平發電機；軸向碰摩；故障診斷

分布式供能系統能夠以小規模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近[1]，可應用于學校、醫院、邊防哨所、海島、坦克環控等領域。其中的關鍵技術之一即為微小型動力技術[2]。高速透平發電機作為分布式供能系統的核心機，在發電的同時，能夠為用戶供熱和提供冷量，應用前景廣闊，而其關鍵技術之一就是高速氣體軸承—轉子系統的穩定性研究。

軸承—轉子系統的碰磨故障屬于旋轉機械非線性振動故障之一，碰磨時的轉速越高，導致的后果會越嚴重，甚至會導致設備的徹底報廢[3]。碰磨主要分為徑向碰磨和軸向碰磨[4]。針對軸向碰摩，大量學者進行了深入研究。丁千[5]針對盤與靜子在不同位置發生軸向接觸的模型進行了數值模擬，發現軸頸位置、軌跡大小變化與軸向摩擦位置、程度和轉速都有關系，因此表現為振動不穩定。安學利等人[6]推導了碰摩轉子在軸向推力作用下的非線性動力學方程，并進行仿真分析，得出了在發生軸向碰摩的情況下轉子的運動規律及頻譜特征。陳虹微[7]建立了碰摩振動模型，并通過實驗驗證，對離心壓縮機運行中的碰摩故障進行了研究，并分析了其影響因素及改進方法。單穎春等人[8]針對渦輪增壓器出現的轉靜子碰磨故障進行了大量實驗研究，獲得了其振動規律，并找出了發生碰磨故障的主要原因。

本文針對高速透平發電機采用的氣體靜壓徑向—止推聯合軸承支承的雙止推面、四磁盤結構軸承—轉子系統出現的軸向碰摩故障展開試驗研究，從時間三維譜圖、頻譜結構、軸心軌跡等給出了由于軸向力變化導致的軸向碰摩的典型特征，并分析了軸向碰摩的產生機理、發展過程及解決措施，能夠為軸向碰摩故障的在線監測、模式識別及故障診斷提供試驗依據。

1 高速透平發電機試驗臺及測試系統

高速透平發電機試驗臺布置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗臺總體布置圖

試驗臺本體即為高速透平發電機，其結構為壓氣機輪與透平輪同軸、單跨、四磁盤結構，并通過在磁盤之間安放盤式線圈來實現發電功能。試驗臺系統的動力源為空氣壓縮機提供的常溫、高壓空氣，其能夠提供軸承支路用氣及主路透平輪驅動氣。控制系統能夠對試驗過程進行總體遠程控制，可遠程調節軸承氣供氣壓力及驅動氣流量，并自動保存主氣路及各支氣路實時產生的溫度、壓力、流量等參數。數據采集及分析系統應用DASP數據振動采集及分析軟件，能夠對試驗過程中產生的振動數據進行實時監測并提供實驗數據的分析平臺。

通過在渦輪端與壓氣機端尾部分別布置兩個相互垂直的電渦流位移傳感器，測量水平和垂直方向的振動幅值，在壓氣機端開鍵相槽并布置電渦流位移傳感器測量轉速。

2 軸向碰摩機理分析

本文的研究對象為由于軸向力發生變化導致的軸向碰摩。由圖1中試驗臺本體部分結構可以看出，軸承-轉子系統從右到左分別為透平輪、磁盤、軸承、兩個止推面、軸承、磁盤與壓氣機輪，而圖2為軸承轉子系統在高速透平發電機設備中的布置圖。

圖2 軸承轉子系統布置圖

從渦輪端蝸殼輸入的驅動氣要經過導流盤驅動渦輪旋轉，其中部分驅動氣會沿渦輪與導流盤之間的間隙流入機身內部，并在其中形成壓力分布，設渦輪入口外徑為d1，導流盤內徑為d2，引線出口直徑為d3，則入口截面積為：

引線出口截面積為：

其中

d1=88.74 mm；

d2=89.23 mm；

d3=8.4 mm；

將其帶入截面積計算公式，可以得出：

S1=68.49 mm2；

S1=55.41 mm2；

所以，因為入口截面面積大于出口截面面積，當流量較小時氣流會從線圈引線出口全部流出；但是隨著轉速上升，主氣路流量增加時，流入機身內部的氣體流量也會持續增加，這樣就會在機身內部形成壓力分布，為了定性分析機身內部的壓力分布，建立了物理模型，并進行數值模擬，結果如圖3所示，顏色的深淺代表壓力的大小，顏色由白到淺灰再到深灰，壓力越來越大。

圖3 殼體內壓力分布圖

選取4種工況條件，分別進行模擬，其結果如表1所示。由表可以看出，隨著主路驅動氣輸氣量的增加，機身內部的壓力分布也在發生變化，并且磁盤2正背面的壓差越來越大，代表著機身內部的氣壓對磁盤形成了一個向左的推力，由圖4上看，即形成一個向右的軸向力。轉子在運行過程中軸向受力情況如圖4所示。

圖4 軸向受力分析圖

表1 數值模擬結果列表

由圖可以看到，由于壓氣機輪為直葉片，軸向力很小，可以忽略不計。所以轉子系統受到的力有壓氣機端止推軸承對止推盤向右的軸向力F1、渦輪端止推軸承對止推盤向左的軸向力F2、氣流對透平輪向左的軸向力F3以及機身內部由于壓力分布產生的向右的軸向力F4。而發生軸向碰摩的原因就是這4個力在軸承轉子系統運行過程中的相對大小發生變化，導致轉子發生軸向位移，當位移距離大于轉子與軸承之間的軸向間隙時，就會發生軸向碰摩。

3 試驗結果及分析

試驗中兩路軸承氣的供氣壓力都為0.7 MPa，圖5為升降速時間—頻率—幅值三維譜圖，譜圖的橫坐標為升速頻率，縱坐標為升降速時間，而圖中顏色的深淺則代表振動幅值的大小，顏色越明亮則代表振幅越大。由圖可以看出，當轉速達到最高轉速21 578 r/min時，轉子發生軸向碰摩，轉速瞬間下降，振動幅值顯著增加。

圖5 升降速過程時間—頻率—幅值三維譜圖

圖6至圖8為軸向碰摩發生前、發生時及脫離碰摩后對應的軸心軌跡及頻譜結構。圖6是在最高轉速之前20 787 r/min時刻的軸心軌跡及頻譜結構，可以看出此時軸心軌跡按照周期一穩定運行，工頻振動幅值為97.47 μm。圖7為發生軸向碰摩時的軸心軌跡及頻譜結構，其對應轉速為20 228 r/min，工頻最高幅值為67.82 μm，但是存在一個較寬的工頻頻帶，從時域波形上，可以看出其通頻單峰值達200 μm左右，且存在振幅變化情況。在發生碰磨瞬間，軸心軌跡存在突變現象，振幅突然增加，然后減小，由圖8碰摩過程中通頻幅值時域變化圖也可以看出幅值的突變。圖9為脫離碰摩后軸心軌跡及頻譜結構圖，對應轉速為15 373 r/min。由圖可以看出，此時軸心軌跡基本恢復到周期一運行，時域波形規則，按照正弦波變化，工頻幅值為82.54 μm。

圖6 碰摩前轉子軸心軌跡及頻譜結構

圖7 碰摩中轉子軸心軌跡及頻譜結構

圖8 轉子碰摩過程中通頻幅值變化

圖9 碰摩后轉子軸心軌跡及頻譜結構

圖10為在整個軸向碰摩過程中的軸心軌跡變化圖，圖中藍色(第一圈)軸心軌跡為碰摩前20 787 r/ min轉速下軸心軌跡，紅色(第二圈)軸心軌跡為碰摩降速時20 228 r/min轉速下軸心軌跡，黑色(第三圈)軸心軌跡為退出碰摩后15 373 r/min轉速下對應軸心軌跡，可以看出軸心軌跡的變化趨勢為振幅較小的周期一運行→振幅增加并突然增大→較大振幅的周期一運行。

圖10 碰摩過程中軸心軌跡變化

試驗完成后對設備進行拆機檢查，圖11為示意圖，可以看出，在轉子止推面有明顯的與氣體石墨軸承碰摩產生的摩痕，這也驗證了前面理論及試驗分析的結論。

圖11 轉子止推面與止推軸承碰摩示意圖

根據能量守恒定律，當輸入能量保持不變時，軸向碰摩消耗能量，必然導致轉子轉速的下降，而且是在短時間內的突降，其必將影響軸承轉子系統的穩定運行，危害設備的安全運行，并加速氣體軸承的磨損，嚴重時會導致氣體軸承的斷裂、報廢及轉子的彎曲變形。所以在高速透平發電機運行時，要時刻監測轉子的軸向位移，并通過調節兩路軸承供氣壓力的相對大小、擴大線圈引線出口截面積、改善止推軸承推理性能使軸承止推力遠大于由其他因素引起的軸向力等措施來避免軸向碰摩的發生。

4 結語

以高速透平發電機的采用氣體靜壓徑向-止推聯合軸承支承的雙止推面、四磁盤結構軸承-轉子系統為研究對象，通過對軸向碰摩的機理進行分析，并結合試驗結果，得出如下結論：

（1）軸向力的相對大小發生變化，導致轉子發生軸向位移，當位移大于轉子與軸承之間軸向間隙時，發生了軸向碰摩；

（2）軸向碰摩一般伴隨著轉速突降、軸心軌跡突變及頻譜結構存在較寬工頻頻帶等故障特征；

（3）通過監測轉子軸向位移，調節兩路軸承供氣壓力的相對大小、擴大線圈引線出口截面積、改善止推軸承推理性能能夠有效消除軸向碰摩的發生。

[1]王順康，周榮成，任浩瀚.分布式供能系統的運行分析及優化研究[J].華東電力，2012，40（12）：2311-2313.

[2]隋軍，金紅光.我國分布式供能關鍵技術研究進展[J].發電與空調，2012，（4）：1-4.

[3]游磊，胡俊，古沐松，等.基于二進小波能量自功率譜的轉子碰磨故障特征提取[J].煤礦機械，2013，34（2）：239-241.

[4]張乃強.汽輪機高壓內缸徑向碰磨的分析及研究[D].北京：華北電力大學，2005，1.

[5]丁千.轉子—軸承系統受軸向摩擦時的振動[J].機械強度，2004，26（2）：132-137.

[6]安學利，周建中，李超順，等.碰摩轉子系統在軸向推力作用下的分岔研究[J].熱能動力工程，2009，24（4）：437-441.

[7]陳虹微.離心壓縮機碰摩振動建模及改進方法[J].噪聲與振動控制，2013，33（2）：205-210.

[8]單穎春，劉獻棟，張洪婷.渦輪增壓器轉子的振動分析及故障診斷[J].噪聲與振動控制，2006，26（1）：73-76.

Experimental Study onAxial Rub-impact Fault of a High-speed Turbine Generator

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

The axial rub-impact fault of a high-speed turbine generator was studied.The high-speed aerostatic bearingrotor system with the structure of single span and four disks was considered.The time-frequency-amplitude waterfall diagrams,spectrum structure and shaft center trajectory were analyzed to obtain the typical features of the axial rub-impact caused by the change of axial forces.The mechanism,development process and improvement measures of the axial rub-impact were analyzed.Experimental results show that the axial rub-impact is usually accompanied by sudden speed drop and sudden change of the shaft center trajectory,and wide working frequency band.The experiment may provide a reference for on-line monitoring,pattern recognition and fault diagnosis for axial rub-impact of turbine generators.

vibration and wave;mechanics;turbine generator;axial rubbing;fault diagnosis

TH113.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.032

1006-1355(2015)02-0149-04+162

2014－09－22

國家科技支撐計劃項目（2012BAA11B02）；中央高校基本科研業務費專項資金資助（13XS10）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（2014ZZD04）

邊技超（1987－），男，河北任丘人，博士生，主要研究方向：旋轉機械非線性振動及故障診斷。E-mail:bianjichao111@163.com

付忠廣（1963－），男，博士生導師。E mail:fzg@ncepu.edu.cn