高速透平發電機自動降速故障試驗研究

第一作者付忠廣男，博士，教授，1963年7月生

通信作者邊技超男，博士生，1987年8月生

高速透平發電機自動降速故障試驗研究

付忠廣1，邊技超1，楊金福2，韓東江2

(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)

摘要：對高速透平發電機在驅動氣流量不減少的情況下發生的自動降速現象進行了理論分析及試驗研究。應用計算流體力學軟件FLUENT對機身內部流場的壓力分布進行定量分析，并對轉子系統所受軸向力進行定性分析。通過時間三維譜圖、軸心軌跡、頻譜分析等非線性振動分析方法分析自動降速現象的特征及發展過程。試驗分析表明，軸向力的變化引起轉子發生軸向位移，進而導致軸向碰摩，引起高速透平發電機發生自動降速現象。

關鍵詞：機械學；透平發電機；自動降速；軸向力；軸心軌跡；三維譜圖

基金項目：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)

收稿日期：2014-09-26修改稿收到日期：2014-12-28

中圖分類號:TH113.1

文獻標志碼：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、重要政府部門以及邊防哨所、海島、坦克環控等領域。其關鍵技術之一即為微小型動力技術[2]，包括微小型燃氣輪機技術、內燃機技術等。高速透平發電機作為分布式供能系統的核心機之一，可以在為用戶發電的同時，為用戶供熱和提供冷量，應用前景廣闊。在設備運行中軸系發生的各種非線性振動及故障則是研究重點[3-6]。

輸入能量降低、動靜件碰摩等都會引起旋轉機械的自動降速故障，廣大研究學者對此進行了大量研究。馬輝等[7]對轉子系統碰摩故障的實驗研究進行了全面的綜述并指出了發展方向。劉楊等[8]針對雙盤轉子軸承系統不對中-碰摩耦合故障建立了力學模型及有限元模型，找出了此種故障出現的特征。劉桂珍，于影等[9]通過建立非穩態油膜力的轉子-定子-軸承系統碰摩故障的力學模型，發現了當激勵頻率作為唯一控制參數時，系統存在周期運動、擬周期運動和混沌運動等豐富的非線性現象。宋光雄等[10]則對近年來國內的一些大型汽輪機組的碰摩故障案例進行了研究分析，總結出碰摩故障的主要原因包括動靜間隙調整過小，氣缸膨脹不暢以及汽封問題等。華征瀟等[11]同樣對 動靜件碰摩故障的影響因素進行了研究。張根勝等[12-13]通過建立軸承-轉子系統考慮徑向碰磨力的運動微分方程，推導出圓盤與封嚴圈之間軸向碰磨力與摩擦力的計算公式，并進一步建立相應振動方程，得到了轉子靜子之間軸向間隙對轉子運動的影響。以上研究集中在碰摩本身及其對軸系的影響。

本文以高速透平發電機整體為研究對象，發現引起軸系發生軸向碰摩的原因是由于轉子的軸向位移引起的，并給出了軸向碰摩的特征。另外研究了由于軸承性能，機身結構及軸向碰摩耦合作用引起的高速透平發電機自動降速現象的原因，為類似故障的判別與診斷提供了試驗依據。

1試驗臺及測試系統

圖1為試驗設備的總體布置圖，除高速透平發電機外，還包括供氣系統、控制系統及數據采集與分析系統。其中高速透平發電機采用氣體靜壓徑向-止推聯合軸承支承的雙止推面、四磁盤結構的軸承-轉子系統，透平輪、壓氣機輪及磁盤同軸結構，在兩磁盤之間固定線圈，通過磁盤旋轉切割磁感線來實現發電功能并向外界供冷、供熱。

圖1　試驗設備總體布置圖 Fig.1 General arrangement diagram of test bench

供氣系統能夠向透平發電機提供高壓常溫空氣，其動力源為一臺氣流量范圍在0~1 500 Nm3/h的空氣壓縮機。在供氣管路上，布置有控制閥門(包括開關球閥、穩壓閥調節閥及緊急切斷閥)、流量計、溫度傳感器及壓力傳感器。供氣系統分為驅動渦輪的主路氣供氣部分及軸承氣供氣部分。

控制系統能夠對試驗過程進行遠程控制，遠程操作主氣路及軸承氣路閥門開度，控制升速，并能實時記錄供氣系統的流量、壓力、溫度等參數。

數據采集及分析系統通過在壓氣機及渦輪端尾部布置電渦流位移傳感器，能夠實時監測、采集實驗過程中產生的振動數據，并應用DASP振動分析軟件，實時顯示轉子運行過程中的軸心軌跡、時域及頻域波形圖等。

2自動降速機理分析

本文的研究對象為高速透平發電機的自動降速故障，即在輸入流量不減少的前提下，轉子轉速出現下降，并伴隨周期性的上升、下降現象。由圖1中試驗臺本體部分可以看出，軸承轉子系統從左到右分別為壓氣機輪、磁盤、軸承、兩個止推面、軸承、磁盤與透平輪，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 Fig.2 Arrangement diagram of bearing-rotor system

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：

(1)

引線出口截面積為：

(2)

而其中：

d1=88.74 mm；

d2=89.23 mm；

d3=8.4 mm

將其代入截面積計算公式，可以得出：

S1=68.49 mm2；

S1=55.41 mm2

由計算結果可以看出，因為入口截面積大于出口截面面積，所以當由渦輪與導流盤之間的間隙流入機身內部的氣體流量較小時，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，使得磁盤在軸向方向的受力不平衡。為了定性分析機身內部的壓力分布，采用FLUENT模擬軟件建立物理模型，采用SIMPLE算法和k-ε方程，對機身內部進行數值模擬。模型入口為速度入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件其他為壁面邊界條件。模擬結果如圖3所示，顏色的深淺代表壓力的大小，顏色由藍到紅，表示壓力越來越大。

圖3　機殼體內壓力分布圖 Fig.3 Inside pressure distribution chart of machine

選取4種工況條件，分別進行模擬，其模擬結果如表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，這代表著機身內部的氣壓對磁盤形成了一個整體向左的推力，由圖5上看，即形成一個向右的軸向力，其中磁盤2靠近軸承的為背面。轉子在運行過程中軸向受力情況如圖5所示。

表1　數值模擬結果

圖4　主氣路流量與磁盤正背面壓差關系曲線 Fig.4 Relation curve of the flow and pressure difference

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。隨著主氣路輸入流量的增加，轉子轉速上升，如果保持軸承供氣壓力不變，則F3與F4發生變化，并在4個力中占主導作用。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，碰摩消耗能量，如果輸入能量不變，則會導致轉速的自動下降。與此同時，由于此時渦輪端止推面與止推軸承接觸，而壓氣機端止推面與止推軸承位于距離最大處，則此時F1最小，而F2達到最大，所以會將止推面推離，則轉子退出碰磨，轉速重新恢復上升。這即為高速透平發電機發生周期性自動升降速的機理。

3試驗結果及分析

將兩路軸承供氣壓力保持在0.6 MPa進行升速試驗，圖6為描述整個升速過程的時間-頻率-幅值三維譜圖，其中橫坐標代表頻率，縱坐標為升速時間，而顏色的的亮度代表振動幅值的大小，由藍到黃，代表幅值有小到大。由圖可以看出，當開度達到30%時，流量繼續增大，最大達到261.52 Nm3/h，此時轉速到達最高點，保持此流量不變，轉速發生自動降速現象，圖7為自動降速區域的局部放大圖。

圖6　升速過程時間-頻率-幅值三維譜圖 Fig.6 Three-dimensional spectra of acc process

由圖7我們可以看出，轉速從12 538 r/min開始，出現有規律的升降速現象，每次降速的最低轉速都在10 429 r/min左右，但是降速后，再次升速的最高轉速卻逐漸降低，為12 538 r/min→11 308 r/min→10 898 r/min→10 781 r/min。

圖7　自動升降速區域三維譜圖放大圖 Fig.7 Three-dimensional spectra enlarged drawing of automatic slow-down stage

圖8~圖11為轉速從12 538 r/min降速到10 429 r/min再升到最高轉速11 308 r/min的一個周期內的軸心軌跡及頻譜結構。圖8為轉速在最高時刻12 538 r/min的軸心軌跡及頻譜結構，可以看出此時頻譜成分主要以工頻為主，存在一幅值較明顯的高頻及若干幅值很小的分頻頻率。圖9為發生軸向碰摩時刻的軸心軌跡及頻譜結構，可以看出此時軸心軌跡混亂，頻譜成分復雜，除工頻外，還存在振幅較大的低頻及高頻，時域波形也有明顯的削峰現象，且此時的轉速急劇下降。圖10為轉子脫離碰摩，但是由于慣性繼續降速至最低點，此時軸心軌跡及頻譜結構恢復正常。隨后轉子再次開始升速，重復此過程。

圖8　轉速12 538 r/min對應軸心軌跡及頻譜結構 Fig.8 Shaft orbit and spectrum structure map at 12 538 r/min

圖9　轉速12 089 r/min對應軸心軌跡及頻譜結構 Fig.9 Shaft orbit and spectrum structure map at 12 089 r/min

圖10　轉速10 429 r/min對應軸心軌跡及頻譜結構 Fig.10 Shaft orbit and spectrum structure map at 10 429 r/min

圖11　轉速11 308 r/min對應軸心軌跡及頻譜結構 Fig.11 Shaft orbit and spectrum structure map at 11 308 r/min

圖12為時間轉速幅值曲線，上方曲線為時間-轉速曲線，下方曲線為時間-幅值曲線。由曲線可以看出，每次轉速降低的過程對應的是幅值升高的過程，這是由于轉速從最高開始下降的過程，對應的為轉子止推面向止推軸承移動并發生軸向碰摩的過程。

圖12　自動降速階段時間轉速幅值曲線 Fig.12 Time-speed-amplitude curves of automatic slow-down stage

自動降速故障不僅危害軸承-轉子系統的穩定性，危害設備的安全運行，而且轉子與軸承的軸向碰摩也會導致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。所以在不改變機身結構的前提下，重新設計軸承，將止推面止推小孔距軸承中心的距離由21.1 mm降低到17.4 mm，如圖13所示，即提高了止推軸承的止推效果，使得止推軸承對止推盤的力F1、F2遠大于氣流對透平輪向左的軸向力F3與機身內部由于壓力分布產生的向右的軸向力F4，降低F3與F4對軸向力的影響，可以緩解甚至消除自動降速故障。

圖13　兩次試驗軸承參數對比 Fig.13 The parameters comparison of two bearings

圖14為更換軸承后的第2次試驗的時間三維譜圖，可以看出，第1次試驗12 000 r/min左右出現的自動降速現象在本次試驗中消失，提高了軸承-轉子系統的穩定性。

圖14　第2次試驗升速時間頻率幅值三維譜圖 Fig.14 Three-dimensional spectra of the second test

4結論

通過對高速透平發電機在驅動氣流量不減少的情況下發生的自動降速現象進行了理論分析及試驗研究，得出如下結論：

(1)各軸向力之間的相對大小發生變化，導致轉子發生軸向位移，當位移量大于轉子與軸承之間的軸承間隙時，就會發生軸承碰摩，進而導致轉速下降；

(2)軸向碰摩一般會伴隨著轉速突降、軸心軌跡突變以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，改善軸承結構進而改善止推軸承止推性能、擴大線圈引線出口截面積等措施能夠有效緩解甚至消除轉子的軸向位移，進而消除自動降速現象的發生。

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