高速渦輪發電機負載特性試驗

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

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高速渦輪發電機負載特性試驗

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：以氣體軸承支撐的高速渦輪發電機為研究對象，研究電機電負載對軸系穩定性影響，對比分析電機在不帶電負載和帶電負載兩種情況下軸系振動特性，借助時間三維譜圖、頻譜圖、軸心軌跡等詳細分析升速區域內振動特性，并且對比分析以上兩種工況下能量輸出情況。實驗結果表明發電機帶負載后不僅會使軸系振動加劇，而且會改變能量的輸出比例。

關鍵詞：振動與波；高速渦輪發電機；電負載；試驗研究

隨著我國經濟社會快速發展，人們越來越關注能源系統環境問題，高速渦輪發電機作為分布式供能系統重要組成部分，由于節能、環保、可增加用戶電力可靠性等諸多優點，在國內外已受到廣泛重視[1]。多年來軸承轉子穩定性研究取得了一系列成果，電機帶電負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電機運行轉速高和軸系振動呈現出高度的非線性，機組軸系受到輕微的外力激勵就會導致振動加劇，從而嚴重威脅機組的運行安全[4，5]。

高轉速下轉子系統振動問題是一個很關鍵的問題，關系到轉子系統能否穩定安全的工作，因此受到研究人員的關注。國內在高速渦輪轉子的靜態特性和振動仿真方面做的工作較多，而在渦輪轉子系統的振動試驗方面做的工作并不多，2004年，楊金福[6]提出了軸承與轉子的流固耦合調頻原理及工程穩定性判別準則，從而奠定了團隊的理論和技術基礎。

2008年，陳策對動靜壓混合氣體潤滑軸承-轉子系統的非線性動力學行為進行大量試驗研究，并且給出轉子由周期運動進入混沌的過程[7]。本文以高速渦輪發電機轉子-軸承系統為研究對象，設計并搭建高速渦輪發電機試驗臺，通過是否引入發電機電負載進行對比升速試驗，分析軸系在不同電負載情況下的升速特性響應，研究發電機電負載對高速渦輪轉子穩定性產生的影響，并且通過對比兩次試驗冷熱電的輸出情況得到電負載對能量輸出的影響。

1　試驗系統介紹

試驗系統主要包括四部分，供氣系統，控制系統，試驗臺本體以及數據采集與分析系統。供氣系統可提供壓力范圍為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；控制系統可以控制軸承氣以及驅動渦輪機的流量，進而控制軸承供氣壓力和轉子升速率；采集系統由電渦流位移傳感器和數據采集儀組成，用于測量和采集靠近軸承處轉子的振動位移以及鍵相信號[8]。試驗系統原理如圖1所示。

圖1　試驗系統原理示意圖

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

（a）發電機不接電負載作為對照，進行轉子升速實驗，穩定轉速為42000r/min。

（b）發電機接電負載，保證其他條件不變，進行對比升速實驗，負載隨轉速升高不斷增大，穩定轉速為42000r/min。

在沒有帶電負載時機組軸系主要受到氣膜力和不平衡質量的影響，增加電負載后線圈內產生電流會使軸系溫度升高，可能會導致機組軸系發生熱彎曲增加不平衡質量，另外當N極和S極磁感應強度發生變化時，根據電磁吸引力的計算公式為：F=B2A/2μ，電磁吸引力F與磁感應強度B的平方成正比（A為做功面積，μ為磁導率），導致N、S極下的電磁力發生變化，使轉子發生磁不平衡的振動，軸系受到磁不平衡和熱不平衡的作用，會嚴重影響軸系的穩定運行[9，10]，因此在下面的試驗中通過兩組對比試驗，重點研究在臨界轉速處和氣膜振蕩區域內的振動特性。

2　試驗結果及分析

2.1臨界轉速對比分析

如圖2所示為軸系轉速幅值曲線，無電負載時臨界轉速為11 971 r/min，在臨界轉速處的振動幅值為11.1 μm，帶電負載后臨界轉速為11 697 r/min，振動幅值為26.3 μm，與無電負載時相比臨界轉速提前了300 r/min，臨界轉速處的振動幅值增大了15.2 μm，可見增加電負載后軸系在臨界轉速處的振幅急劇增大。臨界轉速ω=k/m，帶電負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量力m增大，根據公式臨界轉速ω會相應的減小，因此與不帶電負載時相比臨界轉速提前了300r/min。

圖2　轉速幅值曲線

2.2低頻特性對比分析

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

圖3　無電負載時的三維譜圖

譜圖中出現兩條曲線，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，最高轉速為43 200 r/min。圖中另外一條曲線為低頻曲線，在轉速為38 700 r/min時出現，一直持續到最高轉速，低頻的頻率為153 Hz，鎖定在固有頻率150 Hz至200 Hz區間不再變化。

圖4為帶電負載時的時間三維譜圖，從圖中可以看出，在轉速39 300 r/min時，開始出現了一段不連續的低頻，斷斷續續，低頻頻率維持在152 Hz至155 Hz之間。分析此處低頻出現間斷的原因：帶電負載后軸系不僅受到不平衡質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致了不連續低頻的出現。從圖中可以看出隨著轉速升高低頻頻率會略有增大，這是由于氣浮轉子在高轉速下具有動壓效果，轉速越高氣膜剛度越大，使得固有頻率增高。

圖4　帶電負載時的三維譜圖

圖5　無電負載時低頻區域頻譜圖與軸心軌跡圖

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

圖6為帶電負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，在轉速為42 000 r/min之前軸心軌跡仍然呈現出周期一運行狀態，只是到43 000 r/min時軸心軌跡在水平方向出現了‘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，造成軸系在水平方向移動。從頻譜圖上可以看出在轉速達到39 300 r/min之后出現了一個低頻，其頻率維持在148 Hz～157 Hz之間，低頻的幅值隨著轉速升高逐漸變大，在轉速為43104r/min時低頻振幅為10.13μm。與帶電負載前相比，帶電負載后低頻出現的轉速向后推遲了600 r/ min，低頻幅值增大了3.82μm。

圖6　帶電負載時低頻區域頻譜圖與軸心軌跡圖

圖7　帶電負載時分叉圖

圖7是帶電負載時的分岔圖，分岔圖是將計算各轉速下轉子振動的Poincarè截面圖按轉速為橫坐標排列起來得到的圖形。當轉子系統只受到不平衡質量力作用下處于周期一狀態時，Poincarè截面圖中僅會出現一個截點，對應到分岔圖當中表現為分岔圖形呈現線狀；而當轉子系統受到不平衡質量力、氣膜力、電磁力等多個力作用下，呈現非線性振動時，Poincarè截面圖將會發生變化，當轉子處于混沌狀態時，其Poincarè截面圖呈現分散堆積的散點云圖，對應在分岔圖形則必然呈現云狀。

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

2.3能量輸出對比分析

第一次試驗中沒有帶電負載，設備通過壓縮和膨脹空氣產生熱量和冷量，在轉速為43000r/min時制熱溫度為54.3℃，制冷溫度為-20.8℃。將環境溫度設定為25℃，功率計算公式為p=cΔt，如圖9所示，可以計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輸出空氣溫度小于設定的環境溫度，因此一直到轉速為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，與環境溫度之間的溫差很大，因此計算出來的制冷功率占很大比例。在轉速為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　低頻區域內的工頻振幅

圖9　無電負載時輸出冷熱能量曲線

圖10　帶電負載時輸出冷熱電能量曲線

第二次試驗中電機帶電負載，設備能同時輸出冷、熱、電三種形式的能量，在轉速為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，所以發電功率所占比例較大，制熱功率開始出現后發電功率逐漸減小，而制冷功率隨著轉速增加基本維持在一個定值。在轉速42 000 r/min時制冷比例為84 %，制熱比例為6 %，發電比例為10 %，與無電負載時相比較制冷比例減少了3%，制熱功率減少了7%。

圖11為兩次試驗的對比曲線，可以看出隨著主路流量的增加無電負載時轉速要比帶電負載時大，而且無電負載時輸出總功率（制冷功率與制熱功率之和）也要大于帶電負載時的總功率（制冷功率、制熱功率與發電功率之和），這是因為在輸出能量中制冷量占很大比例，而制冷量大小又與轉速密切相關，因此在相同流量下無電負載時輸出總功率要大于帶電負載時輸出總功率。

3　結語

搭建了氣體軸承支撐的高速渦輪發電機軸承-轉子系統試驗臺，通過三維譜圖、軸心軌跡、頻譜圖對帶電負載前后軸系振動特性和輸出能量進行分析，從分析中可以得到以下結論：

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

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

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

圖11　兩次實驗冷熱對比曲線

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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，主要研究方向為非線性動力學。

基金項目：“分布式冷熱電聯供系統技術”資助項目（2012BAA11B02）

收稿日期：2015-08-14

文章編號：1006-1355(2016)02-0199-06

中圖分類號：TH113

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.044