靜壓氣體軸承
——渦輪發(fā)電機(jī)軸系振動(dòng)特性分析

唐長亮，韓東江，楊金福

（1.北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

0 引言

渦輪發(fā)電機(jī)的研究起源于20世紀(jì)70年代的世界石油危機(jī)。美國首先提出了朗肯循環(huán)渦輪發(fā)電機(jī)，將朗肯循環(huán)系統(tǒng)、渦輪膨脹機(jī)以及發(fā)電機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對低溫?zé)崮艿哪芰炕厥铡＝?jīng)過近幾十年的發(fā)展，法國Cryostar、韓國Turbo等國外渦輪機(jī)械公司已經(jīng)開發(fā)出成熟商業(yè)化產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于電力、化工行業(yè)的尾氣能量回收。由于渦輪工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于普通感應(yīng)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，因此傳統(tǒng)渦輪發(fā)電機(jī)一般使用減速器與發(fā)電機(jī)連接，軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)效率偏低、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性差，嚴(yán)重制約了其使用和發(fā)展。隨著高速永磁電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)渦輪發(fā)電機(jī)均采用透平與高速永磁電機(jī)同軸連接，為減小軸承損耗，采用氣體懸浮軸承支承，有效克服了傳統(tǒng)渦輪發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)，系統(tǒng)能效和可靠性大幅提高。

高速永磁電機(jī)從結(jié)構(gòu)形式上分為徑向磁場電機(jī)（常規(guī)柱式電機(jī)）和軸向磁場電機(jī)。目前，多數(shù)渦輪發(fā)電機(jī)均采用柱式電機(jī)，軸系跨距較大，降低了系統(tǒng)整體的功率密度以及軸系動(dòng)力學(xué)的穩(wěn)定性。盤式永磁電機(jī)為軸向磁場電機(jī)的發(fā)展，與常規(guī)柱式電機(jī)相比，具有功率密度大、轉(zhuǎn)矩大、軸向長度小的突出優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于對空間要求更為嚴(yán)格的渦輪發(fā)電軸系。

結(jié)合在研項(xiàng)目需求，提出一種新型渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，在軸系上對稱安裝4個(gè)盤式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，采用氣體靜壓軸承支承。氣體潤滑軸承分為靜壓、動(dòng)壓和動(dòng)靜壓混合3種類型。作為潤滑介質(zhì)的氣體黏度較低，軸承摩擦阻力和功耗很小，與滾珠軸承和油膜軸承相比，避免了復(fù)雜的油泵、滑油箱以及油霧污染。對于氣體軸承支承的高速旋轉(zhuǎn)軸系，非線性氣膜力導(dǎo)致的氣膜渦動(dòng)、氣膜振蕩等軸系非線性動(dòng)力學(xué)行為研究，是高速微型動(dòng)力產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。Lund近似分析了動(dòng)靜壓混合軸承產(chǎn)生的氣膜渦動(dòng)和氣錘現(xiàn)象。供氣壓力對氣體軸承的特性影響較大，G.Belforte和Florin Dimofte的研究發(fā)現(xiàn)，提高供氣壓力可以推遲甚至抑制低頻渦動(dòng)，提高軸承穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速區(qū)間。Keun Ryu研究了供氣壓力與氣膜剛度的關(guān)系，較大的供氣壓力可以提高氣膜剛度，從而提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速。郭俊試驗(yàn)研究了供氣壓力對低頻渦動(dòng)的影響，得出其研究結(jié)論。韓東江開展了低頻振動(dòng)特性試驗(yàn)研究，考慮氣膜壓力與彈性支承的耦合作用。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、試驗(yàn)臺本體以及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成。供氣系統(tǒng)采用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生1 MPa，1000 m3/h的高壓常溫空氣，經(jīng)由主路和軸承氣支路輸送到試驗(yàn)臺本體，分別驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)和懸浮靜壓氣體軸承。通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣路中各閥門開度控制，以調(diào)節(jié)主路空氣和軸承氣的流量和壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)透平發(fā)電機(jī)升速率和氣體軸承的承載特性。為監(jiān)測透平發(fā)電機(jī)的軸系振動(dòng)，分別在壓氣機(jī)端、渦輪端的水平以及垂直方向布置電渦流位移傳感器，并在壓氣機(jī)端加工鍵槽，監(jiān)測其鍵相信號。

渦輪發(fā)電機(jī)軸系結(jié)構(gòu)，如圖2（a）。靜壓氣體軸承結(jié)構(gòu)示意，如圖2（b）。透平發(fā)電機(jī)由2個(gè)帶有止推面的靜壓氣體軸承支承，分別由管路1和管路2供氣，供氣壓力一般在（0.4～0.7）MPa。透平發(fā)電機(jī)兩端對稱布置2對盤式永磁電機(jī)，線圈繞組安置于2個(gè)盤式永磁轉(zhuǎn)子之間，氣隙約為0.7 mm；轉(zhuǎn)軸采用凸臺結(jié)構(gòu)，材料為40Cr，轉(zhuǎn)軸與透平、壓氣機(jī)以及盤式電機(jī)轉(zhuǎn)子均采用鍵聯(lián)結(jié)，軸系總長370 mm，跨距為 65 mm。

轉(zhuǎn)子選用小孔節(jié)流式純靜壓氣體軸承支承。氣體軸承外緣加工有環(huán)向槽用以安裝O形橡膠圈，具有較好的阻尼減振和柔性支承的作用。軸承材料選用石墨合金，具有良好的自潤滑和耐高溫特性。氣體軸承徑向和軸向均設(shè)計(jì)有節(jié)流小孔，軸承內(nèi)直徑為25 mm，內(nèi)徑加工有2排節(jié)流小孔，分別沿著圓周方向均布16個(gè)，軸承側(cè)面靠近外緣位置沿著圓周方向也均布了16個(gè)小孔，外界供氣后可以產(chǎn)生徑向和軸向止推氣膜力。靜壓氣體軸承結(jié)構(gòu)，圖 2（b）。

圖2 （a） 氣體軸承透平發(fā)電軸系

圖2 （b） 靜壓氣體軸承結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 升降速時(shí)間三維譜圖

試驗(yàn)過程中的時(shí)間三維譜圖，如圖3所示。升速過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到12 235 r/min時(shí)（閥門開度0.28），軸系出現(xiàn)轉(zhuǎn)速飛升現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)速從12 235 r/min，在（1～2 s）突增到22 971 r/min（閥門開度為0.30）。為避免軸系進(jìn)一步轉(zhuǎn)速突增，將閥門開度重新調(diào)整為0.28，軸系轉(zhuǎn)速由22 971 r/min降到22 812 r/min，進(jìn)而平穩(wěn)升速。如圖4所示為飛升轉(zhuǎn)速12 235 r/min對應(yīng)的軸心軌跡，為多周期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以推測渦輪做功主要轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能量存儲(chǔ)，然后突然釋放轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，使轉(zhuǎn)速徒增。

圖4 所 軸心軌跡（12 235 r/min）

如圖5所示為A區(qū)域的狀態(tài)細(xì)節(jié)，可以看到當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到38 785 r/min時(shí)，軸系出現(xiàn)低頻振動(dòng)。在1～2區(qū)域的轉(zhuǎn)速范圍為（38 785～40 480）r/min，此時(shí)低頻頻率保持在 139.42 Hz。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到40 480 r/min時(shí)，低頻頻率從139.42 Hz突變到144.23 Hz。2～3區(qū)域轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在40 480 r/min，此區(qū)域低頻保持為144.23 Hz，比1/4工頻略低。

圖5 A區(qū)域時(shí)間三維譜圖

在圖 5 中，3～4 區(qū)域的轉(zhuǎn)速為（40 480～38 942）r/min，三維譜圖上出現(xiàn)了較寬的頻帶，此種特征一般由輕微碰摩引起，轉(zhuǎn)速也有一個(gè)下降，整個(gè)過程主氣路保持流量輸入不變，能量在各個(gè)頻率之間不斷地轉(zhuǎn)化與分配。

4～5區(qū)域?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)速范圍為（38 942～37 907）r/min，此階段低頻頻率保持在211.54 Hz，軸心軌跡顯示為周期三狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到37 907 r/min時(shí)，主氣路切斷，轉(zhuǎn)速降為0，整個(gè)1——2——3——4——5階段其軸心軌跡變化為：擬周期——紊亂擬周期——紊亂碰摩混沌——周期三。

通過軸心軌跡和龐加萊截面，可以判斷軸系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為擬周期運(yùn)動(dòng)，軸心軌跡呈現(xiàn)橢圓狀，圖6。圖7所示，當(dāng)軸系轉(zhuǎn)速達(dá)到40 472 r/min時(shí)，軸系軸心軌跡紊亂程度增加，龐加萊截面顯示為封閉圓環(huán)，說明軸系仍然處于擬周期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但是振幅增大較多。

圖6 軸心軌跡和龐加萊截面（39 598 r/min）

圖7 軸心軌跡和龐加萊截面（40472 r/min）

見圖8，當(dāng)軸系轉(zhuǎn)速達(dá)到41 882 r/min時(shí)，由于振幅持續(xù)增大，軸系發(fā)生了輕微碰摩，但是軸心軌跡還沒有呈現(xiàn)出削峰現(xiàn)象，龐加萊截面顯示為一些不規(guī)則的散點(diǎn)，可以認(rèn)為軸系處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因?yàn)榕瞿ο牧溯^多的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，類似于剎車盤的作用，轉(zhuǎn)速有較明顯的降低，監(jiān)測軸心軌跡為周期三運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，龐加萊截面為3個(gè)點(diǎn)。見圖9。

圖8 軸心軌跡和龐加萊截面（41882 r/min）

圖9 軸心軌跡和龐加萊截面（41882 r/min）

3 結(jié)論

（1）對一種軸向磁場的新型渦輪發(fā)電機(jī)軸系進(jìn)行升降速振動(dòng)測試，軸系轉(zhuǎn)速飛升時(shí)軸心軌跡為多周期狀態(tài)。

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到38 785 r/min時(shí)，軸系出現(xiàn)低頻振動(dòng)。在1～2區(qū)域的轉(zhuǎn)速范圍為（38 785～40 480）r/min，此時(shí)低頻頻率保持在139.42 Hz。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到40 480 r/min，低頻頻率從139.42 Hz突變到144.23 Hz。

（3）結(jié)合軸心軌跡和龐加萊截面分析，軸系整個(gè)1—2—3—4—5階段的軸心軌跡變化為擬周期、紊亂擬周期、碰摩混沌、周期3。