飞轮储能系统轴系本机动平衡实验研究

张超平，戴兴建，孟祥泳，李胜忠，范 军

（1中国石化中原石油工程有限公司，河南 濮阳 457001；2清华大学，北京 100084）

石油钻机是钻井勘探施工的主要装备，机械石油钻机在负荷周期性变化的起、下钻工况中长期存在“大马拉小车”、“大马拉重车”的不良工况[1]，频繁的冲击负荷还阻碍了绿色动力——天然气发动机的推广使用。对于周期性变化的脉冲负荷特征，在动力系统中引入电容或飞轮储能调峰单元，既可以实现发动机在高效率工况下的平稳运行，也可以实现下钻钻杆势能回收利用[2-3]。飞轮储能具有高功率、寿命长、响应快的优点，是动力系统频繁调峰的优选储能技术[4-6]。

在动力系统中引进400 kW/10 MJ飞轮储能装置后，在低负荷时利用内燃机组的冗余出力带动直流调峰电机发电给飞轮储能电源充电，在尖峰负荷出现时，飞轮储能电源放电（400 kW持续25 s），驱动直流调峰电机做电动运行，向动力系统提供充足的补充转矩。分析表明，调峰运行的动力机组运行平稳，并可减少冗余容量，有利于节能减排。

高速飞轮储能系统中旋转轴系的振动问题是系统可靠安全运行需要解决的主要问题之一。由于材质、加工、安装等各方面原因，飞轮电机转子在加工好之后，质量分布不够均匀，其中心惯性主轴偏离旋转轴线。转子转动时，转子各微元质量的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力系，这种不平衡是转子振动的最主要激发源，在飞轮高速旋转的时候，会引起同步不平衡振动[7-8]。而且转子—轴承—机壳—基础系统一般存在一个或多个共振模态，其频率低于额定转动频率，不平衡较大的旋转机械在通过共振频率时会遇到振动迅速增加的困难，因此必须采取有效方法减小转子的不平衡量。

具体的方法是在转子上选定适当的校正平面，在其上加上适当的校正质量（或校正质量组），尽量减少离心惯性力的合力和合力偶，将转子运行时振动的幅值控制在允许范围内。

1 动平衡实验装置

飞轮电机轴系设计参数如下，充放电循环工作转速：1800→3600→1800 r/min；飞轮电机总动能：16.3 MJ；飞轮电机轴系总质量：1650 kg；飞轮电机轴系转动惯量：230 kg·m2；轴系跨度1700 mm。

图1 飞轮储能电机轴系Fig. 1 Flywheel motor rotor bearing unit

飞轮电机轴系结构如图1所示，采用立式支承：在轴向上，上端采用非接触永磁吸力轴承卸载飞轮电机总重量的90%～95%，以减少轴承摩擦损耗。为承担永磁电机磁偏拉力，上端采用轻载径向定位轴承即图1中的上轴承。下端采用高速滚动轴承定位即图1中的下轴承。飞轮电机轴系的不平衡动载荷由上、下轴承承担，为提高轴承的寿命，必须进行高精度动平衡，尽量减少轴承的动载荷。

采用Rion公司产品SB-7700现场动平衡仪进行动平衡。动平衡仪有两个加速度传感器，测量两个测点的振动（安装在上下轴承壳体外，见图1），转速传感器测定转速、提供转子振动信号的相位基准。动平衡仪根据振动信号、转速相位信号进行同频分析，得到振动中的不平衡响应幅度和相位。采用影响系数法进行动平衡，首先测量原始振动、然后测量试重引起的振动，动平衡仪根据原始振动和试重振动计算出加重，之后再测量平衡后的振动。动平衡仪根据残余振动再计算下一次加重，直到残余振动满足测试要求。动平衡转速选取在临界转速附近，测点一般选择在轴承座上。

2 实验结果

2.1 单面动平衡

为进行粗平衡和了解飞轮轴系的加工及安装工艺质量，首先将飞轮轴系采用卧式支承，并用变频电机带动皮带驱动飞轮旋转，单面动平衡（加重面在飞轮上）后，可运行到2100 r/min。

飞轮储能电机立式轴系按实际工况垂直安装后，在660 r/min存在共振峰，振动幅值超过500 μm。这表明立式安装轴系平衡状态与卧式安装存在较大差别，需要重新做低速动平衡。600 r/min运行下，平衡效果显著，振动幅值减少到50 μm。飞轮贴重量为 350 g ∠ 270°。

低速动平衡后，可稳定运行到1600 r/min。超过1700 r/min，转子系统遇到第2共振点，振动又快速增加。因此需要在1600、1750 r/min区间作单平面高速动平衡。如图2所示，动平衡后（加重1：192 g ∠ 258°；加重 2：252 g ∠ 258°），可升速到 2700 r/min，但高速区振动增加显著，超过可接受水平。与低速动平衡加重相比，加重量显著减少。新的加重并未引起通过660 r/min过临界困难。

图2 单平面平衡振动特性Fig. 2 Vibration under one plane balancing

由图2还可得，加重1条件下，通过第2共振区时，上、下端振动均小于70 μm，但2700 r/min时，下端振动超过 100 μm。加重 2条件下，2100～2700 r/min区间内，下端振动显著小于加重1，但上端的振动显著增加，通过第2共振区时，最大振幅接近300 μm，因此单平面平衡不能达到理想的平衡效果。

2.2 双面动平衡

轴系的初步结构中，飞轮有两个加重面，但距离只有飞轮的厚度，动平衡测试表明几乎等同于一个加重面，轴系中上部电机转子上的加重面无法利用，且其作用半径小，效果不明显。解决的办法是在轴系上端增加平衡面，因此设计了一个外径660 mm的动平衡工艺飞轮盘（见图1），专门为放置加重量。增加了平衡工艺盘后，1600 r/min处平衡后升速到2700 r/min，振动由50 μm 减少到20 μm。图3表明，第2共振区下在1600 r/min处的平衡有效地减少了共振振动，且减少了2600 r/min以上的振动，但机组下端的振动在2300 r/min附近的共振幅度还是偏大，需要进一步平衡。图3还表明，充电升速和发电降速过程中，同一测点的振动有一些差别。

图3 1600 r/min处平衡后振动特性Fig. 3 Vibration after balancing at 1600 r/min

后续多次动平衡测试表明：1800 r/min条件下动平衡后，第3共振区2350～2500 r/min中下端共振振动难以抑制，因此又在2350 r/min处动平衡（见图4），但此转速下动平衡却破坏了1800 r/min下的动平衡，即2400 r/min处的共振峰抑制后，却又激发了第2共振点1900 r/min的共振，1900 r/min和2400 r/min处的共振峰不能得到同时抑制。2400 r/min的共振主要是下端振动大，1900 r/min的共振峰主要是上端振动大。

图4 不同转速下动平衡Fig. 4 Balancing at different speeds

解决的思路是：首先在1800 r/min处动平衡，然后于2200 r/min处再做动平衡，平衡加重量的取舍要考虑1900 r/min共振点的振动。

经过多次动平衡试验后确定的加重方案是：平衡工艺飞轮：118 g ∠ 290°；主飞轮：192 g ∠ 255°。精细动平衡后，残余失衡量小于2000 g·mm，偏心距小于2 μm，2600～3600 r/min区间内可保持小于15 μm的振幅水平。

2.3 电机磁偏力影响

飞轮电机放电功率可根据发动机传动系统需要调节，测试了3种不同放电功率的振动幅频特性（见图5）。2150 r/min共振点在上端处200 kW时振幅最大为230 μm；400 kW时振幅最小为140 μm；100 kW时振幅居中为170 μm。2600 r/min以上，放电功率对振幅影响较小。

图5 放电功率对振动的影响Fig. 5 Power rate effect on the vibration

电机功率不同，电枢电流就有差别，因磁场不均匀、偏心引起偏心电磁力因电枢电流变化而改变。理论分析表明，这种磁偏力会引起轴系的附加振动。轴系下端的振动同样受到电枢电流的影响。

3 结 论

立式飞轮电机轴系升速到额定3600 r/min过程中，将通过660、1900、2400 r/min 3个共振点。为通过临界振动，选取了动平衡转速为600、1800和2200 r/min。为提高动平衡效果，飞轮电机轴系增加了一个动平衡工艺飞轮。动平衡后高速运转区2600～3600 r/min区间振动幅度小于15 μm。因电磁偏拉力作用，充电、放电、放电功率等因素对通过共振区的振动幅度有显著影响。

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