高速涡轮发电机转子振动特性试验

冯 岩，王绩德，韩东江

（1.中国中原对外工程有限公司，北京 100044；2.中国科学院 工程热物理研究所，北京 100190）

涡轮发电机是能源系统中热-功-电转换的核心动力装置，其性能的好坏直接影响能源动力系统的经济性、安全性与稳定性。随着能源系统的小型化与智能化，涡轮发电机正向着高速化与微型化的方向发展，其典型的应用场合为冷热电分布式能源系统与超临界二氧化碳发电系统。在上述系统中，对涡轮发电机提出功率密度大、体积小、重量轻、转速高的要求。气体轴承具有转速高、功耗低、精度高和寿命长等优点[1]，在高速支承、低摩擦损耗支承、高精度支承和特殊工况下的支承领域占有绝对的应用优势，从而被广泛应用于高速微型动力装置、精密仪器及航空航天等国防领域[2]。气体轴承黏度低使得气体轴承在高速旋转动力装置中应用的关键问题之一在于气体轴承支承下转子的稳定性[3]。

国内外学者对气体轴承-转子系统稳定性进行了大量的理论与试验研究。侯予等[4]将可倾瓦动压气体轴承应用于高速透平膨胀制冷机中，并对气体轴承承载力与稳定性开展了一系列研究。杨金福等[5－6]开展气体轴承支承的高速永磁电机、高速涡轮膨胀制冷机轴系动力学特性实验研究，探讨了阻尼垫、轴承供气压力等转子稳定性调整因素，并提出轴承转子流-固耦合调频原理及工程稳定性判别准则。张广辉[7－8]通过数值分析研究动静压混合气体轴承支承的转子系统动力学特性，并在旋转冲压发动机试验台上进行气体轴承-转子系统动力学性能研究。韩东江[9]提出基于图谱分析的转子非线性振动行为分析方法，该方法以气膜振荡起始点为界，选用不同的图谱来分析气膜振荡前后的动力学特征，给出了气膜振荡发生前不平衡量引起同频涡动的分析图谱和气膜振荡发生后气膜非线性引起低频涡动与振荡的分析图谱。Su[10－11]通过数值分析研究多排研究节流孔供气径向轴承的旋转效应，结果表明，轴承承载能力随偏心率的增加速率大于其随转速的增加速率，并使用扰动法对多排节流孔供气的动静压混合轴承动态稳定性进行分析，通过计算轴承的刚度和阻尼系数确定其失稳转速。Morosi等[12－13]提出了一种可主动控制的气体润滑轴承，采用压电制动装置控制通过节流孔空气的流量与压力特性，进而实现气膜动力学特性的在线控制，并建立该气体润滑轴承的动力学分析模型，开展轴承及转子动力学特性试验研究，验证该轴承的有效性。

本文基于静压气体轴承支承的高速涡轮发电机试验装置，采用转子非线性振动分析方法，通过试验研究高速涡轮发电机转子升速过程中非线性振动特性，并重点分析轴承供气压力对高速涡轮发电机转子振动特性的影响。

1 高速涡轮发电机试验台

高速涡轮发电机试验台[14]如图1所示，包括轴承供气及涡轮驱动气子系统、振动信号采集与处理子系统、控制子系统和高速涡轮发电机。

图1 高速涡轮发电机试验台结构图

轴承供气及涡轮驱动气子系统由螺杆式空气压缩机提供压力为1.20 MPa、流量800 Nm3/h的高压气源；高压气体通过管路支线1进入驱动涡轮，为高速涡轮发电机提供动力，高压气体通过管路支线2进入静压气体轴承，为轴承提供润滑与支承；在管路支线上布置压力传感器、温度传感器、过滤器、稳压阀与调节阀等，实现气体参数控制与监控。

振动信号采集与处理子系统由电涡流位移传感器、数据采集仪、存储电脑组成。涡轮端布置3个电涡流位移传感器以测量涡轮端转子振动位移及旋转速度，压气机端布置2两个电涡流位移传感器以测量压气机端转子振动位移，所测量振动位移信号通过前置器转换后进入数据采集仪，并在DASP-V10软件中实现在线监测与离线分析。

控制子系统通过调节阀控制轴承供气及驱动涡轮所需高压气体的流量，以实现控制轴承供气压力和转子升速率的目的。

高速涡轮发电机是实现热-功-电转换的关键动力装置，其转子结构如图2所示，为压气机、透平与发电机同轴的一体化转子结构。

图2 高速涡轮发电机一体化转子结构

发电机采用永磁盘式电机结构，在轴承两侧分别布置一对磁盘，每个磁盘上均匀布置8个永磁体。在径向上，磁盘通过键与转轴连接，在轴向上通过螺母将叶轮与磁盘固定。每对磁盘间布置一个定子线圈，其冷却方式为自然风冷，同时定子线圈上布置2个温度测点，通过定子线圈温度变化来观察永磁盘与定子线圈是否发生碰磨、定子线圈温度随发电负载功率的变化情况。转子的结构尺寸如表1所示。

表1 转子的结构参数

转子结构由一对静压气体轴承支承，轴承为圆柱型节流孔式径向-止推混合轴承，轴承材料为石墨合金，具有耐磨与自润滑的功能；采用橡胶“O”型圈提高转子稳定性；径向润滑由2排节流小孔提供，沿着周向均布分布，数量为16个；止推润滑由止推轴承面上均匀布置的10个节流小孔提供，以平衡转子轴向推力，其结构尺寸如表2所示。

表2 轴承的结构参数

2 试验方案

表3中所示为本文所采用的试验方案。在试验1中，采用升速过程变轴承供气压力的方案，涡轮端与压气机端轴承以0.67 MPa的轴承供气压力启动，当转速到达16600 r/min时，涡轮端与压气机端轴承供气压力增加为0.80 MPa。

表3 轴承供气压力方案

转速点16600 r/min的选取是基于多次试验后归纳总结得到的。由于转子转速在16600 r/min发生飞升，为了抑制飞升过程中转子低频振动现象，在飞升点前提高轴承供气压力至0.80 MPa。在试验2中，升速过程轴承供气压力保持恒定，为0.80 MPa。

3 涡轮发电机升速过程中转子振动特性与发电特性分析

3.1 试验1涡轮发电机转子振动特性

图3给出了试验1轴承在供气压力下涡轮端水平方向转子升速过程时间-转速-幅值三维谱图，其中横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为幅值，单位为μm。曲线ABCD代表转子升速过程工频振动曲线。

如图3中所示，转子在B点，转速为11899 r/min时出现低频涡动现象，涡动频率为146.63 Hz，随着转子转速增加，涡动频率随之增加；转速为14279 r/min时，低频涡动频率出现跳跃，由153.85 Hz降为132.21 Hz，该低频频率跳跃的直接原因为气膜刚度降低，即气膜的涡动分力对应的刚度降低。转子在C点，转速15505 r/min时低频振动消失，转子出现碰摩特征，转速为16658 r/min时，转子进入飞升（升速率急剧增加）阶段，到达D点，转速42548 r/min时稳定；在转速45780 r/min时，转子出现低频振荡，低频频率为158.65 Hz，低频振荡的出现引起转子工频转速的降低，低频振荡消失后转子工频转速回升并稳定。

转子在以上各个阶段频谱图及轴心轨迹如图4所示。可以看到，在AB阶段，如图4(a)所示，转子振动谱图以工频振动为主，轴心轨迹呈现周期一特征；且在7428 r/min(123.80 Hz)时出现临界转速特征，该临界为转子锥动临界转速特征，如图4(b)所示。在BC阶段，转子出现低频涡动后频谱图及轴心轨迹如图4(c)所示，轴心轨迹呈现多周期特征。图4(d)给出C点后转子转速为15851 r/min时频谱特征，可以看到，频谱分析图上，出现类似于点碰磨特征的连续谱，同时，在时域频谱上间断性出现幅值的突跃-衰减，而轴心轨迹呈现混沌特征，如图4(e)所示。

图3 试验1工况下转子升速过程时间-转速-幅值三维谱图

图4(f)给出飞升过程中转子频谱分析及轴心轨迹，转子在飞升阶段升速率为4309 r/min/s。该阶段形成的原因为在转速15500 r/min之前转子发生低频振动，随着输入能量（驱动涡轮流量增加，但转子转速增加缓慢）增加，转子在发生低频振动区域积蓄能量，当低频振动消失后，转子出现较大升速率的飞升现象。可以看到，在频谱分析图上，工频的频率值呈现频带的特征，其原因是升速率较快，采样频率与升速率不匹配。转子在飞升区域轴心轨迹呈现周期一特征。在飞升转速后期，转子工频振动幅值出现突变特征，如图4(g)频谱图中所示，其原因为在飞升区域，无外界能量的输入（此时驱动流量不增加），转子在飞升初期，幅值是相对减小的，随着飞升进入后期，在飞升稳定时，幅值相对增大，其典型轴心轨迹如图4(h)所示。

图4(i)给出转子转速45780 r/min时出现低频振荡（振荡频率为158.65 Hz）时的轴心轨迹。

3.2 试验2涡轮发电机转子振动特性

从试验1轴承供气压力下转子升速实验结果可以看到，转子在飞升转速16600 r/min前出现低频振动现象，而在转速为16600 r/min时提高轴承供气压力后，转子低频振动消失，且能够稳定运行于45000 r/min。本小节基于试验1结果，将升速过程中供气压力稳定在0.80 MPa，观察供气压力对转子升速过程低频振动的影响。

图4 试验1工况下升速过程典型区域转子频谱特征及轴心轨迹

图5 试验2工况下转子升速过程时间-转速-幅值三维谱图

图5给出试验2轴承供气压力下涡轮端水平方向转子升速过程时间-转速-幅值三维谱图，其中横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为幅值，单位为μm。转子在32690 r/min时出现低频振荡现象，低频频率为125 Hz，随着工频转速增加，低频频率略有增加。试验2工况下转子稳定运行于40770 r/min。

图6给出试验2工况下转子升速过程中典型轴心轨迹、频谱特性与临界转速区域伯德图。如图6(a)所示，转子锥动临界发生在转速7544 r/min，比试验1工况下临界转速值高116 r/min，其原因为轴承供气压力的增高引起气膜刚度的增加，进而提高临界转速值。在临界转速区域，转子以周期一运行，其轴心轨迹如图6(b)所示。图6(c)给出转子出现低频振荡后轴心轨迹及频谱图，转速40743 r/min时，转子以拟周期状态运行，且轴心轨迹最大值在60 μm以内。

图6 试验2工况下升速过程典型区域转子频谱特征及轴心轨迹

分岔图描述转子升速过程中从周期一稳定运转到出现混沌失稳的路径。文中的分岔图是根据实验数据绘制出来的：按等采样点采样，以采样开始时转子上键相槽产生的键相信号的上升沿为零基准，分岔图上每个点表示键相信号上升沿相对于零基准的位移。图7给出试验2工况下转子升速过程分岔图，可以看到，分岔点为低频振荡出现起始转速点。低频振荡出现后转速大于38000 r/min，转子振动幅值边界呈收敛状态，根据工程稳定性判别准则[6]可知，转子在该转速下能够稳定运行。

图7 试验2工况下转子升速过程分岔图

将试验2工况下转子振动数据与试验1工况下转子振动数据对比分析，可以得到如下结论：

(1)轴承供气压力的增加使得转子锥动临界转速值相应增加；

(2)试验2工况下轴承供气压力的变化能够消除转子在试验1工况下升速过程中（转速区域为11899 r/min～15505 r/min）出现的低频振动现象；

(3)试验2工况下轴承供气压力的变化抑制低频振动现象，使得转子不存在低频蓄能区域，进而消除转子飞升区域；

(4)试验2工况下转子在32690 r/min时出现低频振荡现象，但低频振荡幅值较小，随着转速增加，转子振动幅值在安全裕度以内，依据工程稳定性判别准则可知，转子能够在40000 r/min稳定运行。

3.3 高速涡轮发电机发电特性分析

图8给出试验1工况下升速过程中涡轮发电机转速-功率-线圈温度变化曲线。

图8 试验1工况下转速-功率-线圈温度特性曲线

可以看到，随着转速的增加，功率随之增加，进而线圈温度随之增加。发电功率与线圈温度在32000 r/min～45000 r/min之间存在一个滞环。这是由于转子转速的飞升导致功率迅速增加，而飞升的时间很短，热量还没有显现出来，因此存在线圈温度落后于发电功率的滞环。伴随转子在高转速下稳定运行，随着时间的积累，热量增加引起线圈温度的迟滞增加。

4 结语

采用时间-转速-幅值三维谱图、频谱图、时域分析、轴心轨迹及分岔图等非线性振动测试与分析方法，对高速涡轮发电机转子升速过程中振动特性开展试验研究，主要结论如下：

(1)涡轮发电机转子临界转速随轴承供气压力的增加而增加。

(2)轴承供气压力的增加能够抑制转子低频涡动现象，去除转子低频蓄能区域，进而消除转子飞升，提高转子运行稳定性与安全性。

(3)转子出现低频振荡后，只要转子振动幅值边界随转速增加而收敛，且在安全裕度以内，则转子可在低频振荡状态下安全稳定运行。