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探究采用气体静压轴的高速透平发电轴的动力学试验
摘要：能源问题已被列为世界上研究的重大问题之一，针对能源的高效利用、节能减排以及新能源的开发，世界各国学者展开了大量的研究工作。在能量回收利用领域透平发电机具有较为广泛的应用，新型透平发电机在结构采用气体静压轴承支承，其轴系上对称安装有4个盘式永磁电机转子。针对新型透平发电机进行动力学试验，通过分岔图、典型转速的轴心轨迹和庞加莱截面、伯德图、时间三维谱图就轴系的振动特性进行了分析，以期为今后的试验提供有利参考。
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1、引言
世界范围内，能源问题日益突出，各国学者针对能源的高效利用、节能减排以及新能源的开发做了大量的研究工作。透平发电机在能量回收利用领域具有较为广泛的应用，在高炉气、烟气、化工尾气以及天然气油田气能量回收方面都有较为成熟的应用[1-3]。透平发电机的研究起源于上世纪70年代的世界石油危机。美国首先提出了朗肯循环透平发电机，将朗肯循环系统、透平膨胀机以及发电机相结合，实现对低温热能的能量回收[4]。由于透平工作转速远高于普通感应电机的工作转速，因此传统透平发电机一般使用减速器与发电机连接，轴系结构复杂、传动效率偏低、运转可靠性差，严重制约了其使用和发展[5]。随着高速永磁电机技术的发展，先进透平发电机均采用透平与高速永磁电机同轴连接，为减小轴承损耗，采用气体悬浮轴承支承，有效克服了传统透平发电机的缺点，系统能效和可靠性大幅提高[6-11]。高速永磁电机是现代透平轴系的重要组成部件，从结构形式上分为径向磁场电机（常规柱式电机）和轴向磁场电机。目前，多数透平发电机均采用柱式电机，轴系跨距较大，降低了系统整体的功率密度以及轴系动力学的稳定性。盘式永磁电机为轴向磁场电机的发展，与常规柱式电机相比，具有功率密度大、转矩大、轴向长度小的突出优点，适合应用于对空间要求更为严格的透平发电轴系[12]。透平发电机是涉及机械、材料、电力电子、控制等多学科的前沿技术，我国在此领域还处于起步阶段，在气体轴承、高速永磁电机、流体密封等多个关键技术方面还需要深入研究。结合在研项目需求，提出一种新型透平发电机结构，如图2所示，在轴系上对称安装有4个盘式永磁电机转子，采用气体静压轴承支承[13]。对于支承位于轴系中部的悬臂型多盘转子系统的动力学试验研究还较少，进行了该类型透平发电轴系的动力学试验，采用伯德图、时间三维谱图、分岔图、典型转速的轴心轨迹和庞加莱截面分析了轴系的振动特性，所得结论可以为透平发电机的高速特性试验提供参考。
2、试验系统
试验系统结构示意图，如图1所示。主要由供气系统、控制系统、试验台本体以及数据采集分析系统组成。供气系统采用空气压缩机产生1.0MPa、1000Nm3/h的高压常温空气，经由主路和轴承气支路输送到试验台本体，分别驱动透平发电机和悬浮静压气体轴承。通过控制系统实现气路中各阀门开度控制，以调节主路空气和轴承气的流量和压力，进而调节透平发电机升速率和气体轴承的承载特性。为监测透平发电机的轴系振动，分别在压气机端、涡轮端的水平以及垂直方向布置电涡流位移传感器，并在压气机端加工键槽，监测其键相信号。透平发电机轴系的结构示意图，如图2（a）所示。静压气体轴承结构示意图，如图2（b）所示。
图1试验系统结构示意图；图2气体轴承透平发电轴系、静压气体轴承结构示意图
透平发电机由2个带有止推面的静压气体轴承支承，分别由管路1和管路2供气，供气压力一般在（0.4~0.7）MPa。透平发电机两端对称布置2对盘式永磁电机，线圈绕组安置于两个盘式永磁转子之间，气隙约为0.7mm；转轴采用凸台结构，材质为40Cr，转轴与透平、压气机以及盘式电机转子均采用键联结，轴系总长370mm，跨距为65mm。
转子选用小孔节流式纯静压气体轴承支承。气体轴承外缘加工有环向槽用以安装O型橡胶圈，具有较好的阻尼减振和柔性支承的作用。轴承材质选用石墨合金，具有良好的自润滑和耐高温特性。气体轴承径向和轴向均设计有节流小孔，轴承内直径为25mm，内径加工有2排节流小孔，分别沿着圆周方向均布16个，轴承侧面靠近外缘位置沿着圆周方向也均布了16个小孔，外界供气后可以产生径向和轴向止推气膜力。
3、试验结果及分析
试验过程中主路供气流量与转速的关系曲线，随着供气流量的增加，转速逐渐升高，如图3所示。试验中，气体轴承的供气压力分别为0.63MPa和0.65MPa，当主路供气流量为24Nm3/h时，轴系开始旋转，最高转速达到27690r/min，此时主路供气流量达到145Nm3/h。当转速为14600r/min和18030r/min时，流量计显示均为93.6Nm3/h，阀门在此流量区间控制效果不好。20000r/min以内的转速区间段，轴系升速率基本保持一致；转速超过20000r/min后，升速率减小，升速较为缓慢。
图3转速-流量曲线；图4涡轮端x、y方向伯德图
涡轮端升速过程的伯德图，如图4（a）、图4（b）所示。可以得出轴系的临界转速区域为（5000~10000）r/min，振幅变化范围从（50~220）μm，相位变化约为90°，振动峰值为220μm，峰值时对应转速为6800r/min。在试验转速区间仅有一个临界转速。
轴系升速过程的时间三维谱图，如图5所示。横轴为转子旋转频率，左侧纵轴为时间轴，右侧纵轴通过颜色表示振幅大小。从图5可以看到，轴系升速过程持续约400s，工频转速呈阶梯状增加，与主路供气流量的递增规律一致。轴系最高转速27690pm。在转速区间（18860~27000）r/min，轴系出现（107~115）Hz的低频振动。工频振动幅值在（11.3~25.5）μm之间，主要振动能量集聚在低频振动上，振幅约为100μm。当轴系转速为18860r/min（314Hz）时，低频振动频率为107Hz，为气体轴承的半速涡动，但随着转速增高，低频频率增加范围很小，结合图6的分岔图，可知在该低频区域，轴系处于气膜振荡状态。
图5时间三维谱图；图6分岔图；图7轴心轨迹（周期1）
在升速过程中，当转速为6833r/min时，轴系出现共振峰值，如图6所示。在低频气膜振荡发生之前，轴系处于周期1运动。发生低频振荡后，振幅扩大较快，振荡边界呈增大趋势，先后发生周期N运动和拟周期运动。结合轴心轨迹和庞加莱截面，可以比较清楚地看到轴系的运动行为。转速为6873r/min时，涡轮端的轴心轨迹，是比较规则的椭圆，典型的周期1运行，此转速下，轴系正处于通过共振峰的运行状态，如图7所示。
当转速为19456r/min时，结合时间三维谱图和分岔图可以判断轴系处于气膜振荡状态，如图8所示。轴系的庞加莱截面是三个孤立的点，结合轴心轨迹，可知轴系处于周期3运动。按照同样的方法，分别截取转速为24216r/min和27560r/min时的轴心轨迹和庞加莱截面，如图9和图10所示。轴系分别处于周期6运动以及拟周期运动。从分岔图可以看到，由于振动边界呈现扩张趋势，为避免轴系损坏，切断主路供气，使其自由降速。下一步将改变轴承特性参数，抑制低频振荡，进行更高速的升速试验。
图8轴心轨迹（周期3）与庞加莱截面；图9轴心轨迹（周期6）与庞加莱截面；图10轴心轨迹（拟周期）与庞加莱截面
4、结论
（1）提出一种新型透平发电机结构，轴系对称安装有4个盘式永磁电机转子，采用气体静压轴承支承，并搭建了振动试验平台；（2）气体轴承的供气压力分别为0.63MPa和0.65MPa，当主路供气流量为24Nm3/h时，轴系开始旋转，最高转速达到27690r/min，此时主路供气流量达到145Nm3/h；（3）轴系的临界转速区域为（5000~10000）r/min，振幅变化范围从（50~220）μm，相位变化约为90°，振动峰值为220μm，峰值时对应转速为6800r/min。在试验转速区间仅有一个临界转速。在转速区间（18860~27000）r/min，轴系出现（107~115）Hz的低频振动，结合分岔图分析，该低频振动区域为气膜振荡；轴系升速过程中，先后经过周期1、周期n、以及拟周期运动。
参考文献：
[1]计光华.透平膨胀机[M].北京:机械工业出版社,1988.
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唐长亮,韩东江,杨金福.气体轴承-高速透平发电轴系动力学试验研究[J].机械设计与制造,2019,(11):5-8.
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