邊技超，付忠廣，楊金福，于明濤，王正威

（1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190）

高速透平發(fā)電機(jī)軸向碰摩故障的試驗(yàn)

邊技超1，付忠廣1，楊金福2，于明濤1，王正威1

（1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190）

采用氣體靜壓徑向—止推聯(lián)合軸承支承的雙止推面、四磁盤結(jié)構(gòu)軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對(duì)高速透平發(fā)電機(jī)出現(xiàn)的軸向碰摩故障展開試驗(yàn)研究。分析時(shí)間三維譜圖、頻譜結(jié)構(gòu)、軸心軌跡等給出了由于軸向力變化導(dǎo)致的軸向碰摩的典型特征，并分析軸向碰摩產(chǎn)生的機(jī)理、發(fā)展過程及解決措施。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于軸向力變化導(dǎo)致的軸向碰摩一般伴隨著轉(zhuǎn)速突降、軸心軌跡突變及頻譜結(jié)構(gòu)存在較寬工頻頻帶等故障特征。試驗(yàn)結(jié)果能夠?yàn)檩S向碰摩故障的在線監(jiān)測、模式識(shí)別及故障診斷提供參考。

振動(dòng)與波；機(jī)械學(xué)；透平發(fā)電機(jī)；軸向碰摩；故障診斷

分布式供能系統(tǒng)能夠以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近[1]，可應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院、邊防哨所、海島、坦克環(huán)控等領(lǐng)域。其中的關(guān)鍵技術(shù)之一即為微小型動(dòng)力技術(shù)[2]。高速透平發(fā)電機(jī)作為分布式供能系統(tǒng)的核心機(jī)，在發(fā)電的同時(shí)，能夠?yàn)橛脩艄岷吞峁├淞?，?yīng)用前景廣闊，而其關(guān)鍵技術(shù)之一就是高速氣體軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究。

軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰磨故障屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械非線性振動(dòng)故障之一，碰磨時(shí)的轉(zhuǎn)速越高，導(dǎo)致的后果會(huì)越嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備的徹底報(bào)廢[3]。碰磨主要分為徑向碰磨和軸向碰磨[4]。針對(duì)軸向碰摩，大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究。丁千[5]針對(duì)盤與靜子在不同位置發(fā)生軸向接觸的模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)軸頸位置、軌跡大小變化與軸向摩擦位置、程度和轉(zhuǎn)速都有關(guān)系，因此表現(xiàn)為振動(dòng)不穩(wěn)定。安學(xué)利等人[6]推導(dǎo)了碰摩轉(zhuǎn)子在軸向推力作用下的非線性動(dòng)力學(xué)方程，并進(jìn)行仿真分析，得出了在發(fā)生軸向碰摩的情況下轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及頻譜特征。陳虹微[7]建立了碰摩振動(dòng)模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)離心壓縮機(jī)運(yùn)行中的碰摩故障進(jìn)行了研究，并分析了其影響因素及改進(jìn)方法。單穎春等人[8]針對(duì)渦輪增壓器出現(xiàn)的轉(zhuǎn)靜子碰磨故障進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，獲得了其振動(dòng)規(guī)律，并找出了發(fā)生碰磨故障的主要原因。

本文針對(duì)高速透平發(fā)電機(jī)采用的氣體靜壓徑向—止推聯(lián)合軸承支承的雙止推面、四磁盤結(jié)構(gòu)軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)的軸向碰摩故障展開試驗(yàn)研究，從時(shí)間三維譜圖、頻譜結(jié)構(gòu)、軸心軌跡等給出了由于軸向力變化導(dǎo)致的軸向碰摩的典型特征，并分析了軸向碰摩的產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展過程及解決措施，能夠?yàn)檩S向碰摩故障的在線監(jiān)測、模式識(shí)別及故障診斷提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 高速透平發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)及測試系統(tǒng)

高速透平發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)布置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)總體布置圖

試驗(yàn)臺(tái)本體即為高速透平發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)為壓氣機(jī)輪與透平輪同軸、單跨、四磁盤結(jié)構(gòu)，并通過在磁盤之間安放盤式線圈來實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的動(dòng)力源為空氣壓縮機(jī)提供的常溫、高壓空氣，其能夠提供軸承支路用氣及主路透平輪驅(qū)動(dòng)氣?？刂葡到y(tǒng)能夠?qū)υ囼?yàn)過程進(jìn)行總體遠(yuǎn)程控制，可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)軸承氣供氣壓力及驅(qū)動(dòng)氣流量，并自動(dòng)保存主氣路及各支氣路實(shí)時(shí)產(chǎn)生的溫度、壓力、流量等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)應(yīng)用DASP數(shù)據(jù)振動(dòng)采集及分析軟件，能夠?qū)υ囼?yàn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析平臺(tái)。

通過在渦輪端與壓氣機(jī)端尾部分別布置兩個(gè)相互垂直的電渦流位移傳感器，測量水平和垂直方向的振動(dòng)幅值，在壓氣機(jī)端開鍵相槽并布置電渦流位移傳感器測量轉(zhuǎn)速。

2 軸向碰摩機(jī)理分析

本文的研究對(duì)象為由于軸向力發(fā)生變化導(dǎo)致的軸向碰摩。由圖1中試驗(yàn)臺(tái)本體部分結(jié)構(gòu)可以看出，軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)從右到左分別為透平輪、磁盤、軸承、兩個(gè)止推面、軸承、磁盤與壓氣機(jī)輪，而圖2為軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高速透平發(fā)電機(jī)設(shè)備中的布置圖。

圖2 軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)布置圖

從渦輪端蝸殼輸入的驅(qū)動(dòng)氣要經(jīng)過導(dǎo)流盤驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，其中部分驅(qū)動(dòng)氣會(huì)沿渦輪與導(dǎo)流盤之間的間隙流入機(jī)身內(nèi)部，并在其中形成壓力分布，設(shè)渦輪入口外徑為d1，導(dǎo)流盤內(nèi)徑為d2，引線出口直徑為d3，則入口截面積為：

引線出口截面積為：

其中

d1=88.74 mm；

d2=89.23 mm；

d3=8.4 mm；

將其帶入截面積計(jì)算公式，可以得出：

S1=68.49 mm2；

S1=55.41 mm2；

所以，因?yàn)槿肟诮孛婷娣e大于出口截面面積，當(dāng)流量較小時(shí)氣流會(huì)從線圈引線出口全部流出；但是隨著轉(zhuǎn)速上升，主氣路流量增加時(shí)，流入機(jī)身內(nèi)部的氣體流量也會(huì)持續(xù)增加，這樣就會(huì)在機(jī)身內(nèi)部形成壓力分布，為了定性分析機(jī)身內(nèi)部的壓力分布，建立了物理模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示，顏色的深淺代表壓力的大小，顏色由白到淺灰再到深灰，壓力越來越大。

圖3 殼體內(nèi)壓力分布圖

選取4種工況條件，分別進(jìn)行模擬，其結(jié)果如表1所示。由表可以看出，隨著主路驅(qū)動(dòng)氣輸氣量的增加，機(jī)身內(nèi)部的壓力分布也在發(fā)生變化，并且磁盤2正背面的壓差越來越大，代表著機(jī)身內(nèi)部的氣壓對(duì)磁盤形成了一個(gè)向左的推力，由圖4上看，即形成一個(gè)向右的軸向力。轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中軸向受力情況如圖4所示。

圖4 軸向受力分析圖

表1 數(shù)值模擬結(jié)果列表

由圖可以看到，由于壓氣機(jī)輪為直葉片，軸向力很小，可以忽略不計(jì)。所以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到的力有壓氣機(jī)端止推軸承對(duì)止推盤向右的軸向力F1、渦輪端止推軸承對(duì)止推盤向左的軸向力F2、氣流對(duì)透平輪向左的軸向力F3以及機(jī)身內(nèi)部由于壓力分布產(chǎn)生的向右的軸向力F4。而發(fā)生軸向碰摩的原因就是這4個(gè)力在軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行過程中的相對(duì)大小發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向位移，當(dāng)位移距離大于轉(zhuǎn)子與軸承之間的軸向間隙時(shí)，就會(huì)發(fā)生軸向碰摩。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中兩路軸承氣的供氣壓力都為0.7 MPa，圖5為升降速時(shí)間—頻率—幅值三維譜圖，譜圖的橫坐標(biāo)為升速頻率，縱坐標(biāo)為升降速時(shí)間，而圖中顏色的深淺則代表振動(dòng)幅值的大小，顏色越明亮則代表振幅越大。由圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高轉(zhuǎn)速21 578 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向碰摩，轉(zhuǎn)速瞬間下降，振動(dòng)幅值顯著增加。

圖5 升降速過程時(shí)間—頻率—幅值三維譜圖

圖6至圖8為軸向碰摩發(fā)生前、發(fā)生時(shí)及脫離碰摩后對(duì)應(yīng)的軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)。圖6是在最高轉(zhuǎn)速之前20 787 r/min時(shí)刻的軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)，可以看出此時(shí)軸心軌跡按照周期一穩(wěn)定運(yùn)行，工頻振動(dòng)幅值為97.47 μm。圖7為發(fā)生軸向碰摩時(shí)的軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為20 228 r/min，工頻最高幅值為67.82 μm，但是存在一個(gè)較寬的工頻頻帶，從時(shí)域波形上，可以看出其通頻單峰值達(dá)200 μm左右，且存在振幅變化情況。在發(fā)生碰磨瞬間，軸心軌跡存在突變現(xiàn)象，振幅突然增加，然后減小，由圖8碰摩過程中通頻幅值時(shí)域變化圖也可以看出幅值的突變。圖9為脫離碰摩后軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)圖，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為15 373 r/min。由圖可以看出，此時(shí)軸心軌跡基本恢復(fù)到周期一運(yùn)行，時(shí)域波形規(guī)則，按照正弦波變化，工頻幅值為82.54 μm。

圖6 碰摩前轉(zhuǎn)子軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)

圖7 碰摩中轉(zhuǎn)子軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)

圖8 轉(zhuǎn)子碰摩過程中通頻幅值變化

圖9 碰摩后轉(zhuǎn)子軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)

圖10為在整個(gè)軸向碰摩過程中的軸心軌跡變化圖，圖中藍(lán)色(第一圈)軸心軌跡為碰摩前20 787 r/ min轉(zhuǎn)速下軸心軌跡，紅色(第二圈)軸心軌跡為碰摩降速時(shí)20 228 r/min轉(zhuǎn)速下軸心軌跡，黑色(第三圈)軸心軌跡為退出碰摩后15 373 r/min轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)軸心軌跡，可以看出軸心軌跡的變化趨勢為振幅較小的周期一運(yùn)行→振幅增加并突然增大→較大振幅的周期一運(yùn)行。

圖10 碰摩過程中軸心軌跡變化

試驗(yàn)完成后對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆機(jī)檢查，圖11為示意圖，可以看出，在轉(zhuǎn)子止推面有明顯的與氣體石墨軸承碰摩產(chǎn)生的摩痕，這也驗(yàn)證了前面理論及試驗(yàn)分析的結(jié)論。

圖11 轉(zhuǎn)子止推面與止推軸承碰摩示意圖

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)輸入能量保持不變時(shí)，軸向碰摩消耗能量，必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降，而且是在短時(shí)間內(nèi)的突降，其必將影響軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，危害設(shè)備的安全運(yùn)行，并加速氣體軸承的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣體軸承的斷裂、報(bào)廢及轉(zhuǎn)子的彎曲變形。所以在高速透平發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，要時(shí)刻監(jiān)測轉(zhuǎn)子的軸向位移，并通過調(diào)節(jié)兩路軸承供氣壓力的相對(duì)大小、擴(kuò)大線圈引線出口截面積、改善止推軸承推理性能使軸承止推力遠(yuǎn)大于由其他因素引起的軸向力等措施來避免軸向碰摩的發(fā)生。

4 結(jié)語

以高速透平發(fā)電機(jī)的采用氣體靜壓徑向-止推聯(lián)合軸承支承的雙止推面、四磁盤結(jié)構(gòu)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過對(duì)軸向碰摩的機(jī)理進(jìn)行分析，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1）軸向力的相對(duì)大小發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向位移，當(dāng)位移大于轉(zhuǎn)子與軸承之間軸向間隙時(shí)，發(fā)生了軸向碰摩；

（2）軸向碰摩一般伴隨著轉(zhuǎn)速突降、軸心軌跡突變及頻譜結(jié)構(gòu)存在較寬工頻頻帶等故障特征；

（3）通過監(jiān)測轉(zhuǎn)子軸向位移，調(diào)節(jié)兩路軸承供氣壓力的相對(duì)大小、擴(kuò)大線圈引線出口截面積、改善止推軸承推理性能能夠有效消除軸向碰摩的發(fā)生。

[1]王順康，周榮成，任浩瀚.分布式供能系統(tǒng)的運(yùn)行分析及優(yōu)化研究[J].華東電力，2012，40（12）：2311-2313.

[2]隋軍，金紅光.我國分布式供能關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].發(fā)電與空調(diào)，2012，（4）：1-4.

[3]游磊，胡俊，古沐松，等.基于二進(jìn)小波能量自功率譜的轉(zhuǎn)子碰磨故障特征提取[J].煤礦機(jī)械，2013，34（2）：239-241.

[4]張乃強(qiáng).汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸徑向碰磨的分析及研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2005，1.

[5]丁千.轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)受軸向摩擦?xí)r的振動(dòng)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2004，26（2）：132-137.

[6]安學(xué)利，周建中，李超順，等.碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在軸向推力作用下的分岔研究[J].熱能動(dòng)力工程，2009，24（4）：437-441.

[7]陳虹微.離心壓縮機(jī)碰摩振動(dòng)建模及改進(jìn)方法[J].噪聲與振動(dòng)控制，2013，33（2）：205-210.

[8]單穎春，劉獻(xiàn)棟，張洪婷.渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的振動(dòng)分析及故障診斷[J].噪聲與振動(dòng)控制，2006，26（1）：73-76.

Experimental Study onAxial Rub-impact Fault of a High-speed Turbine Generator

BIAN Ji-chao1,FU Zhong-guang1,YANG Jin-fu2, YU Ming-tao1,WANG Zheng-wei1
（1.School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University, Beijing 102206,China; 2.Institute of Engineering Thermo Physics,ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100190,China)

The axial rub-impact fault of a high-speed turbine generator was studied.The high-speed aerostatic bearingrotor system with the structure of single span and four disks was considered.The time-frequency-amplitude waterfall diagrams,spectrum structure and shaft center trajectory were analyzed to obtain the typical features of the axial rub-impact caused by the change of axial forces.The mechanism,development process and improvement measures of the axial rub-impact were analyzed.Experimental results show that the axial rub-impact is usually accompanied by sudden speed drop and sudden change of the shaft center trajectory,and wide working frequency band.The experiment may provide a reference for on-line monitoring,pattern recognition and fault diagnosis for axial rub-impact of turbine generators.

vibration and wave;mechanics;turbine generator;axial rubbing;fault diagnosis

TH113.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.032

1006-1355(2015)02-0149-04+162

2014－09－22

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAA11B02）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（13XS10）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2014ZZD04）

邊技超（1987－），男，河北任丘人，博士生，主要研究方向：旋轉(zhuǎn)機(jī)械非線性振動(dòng)及故障診斷。E-mail:bianjichao111@163.com

付忠廣（1963－），男，博士生導(dǎo)師。E mail:fzg@ncepu.edu.cn