于明濤,付忠廣,楊金福,邊技超,王正威(.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京006;.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,北京0090)
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高速渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)載特性試驗(yàn)
于明濤1,付忠廣1,楊金福2,邊技超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(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100190)
摘要:以氣體軸承支撐的高速渦輪發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象,研究電機(jī)電負(fù)載對(duì)軸系穩(wěn)定性影響,對(duì)比分析電機(jī)在不帶電負(fù)載和帶電負(fù)載兩種情況下軸系振動(dòng)特性,借助時(shí)間三維譜圖、頻譜圖、軸心軌跡等詳細(xì)分析升速區(qū)域內(nèi)振動(dòng)特性,并且對(duì)比分析以上兩種工況下能量輸出情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后不僅會(huì)使軸系振動(dòng)加劇,而且會(huì)改變能量的輸出比例。
關(guān)鍵詞:振動(dòng)與波;高速渦輪發(fā)電機(jī);電負(fù)載;試驗(yàn)研究
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越關(guān)注能源系統(tǒng)環(huán)境問(wèn)題,高速渦輪發(fā)電機(jī)作為分布式供能系統(tǒng)重要組成部分,由于節(jié)能、環(huán)保、可增加用戶(hù)電力可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外已受到廣泛重視[1]。多年來(lái)軸承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性研究取得了一系列成果,電機(jī)帶電負(fù)載后軸系會(huì)受到電磁力和滑動(dòng)軸承氣膜力的合力[2,3],由于以氣體軸承支撐的高速渦輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速高和軸系振動(dòng)呈現(xiàn)出高度的非線(xiàn)性,機(jī)組軸系受到輕微的外力激勵(lì)就會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)加劇,從而嚴(yán)重威脅機(jī)組的運(yùn)行安全[4,5]。
高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題是一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題,關(guān)系到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能否穩(wěn)定安全的工作,因此受到研究人員的關(guān)注。國(guó)內(nèi)在高速渦輪轉(zhuǎn)子的靜態(tài)特性和振動(dòng)仿真方面做的工作較多,而在渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)方面做的工作并不多,2004年,楊金福[6]提出了軸承與轉(zhuǎn)子的流固耦合調(diào)頻原理及工程穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則,從而奠定了團(tuán)隊(duì)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
2008年,陳策對(duì)動(dòng)靜壓混合氣體潤(rùn)滑軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行大量試驗(yàn)研究,并且給出轉(zhuǎn)子由周期運(yùn)動(dòng)進(jìn)入混沌的過(guò)程[7]。本文以高速渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)并搭建高速渦輪發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)是否引入發(fā)電機(jī)電負(fù)載進(jìn)行對(duì)比升速試驗(yàn),分析軸系在不同電負(fù)載情況下的升速特性響應(yīng),研究發(fā)電機(jī)電負(fù)載對(duì)高速渦輪轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響,并且通過(guò)對(duì)比兩次試驗(yàn)冷熱電的輸出情況得到電負(fù)載對(duì)能量輸出的影響。
試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括四部分,供氣系統(tǒng),控制系統(tǒng),試驗(yàn)臺(tái)本體以及數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)可提供壓力范圍為0.3 MPa~1.0 MPa、流量范圍為0~1 500 Nm3/h的驅(qū)動(dòng)氣源,供氣管路上布置壓力、溫度、流量傳感器以及主動(dòng)控制閥門(mén);控制系統(tǒng)可以控制軸承氣以及驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的流量,進(jìn)而控制軸承供氣壓力和轉(zhuǎn)子升速率;采集系統(tǒng)由電渦流位移傳感器和數(shù)據(jù)采集儀組成,用于測(cè)量和采集靠近軸承處轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移以及鍵相信號(hào)[8]。試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖
試驗(yàn)對(duì)象為由氣體軸承支承的高速渦輪發(fā)電機(jī),軸系兩端為渦輪和壓氣機(jī),在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還能通過(guò)膨脹和壓縮空氣分別產(chǎn)生冷量和熱量,試驗(yàn)中所用的盤(pán)式電機(jī)由2個(gè)磁盤(pán)和1個(gè)線(xiàn)圈組成,磁盤(pán)固定在轉(zhuǎn)軸上為動(dòng)子,線(xiàn)圈固定在缸體上為靜子,磁盤(pán)的磁感應(yīng)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)后切割線(xiàn)圈產(chǎn)生電流。試驗(yàn)過(guò)程中先布置好各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)及溫度探頭,再將軸承氣壓力調(diào)到0.7 Mpa,通過(guò)改變線(xiàn)圈與外接電負(fù)載的連接來(lái)控制發(fā)電機(jī)電負(fù)載對(duì)軸系的作用,試驗(yàn)方案如下:
(a)發(fā)電機(jī)不接電負(fù)載作為對(duì)照,進(jìn)行轉(zhuǎn)子升速實(shí)驗(yàn),穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為42000r/min。
(b)發(fā)電機(jī)接電負(fù)載,保證其他條件不變,進(jìn)行對(duì)比升速實(shí)驗(yàn),負(fù)載隨轉(zhuǎn)速升高不斷增大,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為42000r/min。
在沒(méi)有帶電負(fù)載時(shí)機(jī)組軸系主要受到氣膜力和不平衡質(zhì)量的影響,增加電負(fù)載后線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生電流會(huì)使軸系溫度升高,可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組軸系發(fā)生熱彎曲增加不平衡質(zhì)量,另外當(dāng)N極和S極磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),根據(jù)電磁吸引力的計(jì)算公式為:F=B2A/2μ,電磁吸引力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比(A為做功面積,μ為磁導(dǎo)率),導(dǎo)致N、S極下的電磁力發(fā)生變化,使轉(zhuǎn)子發(fā)生磁不平衡的振動(dòng),軸系受到磁不平衡和熱不平衡的作用,會(huì)嚴(yán)重影響軸系的穩(wěn)定運(yùn)行[9,10],因此在下面的試驗(yàn)中通過(guò)兩組對(duì)比試驗(yàn),重點(diǎn)研究在臨界轉(zhuǎn)速處和氣膜振蕩區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)特性。
2.1臨界轉(zhuǎn)速對(duì)比分析
如圖2所示為軸系轉(zhuǎn)速幅值曲線(xiàn),無(wú)電負(fù)載時(shí)臨界轉(zhuǎn)速為11 971 r/min,在臨界轉(zhuǎn)速處的振動(dòng)幅值為11.1 μm,帶電負(fù)載后臨界轉(zhuǎn)速為11 697 r/min,振動(dòng)幅值為26.3 μm,與無(wú)電負(fù)載時(shí)相比臨界轉(zhuǎn)速提前了300 r/min,臨界轉(zhuǎn)速處的振動(dòng)幅值增大了15.2 μm,可見(jiàn)增加電負(fù)載后軸系在臨界轉(zhuǎn)速處的振幅急劇增大。臨界轉(zhuǎn)速ω=k/m,帶電負(fù)載后軸系會(huì)受到不平衡磁拉力的影響,使軸系受到的不平衡質(zhì)量力m增大,根據(jù)公式臨界轉(zhuǎn)速ω會(huì)相應(yīng)的減小,因此與不帶電負(fù)載時(shí)相比臨界轉(zhuǎn)速提前了300r/min。
圖2 轉(zhuǎn)速幅值曲線(xiàn)
2.2低頻特性對(duì)比分析
圖3為無(wú)負(fù)載時(shí)的時(shí)間三維譜圖,橫坐標(biāo)代表頻率,縱坐標(biāo)代表時(shí)間,譜圖的亮度代表振幅的大小,顏色越亮幅值越大。
圖3 無(wú)電負(fù)載時(shí)的三維譜圖
譜圖中出現(xiàn)兩條曲線(xiàn),一條為工頻曲線(xiàn),從工頻曲線(xiàn)中可以看出,整個(gè)升速過(guò)程平穩(wěn),最高轉(zhuǎn)速為43 200 r/min。圖中另外一條曲線(xiàn)為低頻曲線(xiàn),在轉(zhuǎn)速為38 700 r/min時(shí)出現(xiàn),一直持續(xù)到最高轉(zhuǎn)速,低頻的頻率為153 Hz,鎖定在固有頻率150 Hz至200 Hz區(qū)間不再變化。
圖4為帶電負(fù)載時(shí)的時(shí)間三維譜圖,從圖中可以看出,在轉(zhuǎn)速39 300 r/min時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)了一段不連續(xù)的低頻,斷斷續(xù)續(xù),低頻頻率維持在152 Hz至155 Hz之間。分析此處低頻出現(xiàn)間斷的原因:帶電負(fù)載后軸系不僅受到不平衡質(zhì)量力和氣膜力的作用,而且還受到電磁力的作用,多個(gè)力在一起的耦合作用導(dǎo)致了不連續(xù)低頻的出現(xiàn)。從圖中可以看出隨著轉(zhuǎn)速升高低頻頻率會(huì)略有增大,這是由于氣浮轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下具有動(dòng)壓效果,轉(zhuǎn)速越高氣膜剛度越大,使得固有頻率增高。
圖4 帶電負(fù)載時(shí)的三維譜圖
圖5 無(wú)電負(fù)載時(shí)低頻區(qū)域頻譜圖與軸心軌跡圖
圖5為無(wú)電負(fù)載時(shí)氣膜振蕩的典型軸心軌跡和頻譜圖,由圖形可以看出,不帶電負(fù)載時(shí)隨著轉(zhuǎn)速升高渦輪端的軸心軌跡圖形始終處于周期一運(yùn)行狀態(tài),整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有出現(xiàn)多周期運(yùn)行現(xiàn)象,也就是說(shuō)在此期間分頻能量不足以影響到工頻。在轉(zhuǎn)速達(dá)到38 700 r/min之后出現(xiàn)了一個(gè)低頻,其頻率維持在148 Hz~157 Hz之間,低頻的幅值隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸變大,在轉(zhuǎn)速43104r/min時(shí)低頻振幅為6.31μm。
圖6為帶電負(fù)載時(shí)氣膜振蕩的軸心軌跡和頻譜圖,由下面的圖形可以看出,在轉(zhuǎn)速為42 000 r/min之前軸心軌跡仍然呈現(xiàn)出周期一運(yùn)行狀態(tài),只是到43 000 r/min時(shí)軸心軌跡在水平方向出現(xiàn)了‘竄動(dòng)’,分析其原因:可能是由于增加電磁力后影響了水平方向上的平衡狀態(tài),造成軸系在水平方向移動(dòng)。從頻譜圖上可以看出在轉(zhuǎn)速達(dá)到39 300 r/min之后出現(xiàn)了一個(gè)低頻,其頻率維持在148 Hz~157 Hz之間,低頻的幅值隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸變大,在轉(zhuǎn)速為43104r/min時(shí)低頻振幅為10.13μm。與帶電負(fù)載前相比,帶電負(fù)載后低頻出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速向后推遲了600 r/ min,低頻幅值增大了3.82μm。
圖6 帶電負(fù)載時(shí)低頻區(qū)域頻譜圖與軸心軌跡圖
圖7 帶電負(fù)載時(shí)分叉圖
圖7是帶電負(fù)載時(shí)的分岔圖,分岔圖是將計(jì)算各轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子振動(dòng)的Poincarè截面圖按轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)排列起來(lái)得到的圖形。當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)只受到不平衡質(zhì)量力作用下處于周期一狀態(tài)時(shí),Poincarè截面圖中僅會(huì)出現(xiàn)一個(gè)截點(diǎn),對(duì)應(yīng)到分岔圖當(dāng)中表現(xiàn)為分岔圖形呈現(xiàn)線(xiàn)狀;而當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到不平衡質(zhì)量力、氣膜力、電磁力等多個(gè)力作用下,呈現(xiàn)非線(xiàn)性振動(dòng)時(shí),Poincarè截面圖將會(huì)發(fā)生變化,當(dāng)轉(zhuǎn)子處于混沌狀態(tài)時(shí),其Poincarè截面圖呈現(xiàn)分散堆積的散點(diǎn)云圖,對(duì)應(yīng)在分岔圖形則必然呈現(xiàn)云狀。
從圖8的低頻區(qū)域工頻振幅曲線(xiàn)可以看出,在轉(zhuǎn)速達(dá)到41 000 r/min之前,相同轉(zhuǎn)速下帶電負(fù)載后的工頻振幅比帶電負(fù)載前的工頻振幅大5 μm,之后隨著轉(zhuǎn)速升高,在42 000 r/min附近帶電負(fù)載時(shí)低頻振幅突然增加,從而導(dǎo)致了工頻振幅的突然增大,此時(shí)兩次試驗(yàn)工頻幅值的差值為7μm。
2.3能量輸出對(duì)比分析
第一次試驗(yàn)中沒(méi)有帶電負(fù)載,設(shè)備通過(guò)壓縮和膨脹空氣產(chǎn)生熱量和冷量,在轉(zhuǎn)速為43000r/min時(shí)制熱溫度為54.3℃,制冷溫度為-20.8℃。將環(huán)境溫度設(shè)定為25℃,功率計(jì)算公式為p=cΔt,如圖9所示,可以計(jì)算出輸出功率隨著輸入能量增加的變化曲線(xiàn)。
隨著輸入功率的增加,輸出的制冷功率呈線(xiàn)性增加,由于開(kāi)始階段從壓氣機(jī)輸出空氣溫度小于設(shè)定的環(huán)境溫度,因此一直到轉(zhuǎn)速為2.3 kW之后才有制熱功率輸出,隨著輸入功率的增大輸出的制熱功率也逐漸增大。
從輸出功率比例曲線(xiàn)可以看出,輸出的制冷功率占了很大比例,這是由于渦輪端的出口空氣溫度非常低,與環(huán)境溫度之間的溫差很大,因此計(jì)算出來(lái)的制冷功率占很大比例。在轉(zhuǎn)速為42 000 r/min時(shí),輸出制冷功率占輸出總功率的87 %,輸出制熱功率占輸出總功率的13%。
圖8 低頻區(qū)域內(nèi)的工頻振幅
圖9 無(wú)電負(fù)載時(shí)輸出冷熱能量曲線(xiàn)
圖10 帶電負(fù)載時(shí)輸出冷熱電能量曲線(xiàn)
第二次試驗(yàn)中電機(jī)帶電負(fù)載,設(shè)備能同時(shí)輸出冷、熱、電三種形式的能量,在轉(zhuǎn)速為43 000 r/min時(shí)制熱溫度為34.8℃,制冷溫度為-13.8℃。圖10為這三種能量的功率隨輸入能量的變化曲線(xiàn),輸出的制冷功率與輸入功率呈線(xiàn)性關(guān)系;在主氣路功率為4.5 kW之后才有輸出的制熱功率,制熱功率隨著輸入功率逐漸增大;電功率也隨著輸入功率的增加呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。從輸出功率比例曲線(xiàn)可以看出,在剛開(kāi)始階段制熱功率為0,所以發(fā)電功率所占比例較大,制熱功率開(kāi)始出現(xiàn)后發(fā)電功率逐漸減小,而制冷功率隨著轉(zhuǎn)速增加基本維持在一個(gè)定值。在轉(zhuǎn)速42 000 r/min時(shí)制冷比例為84 %,制熱比例為6 %,發(fā)電比例為10 %,與無(wú)電負(fù)載時(shí)相比較制冷比例減少了3%,制熱功率減少了7%。
圖11為兩次試驗(yàn)的對(duì)比曲線(xiàn),可以看出隨著主路流量的增加無(wú)電負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速要比帶電負(fù)載時(shí)大,而且無(wú)電負(fù)載時(shí)輸出總功率(制冷功率與制熱功率之和)也要大于帶電負(fù)載時(shí)的總功率(制冷功率、制熱功率與發(fā)電功率之和),這是因?yàn)樵谳敵瞿芰恐兄评淞空己艽蟊壤评淞看笮∮峙c轉(zhuǎn)速密切相關(guān),因此在相同流量下無(wú)電負(fù)載時(shí)輸出總功率要大于帶電負(fù)載時(shí)輸出總功率。
搭建了氣體軸承支撐的高速渦輪發(fā)電機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)三維譜圖、軸心軌跡、頻譜圖對(duì)帶電負(fù)載前后軸系振動(dòng)特性和輸出能量進(jìn)行分析,從分析中可以得到以下結(jié)論:
(1)帶電負(fù)載后臨界轉(zhuǎn)速提前了300 r/min,而且在臨界轉(zhuǎn)速處振動(dòng)幅值增大15.2μm。
(2)帶電負(fù)載后氣膜振蕩開(kāi)始的轉(zhuǎn)速向后推遲600 r/min,而且氣膜振蕩區(qū)域內(nèi)工頻振幅比帶電負(fù)載前工頻振幅大7μm。
(3)在相同的主氣路流量下,帶電負(fù)載后輸出總功率要小于帶電負(fù)載前輸出總功率。
圖11 兩次實(shí)驗(yàn)冷熱對(duì)比曲線(xiàn)
參考文獻(xiàn):
[1]丁千.轉(zhuǎn)子碰磨運(yùn)動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2000,15(2):191-195.
[2]張國(guó)淵,黃海舟,周淼.油膜力和電磁力作用下發(fā)電機(jī)組非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型及穩(wěn)定性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(15):712-718.
[3]趙廣,于賀春,馬文琦,等.轉(zhuǎn)子-氣體軸承-彈性支承系統(tǒng)研究綜述[J].潤(rùn)滑與密封,2010,(11):115-122.
[4]馬文琦,于賀春,孫昂.氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].潤(rùn)滑與密封,2010,(6):121-125.
[5]陳勇,趙黛青.中國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展若干重大問(wèn)題研究[M].北京:科學(xué)出版社,2007.
[6]楊金福,劉占生,于達(dá)仁,等.滑動(dòng)軸承非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)油膜力及穩(wěn)定性的研究[J].動(dòng)力工程,2004,24(4):501-504.
[7]陳策.軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)行為及其耦合調(diào)頻技術(shù)研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,2008.
[8]韓東江,楊金福.氣浮軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2012,25(6):680-685.
[9] Park J K, Kim K W. Stability analyses and experiments of spindlesystem using new typeof slotrestricted gasjournal bearings[J]. Tribology International, 2004, 37(6):451-462.
[10]郭力,胡斌,李柏巖,等.燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)故障的診斷[J].廣東電力,2010,23(4):81-85.
[11]付忠廣,邊技超,楊金福,等.高速氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速飛升故障的試驗(yàn)[J].噪聲與振動(dòng)控制,2015,35(4):124-128.
[12]邊技超,付忠廣,楊金福,等.高速透平發(fā)電機(jī)軸向碰摩故障的試驗(yàn)[J].噪聲與振動(dòng)控制,2015,35(3):149-152.
Load Characteristic Test of a High Speed Turbine Generator
YU Ming-tao1, FU Zhong-guang1, YANG Jin-fu2, BIAN Ji-chao1, WANG Zheng-wei1
(1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North ChinaElectric Power University, Beijing 102206, China; 2. Instituteof Engineering Thermo Physics, ChineseAcademy of Sciences, Beijing 100190, China)
Abstract:With the high speed turbine generator supported by gas bearing as an object, the influence of electromagnetic forces on themotor shaft stability was studied. Thevibration characteristics of themotor shaft system with and without power load were compared and analyzed. With help of three-dimensional spectrum, frequency spectrum and centroid orbit, the vibration characteristics of the shaft in the acceleration range were analyzed in detail. The experimental resultsshow that thegenerator loadcanaffect thestability of thewholesystemandchangetheoutput ratioof energy.
Key words:vibrationandwave; highspeedturbogenerator; power load; experimental study
通訊作者:付忠廣,男,博士生導(dǎo)師。E-mail:fzg@ncepu.edu.cn
作者簡(jiǎn)介:于明濤(1988-),男,河南省平頂山市人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榉蔷€(xiàn)性動(dòng)力學(xué)。
基金項(xiàng)目:“分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)”資助項(xiàng)目(2012BAA11B02)
收稿日期:2015-08-14
文章編號(hào):1006-1355(2016)02-0199-06
中圖分類(lèi)號(hào):TH113
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI編碼:10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.044