靜壓氣體軸承
——渦輪發電機軸系振動特性分析

唐長亮，韓東江，楊金福

（1.北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192；2.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190）

0 引言

渦輪發電機的研究起源于20世紀70年代的世界石油危機。美國首先提出了朗肯循環渦輪發電機，將朗肯循環系統、渦輪膨脹機以及發電機相結合，實現對低溫熱能的能量回收。經過近幾十年的發展，法國Cryostar、韓國Turbo等國外渦輪機械公司已經開發出成熟商業化產品，廣泛應用于電力、化工行業的尾氣能量回收。由于渦輪工作轉速遠高于普通感應電機的工作轉速，因此傳統渦輪發電機一般使用減速器與發電機連接，軸系結構復雜、傳動效率偏低、運轉可靠性差，嚴重制約了其使用和發展。隨著高速永磁電機技術的發展，先進渦輪發電機均采用透平與高速永磁電機同軸連接，為減小軸承損耗，采用氣體懸浮軸承支承，有效克服了傳統渦輪發電機的缺點，系統能效和可靠性大幅提高。

高速永磁電機從結構形式上分為徑向磁場電機（常規柱式電機）和軸向磁場電機。目前，多數渦輪發電機均采用柱式電機，軸系跨距較大，降低了系統整體的功率密度以及軸系動力學的穩定性。盤式永磁電機為軸向磁場電機的發展，與常規柱式電機相比，具有功率密度大、轉矩大、軸向長度小的突出優點，適合應用于對空間要求更為嚴格的渦輪發電軸系。

結合在研項目需求，提出一種新型渦輪發電機結構，在軸系上對稱安裝4個盤式永磁電機轉子，采用氣體靜壓軸承支承。氣體潤滑軸承分為靜壓、動壓和動靜壓混合3種類型。作為潤滑介質的氣體黏度較低，軸承摩擦阻力和功耗很小，與滾珠軸承和油膜軸承相比，避免了復雜的油泵、滑油箱以及油霧污染。對于氣體軸承支承的高速旋轉軸系，非線性氣膜力導致的氣膜渦動、氣膜振蕩等軸系非線性動力學行為研究，是高速微型動力產品研發的關鍵技術瓶頸之一。Lund近似分析了動靜壓混合軸承產生的氣膜渦動和氣錘現象。供氣壓力對氣體軸承的特性影響較大，G.Belforte和Florin Dimofte的研究發現，提高供氣壓力可以推遲甚至抑制低頻渦動，提高軸承穩定運行的轉速區間。Keun Ryu研究了供氣壓力與氣膜剛度的關系，較大的供氣壓力可以提高氣膜剛度，從而提高軸系的臨界轉速。郭俊試驗研究了供氣壓力對低頻渦動的影響，得出其研究結論。韓東江開展了低頻振動特性試驗研究，考慮氣膜壓力與彈性支承的耦合作用。

1 試驗系統

圖1 試驗系統結構

試驗系統結構如圖1所示，主要由供氣系統、控制系統、試驗臺本體以及數據采集分析系統組成。供氣系統采用空氣壓縮機產生1 MPa，1000 m3/h的高壓常溫空氣，經由主路和軸承氣支路輸送到試驗臺本體，分別驅動渦輪發電機和懸浮靜壓氣體軸承。通過控制系統實現氣路中各閥門開度控制，以調節主路空氣和軸承氣的流量和壓力，進而調節透平發電機升速率和氣體軸承的承載特性。為監測透平發電機的軸系振動，分別在壓氣機端、渦輪端的水平以及垂直方向布置電渦流位移傳感器，并在壓氣機端加工鍵槽，監測其鍵相信號。

渦輪發電機軸系結構，如圖2（a）。靜壓氣體軸承結構示意，如圖2（b）。透平發電機由2個帶有止推面的靜壓氣體軸承支承，分別由管路1和管路2供氣，供氣壓力一般在（0.4～0.7）MPa。透平發電機兩端對稱布置2對盤式永磁電機，線圈繞組安置于2個盤式永磁轉子之間，氣隙約為0.7 mm；轉軸采用凸臺結構，材料為40Cr，轉軸與透平、壓氣機以及盤式電機轉子均采用鍵聯結，軸系總長370 mm，跨距為 65 mm。

轉子選用小孔節流式純靜壓氣體軸承支承。氣體軸承外緣加工有環向槽用以安裝O形橡膠圈，具有較好的阻尼減振和柔性支承的作用。軸承材料選用石墨合金，具有良好的自潤滑和耐高溫特性。氣體軸承徑向和軸向均設計有節流小孔，軸承內直徑為25 mm，內徑加工有2排節流小孔，分別沿著圓周方向均布16個，軸承側面靠近外緣位置沿著圓周方向也均布了16個小孔，外界供氣后可以產生徑向和軸向止推氣膜力。靜壓氣體軸承結構，圖 2（b）。

圖2 （a） 氣體軸承透平發電軸系

圖2 （b） 靜壓氣體軸承結構

2 試驗結果及分析

圖3 升降速時間三維譜圖

試驗過程中的時間三維譜圖，如圖3所示。升速過程中，當轉速達到12 235 r/min時（閥門開度0.28），軸系出現轉速飛升現象，即轉速從12 235 r/min，在（1～2 s）突增到22 971 r/min（閥門開度為0.30）。為避免軸系進一步轉速突增，將閥門開度重新調整為0.28，軸系轉速由22 971 r/min降到22 812 r/min，進而平穩升速。如圖4所示為飛升轉速12 235 r/min對應的軸心軌跡，為多周期運動狀態，可以推測渦輪做功主要轉化為振動能量存儲，然后突然釋放轉化為轉動動能，使轉速徒增。

圖4 所 軸心軌跡（12 235 r/min）

如圖5所示為A區域的狀態細節，可以看到當轉速達到38 785 r/min時，軸系出現低頻振動。在1～2區域的轉速范圍為（38 785～40 480）r/min，此時低頻頻率保持在 139.42 Hz。當轉速達到40 480 r/min時，低頻頻率從139.42 Hz突變到144.23 Hz。2～3區域轉速穩定在40 480 r/min，此區域低頻保持為144.23 Hz，比1/4工頻略低。

圖5 A區域時間三維譜圖

在圖 5 中，3～4 區域的轉速為（40 480～38 942）r/min，三維譜圖上出現了較寬的頻帶，此種特征一般由輕微碰摩引起，轉速也有一個下降，整個過程主氣路保持流量輸入不變，能量在各個頻率之間不斷地轉化與分配。

4～5區域對應的轉速范圍為（38 942～37 907）r/min，此階段低頻頻率保持在211.54 Hz，軸心軌跡顯示為周期三狀態。當轉速降低到37 907 r/min時，主氣路切斷，轉速降為0，整個1——2——3——4——5階段其軸心軌跡變化為：擬周期——紊亂擬周期——紊亂碰摩混沌——周期三。

通過軸心軌跡和龐加萊截面，可以判斷軸系運動狀態為擬周期運動，軸心軌跡呈現橢圓狀，圖6。圖7所示，當軸系轉速達到40 472 r/min時，軸系軸心軌跡紊亂程度增加，龐加萊截面顯示為封閉圓環，說明軸系仍然處于擬周期運動狀態，但是振幅增大較多。

圖6 軸心軌跡和龐加萊截面（39 598 r/min）

圖7 軸心軌跡和龐加萊截面（40472 r/min）

見圖8，當軸系轉速達到41 882 r/min時，由于振幅持續增大，軸系發生了輕微碰摩，但是軸心軌跡還沒有呈現出削峰現象，龐加萊截面顯示為一些不規則的散點，可以認為軸系處于混沌運動狀態。因為碰摩消耗了較多的轉動動能，類似于剎車盤的作用，轉速有較明顯的降低，監測軸心軌跡為周期三運動狀態，龐加萊截面為3個點。見圖9。

圖8 軸心軌跡和龐加萊截面（41882 r/min）

圖9 軸心軌跡和龐加萊截面（41882 r/min）

3 結論

（1）對一種軸向磁場的新型渦輪發電機軸系進行升降速振動測試，軸系轉速飛升時軸心軌跡為多周期狀態。

（2）當轉速達到38 785 r/min時，軸系出現低頻振動。在1～2區域的轉速范圍為（38 785～40 480）r/min，此時低頻頻率保持在139.42 Hz。當轉速達到40 480 r/min，低頻頻率從139.42 Hz突變到144.23 Hz。

（3）結合軸心軌跡和龐加萊截面分析，軸系整個1—2—3—4—5階段的軸心軌跡變化為擬周期、紊亂擬周期、碰摩混沌、周期3。