摘要：能源問題已被列為世界上研究的重大問題之一，針對能源的高效利用、節能減排以及新能源的開發，世界各國學者展開了大量的研究工作。在能量回收利用領域透平發電機具有較為廣泛的應用，新型透平發電機在結構採用氣體靜壓軸承支承，其軸系上對稱安裝有4個盤式永磁電機轉子。針對新型透平發電機進行動力學試驗，透過分岔圖、典型轉速的軸心軌跡和龐加萊截面、伯德圖、時間三維譜圖就軸系的振動特性進行了分析，以期為今後的試驗提供有利參考。
關鍵詞： 發電機 振動測試 氣體軸承 盤式永磁電機 軸系 透平
1、引言
世界範圍內，能源問題日益突出，各國學者針對能源的高效利用、節能減排以及新能源的開發做了大量的研究工作。透平發電機在能量回收利用領域具有較為廣泛的應用，在高爐氣、煙氣、化工尾氣以及天然氣油田氣能量回收方面都有較為成熟的應用[1-3]。透平發電機的研究起源於上世紀70年代的世界石油危機。美國首先提出了朗肯迴圈透平發電機，將朗肯迴圈系統、透平膨脹機以及發電機相結合，實現對低溫熱能的能量回收[4]。由於透平工作轉速遠高於普通感應電機的工作轉速，因此傳統透平發電機一般使用減速器與發電機連線，軸系結構複雜、傳動效率偏低、運轉可靠性差，嚴重製約了其使用和發展[5]。隨著高速永磁電機技術的發展，先進透平發電機均採用透平與高速永磁電機同軸連線，為減小軸承損耗，採用氣體懸浮軸承支承，有效克服了傳統透平發電機的缺點，系統能效和可靠性大幅提高[6-11]。高速永磁電機是現代透平軸系的重要組成部件，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，多數透平發電機均採用柱式電機，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，適合應用於對空間要求更為嚴格的透平發電軸系[12]。透平發電機是涉及機械、材料、電力電子、控制等多學科的前沿技術，我國在此領域還處於起步階段，在氣體軸承、高速永磁電機、流體密封等多個關鍵技術方面還需要深入研究。結合在研專案需求，提出一種新型透平發電機結構，如圖2所示，在軸系上對稱安裝有4個盤式永磁電機轉子，採用氣體靜壓軸承支承[13]。對於支承位於軸系中部的懸臂型多盤轉子系統的動力學試驗研究還較少，進行了該型別透平發電軸系的動力學試驗，採用伯德圖、時間三維譜圖、分岔圖、典型轉速的軸心軌跡和龐加萊截面分析了軸系的振動特性，所得結論可以為透平發電機的高速特性試驗提供參考。
2、試驗系統
試驗系統結構示意圖，如圖1所示。主要由供氣系統、控制系統、試驗檯本體以及資料採集分析系統組成。供氣系統採用空氣壓縮機產生1.0MPa、1000Nm3/h的高壓常溫空氣，經由主路和軸承氣支路輸送到試驗檯本體，分別驅動透平發電機和懸浮靜壓氣體軸承。透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佈置電渦流位移感測器，並在壓氣機端加工鍵槽，監測其鍵相訊號。透平發電機軸系的結構示意圖，如圖2（a）所示。靜壓氣體軸承結構示意圖，如圖2（b）所示。
圖1試驗系統結構示意圖；圖2氣體軸承透平發電軸系、靜壓氣體軸承結構示意圖
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佈置2對盤式永磁電機，線圈繞組安置於兩個盤式永磁轉子之間，氣隙約為0.7mm；轉軸採用凸臺結構，材質為40Cr，轉軸與透平、壓氣機以及盤式電機轉子均採用鍵聯結，軸系總長370mm，跨距為65mm。
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型橡膠圈，具有較好的阻尼減振和柔性支承的作用。軸承材質選用石墨合金，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25mm，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，外界供氣後可以產生徑向和軸向止推氣膜力。
3、試驗結果及分析
試驗過程中主路供氣流量與轉速的關係曲線，隨著供氣流量的增加，轉速逐漸升高，如圖3所示。試驗中，氣體軸承的供氣壓力分別為0.63MPa和0.65MPa，當主路供氣流量為24Nm3/h時，軸系開始旋轉，最高轉速達到27690r/min，此時主路供氣流量達到145Nm3/h。當轉速為14600r/min和18030r/min時，流量計顯示均為93.6Nm3/h，閥門在此流量區間控制效果不好。20000r/min以內的轉速區間段，軸系升速率基本保持一致；轉速超過20000r/min後，升速率減小，升速較為緩慢。
圖3轉速-流量曲線；圖4渦輪端x、y方向伯德圖
渦輪端升速過程的伯德圖，如圖4（a）、圖4（b）所示。可以得出軸系的臨界轉速區域為（5000~10000）r/min，振幅變化範圍從（50~220）μm，相位變化約為90°，振動峰值為220μm，峰值時對應轉速為6800r/min。在試驗轉速區間僅有一個臨界轉速。
軸系升速過程的時間三維譜圖，如圖5所示。橫軸為轉子旋轉頻率，左側縱軸為時間軸，右側縱軸透過顏色表示振幅大小。從圖5可以看到，軸系升速過程持續約400s，工頻轉速呈階梯狀增加，與主路供氣流量的遞增規律一致。軸系最高轉速27690pm。在轉速區間（18860~27000）r/min，軸系出現（107~115）Hz的低頻振動。工頻振動幅值在（11.3~25.5）μm之間，主要振動能量集聚在低頻振動上，振幅約為100μm。當軸系轉速為18860r/min（314Hz）時，低頻振動頻率為107Hz，為氣體軸承的半速渦動，但隨著轉速增高，低頻頻率增加範圍很小，結合圖6的分岔圖，可知在該低頻區域，軸系處於氣膜振盪狀態。
圖5時間三維譜圖；圖6分岔圖；圖7軸心軌跡（週期1）
在升速過程中，當轉速為6833r/min時，軸系出現共振峰值，如圖6所示。在低頻氣膜振盪發生之前，軸系處於週期1運動。發生低頻振盪後，振幅擴大較快，振盪邊界呈增大趨勢，先後發生週期N運動和擬週期運動。結合軸心軌跡和龐加萊截面，可以比較清楚地看到軸系的運動行為。轉速為6873r/min時，渦輪端的軸心軌跡，是比較規則的橢圓，典型的週期1執行，此轉速下，軸系正處於透過共振峰的執行狀態，如圖7所示。
當轉速為19456r/min時，結合時間三維譜圖和分岔圖可以判斷軸系處於氣膜振盪狀態，如圖8所示。軸系的龐加萊截面是三個孤立的點，結合軸心軌跡，可知軸系處於週期3運動。按照同樣的方法，分別擷取轉速為24216r/min和27560r/min時的軸心軌跡和龐加萊截面，如圖9和圖10所示。軸系分別處於週期6運動以及擬週期運動。從分岔圖可以看到，由於振動邊界呈現擴張趨勢，為避免軸系損壞，切斷主路供氣，使其自由降速。下一步將改變軸承特性引數，抑制低頻振盪，進行更高速的升速試驗。
圖8軸心軌跡（週期3）與龐加萊截面；圖9軸心軌跡（週期6）與龐加萊截面；圖10軸心軌跡（擬週期）與龐加萊截面
4、結論
（1）提出一種新型透平發電機結構，軸系對稱安裝有4個盤式永磁電機轉子，採用氣體靜壓軸承支承，並搭建了振動試驗平臺；（2）氣體軸承的供氣壓力分別為0.63MPa和0.65MPa，當主路供氣流量為24Nm3/h時，軸系開始旋轉，最高轉速達到27690r/min，此時主路供氣流量達到145Nm3/h；（3）軸系的臨界轉速區域為（5000~10000）r/min，振幅變化範圍從（50~220）μm，相位變化約為90°，振動峰值為220μm，峰值時對應轉速為6800r/min。在試驗轉速區間僅有一個臨界轉速。在轉速區間（18860~27000）r/min，軸系出現（107~115）Hz的低頻振動，結合分岔圖分析，該低頻振動區域為氣膜振盪；軸系升速過程中，先後經過週期1、週期n、以及擬週期運動。
