高速涡轮发电转子振动特性试验研究

摘要

应用了气体轴承的高速微型燃气轮机具有结构紧凑、做功功率密度大、高转速、轴承功耗低等优点，因此以其为核心动力装置的移动式分布式能源系统将是未来能源清洁技术的重要发展方向之一。然而，由于气体轴承润滑介质气体自身的粘度小，导致了气体润滑轴承承载能力差、摩擦系数小，高速下的稳定性差等劣势，因而将气体轴承润滑轴承应用在高速微型燃气轮机的关键技术之一在于气体润滑轴承支承下的高速转子的振动特性和稳定性研究。
　　本文基于高速涡轮发电转子试验台，试验研究了气体轴承支承下的高速涡轮发电转子的振动特性和轴承供气压力、基础特性对轴系稳定性的影响，主要的工作内容如下:
　　1.基于Jeffcott转子模型，给出了转子临界转速幅频及相频响应表达式。在轻载荷情况下，结合轴承-转子系统的运动微分方程，给出了半速涡动表达式，并基于此给出了半速涡动和气膜振荡两者的特征。
　　2.结合ANSYS软件，对气体轴承支承下的四圆磁盘单跨双止推盘面的高速涡轮发电转子系统，进行了气膜直接刚度从1.0×106N/m变化到6.0×106N/m的转子系统的模态分析，获得了高速涡轮发电转子系统前6阶临界转速随着气膜直接刚度变化的情况。
　　3.基于时间三维谱图、分岔图、伯德图等非线性振动行为分析图谱，从工频振动、低频振动和转子碰摩故障这三个方面给出了气体轴承——转子系统非线性振动测试和分析方法，为后面转子振动特性及稳定性试验研究提供分析方法和故障识别依据。
　　4.搭建了高速涡轮发电机转子试验台。从功能和性能两个方面分别阐述了包括供气系统、试验台本体部分、控制系统和数据采集与分析系统在内的整个试验台系统，试验台能够实现轴承供气的可控、可测量，转子振动数据的采集、离线储存和分析，并且能够实现整个实验过程的在线监测。
　　5.试验研究了气体轴承支承下的高速涡轮转子的典型振动特征。基于时间三维谱图、分岔图、伯德图、频谱图等非线性振动测试和分析方法，试验呈现了轴系的临界转速、半速涡动、气膜振荡、双低频涡动、转速飞升和碰摩故障等转子典型的振动特征，为气体轴承——转子系统典型的非线性振动特征识别提供相应的试验依据。
　　6.试验研究了轴承供气压力和基础加硅胶垫对高速涡轮发电转子系统稳定性的影响。实验结果表明:1）轴承供气压力的增加能够提高有效地提高转子的临界转速、推迟分频涡动（半速涡动、气膜振荡和双低频涡动）的产生;同时，轴承供气压力的增加导致了系统的阻尼减少，进而使得转子临界振动幅值的增大、充分发展后的半速涡动低频和气膜振荡低频幅值的增大;2）试验台基础加硅胶垫能够有效地增加轴系的外阻尼，从而减少转子临界的振动幅值和气膜振荡的振动幅值，从而能够有效地提高轴系的稳定运行的裕度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文的课题背景及研究意义

1．2 气体轴承-转子稳定性国内外研究现状

1．3 本文研究的内容

第2章 转子动力学理论和非线性振动测试及分析方法

2．1 转子动力学基本理论

2．1．1 临界转速特征识别

2．1．2 气体轴承—转子系统的模态分析

2．1．3 半速涡动及气(油)膜振荡

2．2 非线性振动测试及分析方法

2．2．1 轴系振动测试及数据处理

2．2．2 基于分析图谱上的转子振动行为分析方法

2．3 本章小结

第3章 静压气体轴承支承下的高速涡轮发电转子系统试验台

3．1 试验台本体部分

3．1．1 气体轴承

3．1．2 高速涡轮发电转子结构

3．2 供气系统

3．3 控制系统

3．4 数据采集与分析系统

3．5 本章小结

第4章 典型的气体轴承—转子系统的振动特性分析

4．1 典型的气体轴承-转子系统的振动特征

4．1．1 固有频率共振—临界转速

4．1．2 气膜的半速涡动

4．1．3 气膜振荡

4．1．4 双低频涡动

4．1．5 气体轴承—转子系统的碰摩故障

4．1．6 转速飞升

4．2 本章小结

第5章 气体轴承—转子系统稳定性试验研究

5．1 供气压力对气体轴承—转子系统稳定性影响的试验研究

5．1．1 供气压力对气体轴承—转子系统稳定性研究的试验方案

5．1．2 供气压力对临界转速特性的影响

5．1．3 供气压力对双低频涡动和气膜半速涡动的影响

5．1．4 供气压力对气膜振荡特性的影响

5．1．5 供气压力对气体轴承—转子系统稳定性影响的小结

5．2 基础加硅胶垫对气体轴承—转子系统稳定性影响的试验研究

5．2．1 基础加硅胶垫对气体轴承—转子系统稳定性研究的试验方案

5．2．2 基础加硅胶垫对气体轴承—转子临界转速特性的影响

5．2．3 基础加硅胶垫对气膜振荡特性的影响

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 研究展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢