微型燃氣輪機高速轉(zhuǎn)子—浮環(huán)軸承系統(tǒng)動力學特性研究.pdf

1、微型燃氣輪發(fā)電機是一類新近發(fā)展起來的小功率燃氣輪機,它能利用多種氣體為燃料,其單機功率范圍為25~300kW。近年來,隨著全球范圍能源與動力供需結(jié)構(gòu)調(diào)整及環(huán)保部門等要求,微型燃氣輪發(fā)電機組已逐漸成為分布式供能的主力,得到了能源等有關部門的高度重視。先進的微型燃氣輪發(fā)電機核心結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng),其透平與壓氣機葉輪是背靠背結(jié)構(gòu),發(fā)電機用永磁鐵轉(zhuǎn)子與燃氣輪機轉(zhuǎn)子同軸,聯(lián)為一體,為單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。采用如此設計提高了工作的可靠性及緊湊型,但是增大了

2、轉(zhuǎn)子-軸系動力學設計及分析的復雜性。我國自主研發(fā)的100kW微型燃氣輪發(fā)電機采用了高速浮環(huán)油膜軸承作為支承部件,此類軸承在整個工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)容易誘發(fā)次同步非線性失穩(wěn)行為,導致機組振動急劇加大、軸系磨損,抱軸和斷軸等現(xiàn)象。為了避免此類現(xiàn)象的發(fā)生,需要對轉(zhuǎn)子-浮環(huán)軸承系統(tǒng)動力學進行深入的理論分析并提出一個準確的物理仿真模型,使其有效地對軸系及支承部件進行計算分析,來提高生產(chǎn)廠商的設計效率并能節(jié)省開支。
　　本文以流體動力潤滑理論為基礎

3、,從微元流體本構(gòu)方程、Naviar-Stokes方程、Cauchy運動方程、連續(xù)性方程等能量守恒原理出發(fā),推導了浮環(huán)軸承內(nèi)、外層油膜動態(tài)油膜壓力的Reynolds方程及非線性油膜力方程。應用h-有限元方法與Galerkin方法建立壓力控制方程的變分形式來求解浮環(huán)軸承的內(nèi)、外層油膜壓力分布,并利用攝動法,在微小攝動范圍內(nèi)應用Newton-Raphson迭代程序,確定浮動環(huán)的平衡位置及轉(zhuǎn)速,求出環(huán)速比及微型燃氣輪機前、后浮環(huán)軸承的內(nèi)、外油膜

4、的動特性系數(shù),同時求出在指定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動特性系數(shù)的變化規(guī)律及曲線。
　　潤滑油的溫度與粘度對浮環(huán)軸承動特性影響很大,本文推導了適用于浮環(huán)軸承的粘度和密度系數(shù)都是隨溫度變化的綜合熱流體力學潤滑方程與油膜間隙內(nèi)考慮剪切稀化作用的熱平衡方程,由流體和固體之間產(chǎn)生的熱傳導、熱對流和流體的熱積聚等過程的能量方程式。計算了浮環(huán)軸承內(nèi)、外層油膜間隙隨轉(zhuǎn)速變化的溫度變化曲線與考慮溫度變化時的典型工況下內(nèi)、外層油膜的剛度和阻尼系數(shù)?？偨Y(jié)了轉(zhuǎn)子

5、和軸承之間、固體表面與轉(zhuǎn)子、軸承座、浮環(huán)套等軸承固體部件之間的熱傳導規(guī)律,分析了浮動環(huán)的熱變形對浮環(huán)軸承內(nèi)、外層間隙的影響及其導致油膜的動態(tài)特性的變化規(guī)律。同時計算了浮環(huán)在高速轉(zhuǎn)動,承受慣性離心力作用下,浮環(huán)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律以及對軸承動特性的影響分析。
　　從線性和非線性、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)子-軸承動力學基本理論出發(fā),利用商用有限元軟件針對微型燃氣輪機轉(zhuǎn)子-浮環(huán)軸承系統(tǒng)特有的懸臂、大柔性、高轉(zhuǎn)速等特性進行線性非線性轉(zhuǎn)子動力學理論分析及仿

6、真,計算了軸系的不平衡響應、穩(wěn)定性分析與非線性振動等相關結(jié)論并給出系統(tǒng)參數(shù)改動方案,為實際機組設計提供寶貴的理論依據(jù)。利用解析解與實驗模態(tài)方法驗證了有限元軟件2D單元旋轉(zhuǎn)3D模型建立與數(shù)值仿真的準確性。
　　最后對實際100kW微型燃氣輪機原型機進行試驗點火測試,實驗地點在哈爾濱東安發(fā)動機集團公司燃氣輪機實驗室。試驗內(nèi)容包括在實際工況下的點火試機、對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動水平的監(jiān)測及轉(zhuǎn)子-浮環(huán)軸承系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過各種試驗數(shù)據(jù)與前文