超临界二氧化碳涡轮发电机振动试验

毕春晓; 韩东江; 杨金福

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20210114

超临界二氧化碳涡轮发电机振动试验

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210114

毕春晓^{1, 2},
韩东江^{1, 2,, ,},
杨金福^{1, 2}

1.
中国科学院工程热物理研究所，北京 100190
2.
中国科学院大学工程科学学院，北京 100049

基金项目:

国家重点研发计划 2018YFB1501005

中国科学院青年创新促进会 2021141

国家自然科学基金 11602268

详细信息

作者简介:
毕春晓（1994-），男，博士生，主要从事滑动轴承及转子系统动力学特性研究。

通讯作者:
韩东江（1986-），男，副研究员，博士，主要从事轴承及转子系统动力学特性研究。E⁃mail：handongjiang@iet.cn

中图分类号: V237
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出版历程
- 收稿日期: 2021-03-13

Vibration test of supercritical carbon dioxide turbine generator

BI Chunxiao^{1, 2},
HAN Dongjiang^{1, 2,
, ,},
YANG Jinfu^{1, 2}

1.
Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
2.
School of Engineering Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

摘要

摘要:
搭建20 kW超临界二氧化碳涡轮发电试验系统，开展涡轮发电机轴系临界转速数值仿真研究，对比分析空心轴与实心轴的前4阶临界转速与振型，并计算涡轮的前4阶模态频率。开展转速与负载对轴系振动特性影响的试验研究，采用频谱图分析转速0~48 000 r/min、负载0~20 kW下涡轮端与自由端壳体加速度振动响应。计算与试验结果表明：文中空心转子的临界转速高于实心转子的临界转速，有涡轮转子的临界转速低于无涡轮转子的临界转速。随着负荷从0 kW增加到15 kW，转子工频振动逐渐减小，但出现幅值较低的倍频振动；在转速区域11 000~40 000 r/min，不同功率下驱动端的振动响应低于自由端的振动响应，在转速48 000 r/min时，不同功率下驱动端的振动响应均高于自由端的振动响应。
- 超临界二氧化碳 /
- 涡轮发电机 /
- 频谱分析 /
- 临界转速 /
- 振动响应
Abstract:
20 kW supercritical carbon dioxide turbine power generation test system was built.Numerical simulation study for the critical speed of the turbine generator shaft system was carried out.The first 4 order critical speeds of hollow and solid shafts were compared and analyzed.The first 4 order modal frequencies of the turbine were calculated.Some experiments were carried out to research the influence of the speed and load on vibration characteristics.Spectrum graphs were used to analyze the acceleration response of the shell at a speed of 0-48 000 r/min and a load of 0-20 kW.Calculation and test results showed that,the critical speed of hollow rotor was higher than that of the solid rotor,and critical speed of a rotor with a turbine was lower than that of a rotor without a turbine.As load increased from 0 kW to 15 kW,rotor power frequency vibration gradually decreased,but double frequency vibration with lower amplitude appeared.As the speed ran from 11 000 r/min to 40 000 r/min,vibration response of the drive end under different powers was lower than that of the free end.Vibration response of the drive end under different powers was higher at 48 000 r/min than that of the free end.
- supercritical carbon dioxide /
- turbine generator /
- frequency spectrum analysis /
- critical speed /
- vibration response
注释:

1) 张雪

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图 1 试验系统图

Figure 1. Test system diagram

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图 2 发电机试验台

Figure 2. Generator test bench

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图 3 转子结构实物图

Figure 3. Physical picture of rotor structure

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图 4 轴系有限元模型

Figure 4. Shafting finite element model

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图 6 转速11 300 r/min时的振动图谱

Figure 6. Vibration spectrum at a speed of 11 300 r/min

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图 7 转速20 000 r/min时的振动图谱

Figure 7. Vibration spectrum at a speed of 20 000 r/min

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图 8 转速30 300 r/min时的振动图谱

Figure 8. Vibration spectrum at a speed of 30 300 r/min

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图 9 转速40 000 r/min时的振动图谱

Figure 9. Vibration spectrum at a speed of 40 000 r/min

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图 10 转速48 000 r/min时的振动图谱

Figure 10. Vibration spectrum at a speed of 48 000 r/min

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图 11 0 kW自由端水平方向的振动图谱

Figure 11. Horizontal vibration spectrum of 0 kW at free end

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图 12 0 kW驱动端垂直的振动图谱

Figure 12. Vertical vibration spectrum of 0 kW at drive end

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图 13 0 kW驱动端水平的振动图谱

Figure 13. Horizontal vibration spectrum of 0 kW at drive end

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图 14 15 kW自由端水平方向的振动图谱

Figure 14. Horizontal vibration spectrum of 15 kW at free end

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图 15 15 kW驱动端水平方向的振动图谱

Figure 15. Horizontal vibration spectrum of 15 kW at drive end

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图 16 15 kW驱动端垂直方向的振动图谱

Figure 16. Vertical vibration spectrum of 15 kW at drive end

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表 1 转子与轴承结构参数表

Table 1. Rotor and bearing structure parameter

参数	数值及说明
转子质量/kg	5.056
涡轮质量/kg	0.44
涡轮极转动惯量/ $(k g \cdot m m^{2})$	482.29
涡轮直径转动惯量/ $(k g \cdot m m^{2})$	246.48
转子长度/mm	368.5
轴承跨距/mm	218.25
涡轮材料	GH4169
转子材料	38CrMoAl
涡轮侧轴承型号	SKF⁃VEX35/NS7CE1TL
自由侧轴承型号	SKF⁃VEX30/NS7CE1TL

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表 2 传感器参数列表

Table 2. Sensor parameter

	参数	数值
压电加速度传感器	灵敏度/（mV/ms²）	0.509
	频率范围/kHz	0.5~10
	量程/（m/s²）	1 000
	工作温度/℃	-40~+120
电感式传感器（转速）	探头直径/mm	8
电感式传感器（转速）	检测距离/mm	8

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表 3 涡轮的模态频率计算值

Table 3. Simulation values of modal frequency of the turbine

阶数	频率/Hz
1	2 777.5
2	2 790.7
3	3 519.4
4	3 860.8

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表 4 轴系前4阶临界转速

Table 4. The first four order critical speed of the shafting

阶数	空心轴/Hz（含涡轮）	实心轴/Hz（含涡轮）	空心轴/Hz（无涡轮）
1	884.46	881.82	934.77
2	983.11	981.35	1 819.02
3	2 420.10	2 283.72	2 852.73
4	4 061.70	3 701.16	4 800.76

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