微型燃气轮机转子动力学行为与稳定性控制研究取得进展

中科院工程热物理研究所在微型燃气轮机转子动力学研究方向取得新进展。

微型燃气轮机在实际运行过程中，转子受到电磁力，流体激振力，高温等复杂边界条件的作用，会导致燃机转子出现多种非线性动力学响应特征。尤其对于气体轴承支承微型燃气轮机转子系统，由于气体轴承具有阻尼小，承载力低等特点，转子会出现典型的低频涡动以及振荡等非线性动力学特征，危害了微型燃气轮机的运行稳定性。因此无论从计算角度，或者实验角度开展微型燃气轮机整机运行过程中转子动力学特性的研究，提出提高微型燃气轮机转子稳定性的方法与措施，对于微型燃气轮机的安全稳定运行具有重要的意义。 

分布式供能与可再生能源实验室科研人员针对微型燃气轮机轴系的动力学特性及稳定性控制开展了大量的实验研究。研究通过调整燃机升速过程中状态参数，如轴承供气压力、转子升速率，以及结构参数，如基础阻尼垫、气体轴承-转子平均半径间隙，消除燃机转子低频振荡，抑制半速涡动。研究表明：变频驱动升速实验中，变频驱动电压随转子转速升高而线性增加，与转子动力学特性不相关。在临界转速区域，转子振动幅值增大，变频驱动电流增加，退出临界后随转子振动幅值降低，变频驱动电流降低。出现半速涡动、低频振荡现象，转子振动幅值增加，变频驱动电流、电压未发生明显变化，表明低频振动特性对燃机变频驱动参数未造成影响。 

热态实验中，根据燃机驱动特性，将燃机升速过程划分为变频驱动转速区域，混合驱动转速区域，自持转速区域等，对各转速区域动力学特性，典型碰摩故障特性，以及动力学特性与系统热力、电力参数耦合关系进行分析。实验结果表明：压气机喘振转速区域压气机出口压力波动对转子径向振动未造成影响；燃烧室燃料流量，压力的阶跃均会造成转子失稳，出现碰摩现象；燃机转子动静件碰摩导致变频驱动负载增大，变频驱动电流阶跃增加，电流阶跃幅值随碰摩严重程度增加而增大。 

上述工作得到了国家自然科学基金的支持（1160020098），研究人员将于2018年9月在巴西第十届国际转子动力学学术会议（IFTOMM 2018 ROTORDYNAMICS）上宣读相关研究成果。 

图1 微型燃气轮机的转子结构 

图2 低频特性与电参数耦合分析 

图3 压力随转速变化特性 

图4 转子升速过程分岔图及轴心轨迹