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用于支撑HTR-10GT氦气轮机的磁力轴承设计研究

时间:2017-10-9 11:09:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  MW高温气冷堆(HTR40)是我国“863”计划项目的子课题,该项目由清华大学核能与新能源技术研究院承担。HTR40于2000年实现首次临界,并于2003年达到满功率m.在HTR40成功的基础上,为了验证高温气冷堆气体透平发电技术的可行性,开展了与HTR40耦合的氦气轮机循环发电系统的研制0.高温气冷堆气体透平发电系统具有结构简单、效率高以及经济性好等优点,是未来高温气冷堆技术领域的重要发展方向之一H.在10MW高温气冷堆氦气透平发电系统中,高速旋转、立式布置的氦气轮机转子采用磁力轴承支撑4.与传统的机械轴承相比,磁力轴承具有非接触、无润滑等优点,可以满足HTR40GT特殊的运行条件。然而,由于磁力轴承支撑的氦气轮机转子是一根大型柔性转子,目前尚无设计和运行经验。因此,研究并设计一套性能优异、安全可靠的磁力轴承系统,对于高温气冷堆气体透平技术的工程应用具有十分重要的意义。

  磁力轴承的性能直接影响气体透平系统的结构布置,并进一步影响高温气冷堆气体透平发电系统的安全性和经济性。在前期技术研究和试验验证的基础上0,最终完成了用于支撑HTR40GT氦气轮机转子的磁力轴承的技术设计6.本研究结合磁力轴承的设计原理及技术特点,给出了HTR40GT氦气轮机磁力轴承的结构设计结果及关键技术参数。此外,对磁力轴承的承载特性及氦气轮机的转子动力学特性进行了初步研究。

  1总体结构MW高温气冷堆氦气透平发电系统的氦气轮机包括低压压气机、高压压气机以及氦气透平3部分,其中压气机通过压缩过程为回路中的氦气流动提供驱动力,透平通过膨胀过程驱动转子旋转并带动发电机发电。因此,氦气轮机的性能直接影响到系统总体的效率和经济性。

  氦气轮机的转子长度为3.5m,重量为540kg,旋转速度为15000r/min.采用磁力轴承支撑的氦气轮机的总体结构布置图如所示。转子由两个径向磁力轴承和一个轴向磁力轴承支撑,以实现在设计工况下的正常运转。当磁力轴承出现故障或载荷超过磁力轴承的设计载荷时,由保护轴承确保转子的安全。

  磁力轴承支撑系统分为压力壳内和压力壳外两部分,磁力轴承本体、传感器以及相关引线布置在压力壳内部。磁力轴承控制系统布置在压力壳外,其中包括控制器、功率放大器以及在线监测系统。磁力轴承在反应堆启动、变功率以及停堆过程中均需保证足够的运行可靠性和稳定性,这对磁力轴承的参数径向磁力轴承设计承载能力/kN 1.960线圈匝数30定转子间平衡位置气隙/mm 0.6保护轴承与转子平衡位置气隙/mm 0.15轴向磁力轴承线圈匝数80定转子间平衡位置气隙/mm 0.7保护轴承与转子平衡位置气隙/mm 0.3设计提出了高要求。例如过二阶弯曲临界、高温运行环境以及高速重载。

  2技术设计特性除了满足API617、IEC以及ISO900X等工业标准之外,氦气轮机的磁力轴承支撑系统还需满足:承担在运行工况下氦气轮机所产生的轴向载荷和径向载荷,并实现转子的稳定支撑。

  保证转子在所有运行工况下的运行稳定性(包括通过弯曲临界)。

  能够实现在高速、高温以及辐射环境下的长时间稳定运行。

  确保在所有正常、非正常运行条件以及设计基准事故下,实现磁力轴承的安全可靠控制。

  2.1透平端磁力轴承透平的主要功能是将氦气工质的热能转换为机械能。根据HTR40GT的要求,完成了透平的气动设计和结构设计。透平的转子和静子结构示意图如所示,透平的气动设计参数如所示。氦气透平采用等内径设计,共有6级叶片。

  透平端磁力轴承组件置于透平转子的顶端,实现轴向和径向的悬浮功能。透平端磁力轴承的主要部件包括轴向磁力轴承、径向磁力轴承、位移传感器、速度传感器以及保护轴承等,如所示。磁力轴承的主要参数如表1所示。

  透平的转子和静子结构表1磁力轴承的主要参数轴向磁力轴承包括静子组件和推力盘,布置在压气机的外形结构透平转子顶端的上部。静子组件包括两个同轴的磁极,产生沿轴向的吸力。在立式的结构布置下,转子的全部重量以及轴向气动力均由轴向磁力轴承支撑,轴向磁力轴承的设计承载力为9.800kN,气隙为0.7mm.推力盘固定在转子上,置于在两个磁极之间。

  径向磁力轴承包括静子组件和转子组件两部分,布置在透平转子顶端的下部。静子组件采用16个磁极的结构,设计承载能力为1.960kN.静子部分包括静子法兰和线圈,线圈形成16个方向的磁极。径向磁力轴承的磁极分为4组,每组由4个磁极组成,保证转子受到互相垂直的两个方向(X向和Y向)的支撑。转子部分固定在转子上,由磁性金属薄片压制而成。

  由于透平叶片与静子部件的间隙为0.4mm,为保护透平转子的安全,径向保护轴承的径向间隙设计为0.15mm,而磁力轴承定转子之间的间隙磁力轴承的位移传感器是电感式的,灵敏度不低于10mV/pm,具有很好的感应特性。位移传感器的截止频率很高(>5kHz),所以在运行频率下的相位延迟可以忽略。即使经过转换器之后的电压信号的传输距离超过200m,也不会发生明显的衰减。

  2.2压气机端磁力轴承根据HTR40GT的要求,完成了压气机的气动设计和结构设计。压气机的外形结构示意图如所示。

  低压压气机和高压压气机采用等内径和模化设计,分别有7级和10级叶片。部分气动设计的结果如所示。

  压气机的主要气动设计参数压气机端磁力轴承组件布置在压气机转子的底端,为转子提供径向支撑。与透平端磁力轴承相比,压气机端磁力轴承更为简单,仅包括径向磁力轴承、位移传感器和保护轴承,如所示。

  由于空间结构的影响,压气机端径向磁力轴承静子组件的内径和外径分别为180和300 mm,比透平端径向磁力轴承的尺寸大。而设计载荷、气隙、磁极结构、保护轴承以及传感器等其他设计参数则与透平端径向磁力轴承相同。

  2.3其它组件磁力轴承控制器及其辅助设备(A/D转换器,D/A转换器等)均采用标准的工业产品,控制器采用高速DSP主板,该主板具有良好的稳定性和优异的实时中断处理能力。新的双核产品TI个300MHzARM926MPU内核,该产品可以作为磁力轴承控制器微处理器的理想选择。A/D转换器有10通道,每个通道具有500kS/s的速率和16B的精度。D/A转换器有5个通道,每个通道1MS/s的速率和14B的精度。

  运行与监测系统采用标准的PXI工业计算机,操作系统采用通用的MSWindows系统。主机可以DuoT7500内核。主机与控制器之间的连接由工业网络实现。

  功率放大器接收来自控制器的模拟电压控制信号,并根据电压信号维持绕组中的电流。通常功率放大器是一种受控的稳定电流源。由于单个功率放大器的功率约为9kVA(300V,0A),所以综合考虑损失和效率因素,SWITCH功率放大器是更好的选择。

  其它辅助部件还包括主电源、备用电源用UPC、电缆以及连接件。

  3承载特性采用FEMM软件,对磁力轴承进行了电磁承载能力分析。在标准气隙下,轴向磁力轴承和径向磁力轴承的承载能力随电流的变化曲线如所示。

  从图中可以看出,轴向磁力轴承的最大承载力约为18000N,当设计值为9 800N时,留有高于80%的设计裕量。径向轴承的最大电磁力为4500N,当设计值为1960N时,留有高于120%的设计裕量。因此,在系统运行期间,磁力轴承有充足的承载能力保证氦气轮机能够在不同的载荷变化下安全运行。

  4转子动力学特性采用基于有限元分析方法的转子动力学分析软件SAMCEF对透平压气机组转子进行了计算。计算采用三维计算模型,径向轴承的支承刚度系数为5.0x106N/m.转子动力学计算的结果表明,在达到250Hz的额定转速前,透平压气机转子必须通过两阶弯曲临界。氦气透平压气机转子的各阶振型示意图如所示,相应的特征频率如表2所示。

  稳态模型平碟态摆动模态一曲二蜃惠曲三腐曲表2透平压气机转子的临界频率(Hz)频率数值平动频率17摆动频率32一阶弯曲临界70二阶弯曲临界191三阶弯曲临界302透平压气机转子的振型5结论MW高温气冷堆氦气透平发电系统中的氦气轮机采用立式体化的结构布置方式,其中氦气透平为6级,低压压气机为7级,高压压气机为10级。

  氦气轮机转子由两个径向磁力轴承和一个轴向磁力轴承支撑。两个径向磁力轴承分别布置在氦气轮机转子的上下两端,轴向磁力轴承布置在转子的上端。

  轴向磁力轴承的设计承载力为9800N,气隙为0.7mm.径向磁力轴承的设计承载能力为1960N,定转子间气隙为0.6mm.转子动力学计算的结果表明,在达到250Hz的额定转速前,透平压气机转子必须通过两阶弯曲临界。

  磁力轴承承载特性分析结果表明,磁力轴承的承载能力能够满足氦气轮机在各种运行工况的承载要求。