165kW鼓風(fēng)機(jī)改型電磁軸承后轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析與試驗(yàn)?

杜國偉 王有志 楊國軍 時(shí)振剛 趙 雷

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

165kW鼓風(fēng)機(jī)改型電磁軸承后轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析與試驗(yàn)?

杜國偉 王有志 楊國軍 時(shí)振剛 趙 雷

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

10MW高溫氣冷堆是利用氦氣循環(huán)載出核熱能推動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電的新型反應(yīng)堆，堆內(nèi)主氦風(fēng)機(jī)是高溫氣冷堆一回路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。主氦風(fēng)機(jī)原有的支承形式為油潤滑機(jī)械支承方案，為了保證軸承的長期安全運(yùn)行，油潤滑的機(jī)械滾珠軸承系統(tǒng)非常復(fù)雜，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)對(duì)氦氣純度形成威脅。電磁懸浮軸承有無需潤滑、無摩擦、高轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn)，可以用來替代機(jī)械支承以解決主氦風(fēng)機(jī)支承的關(guān)鍵問題。但是與機(jī)械滾珠軸承相比，電磁懸浮軸承的體積較大，承載力小，在保證風(fēng)機(jī)接口不變的前提下，其能否滿足主氦風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求，尚需要進(jìn)行驗(yàn)證。文章通過采用ABAQUS和SAMCEF軟件建模，充分利用了轉(zhuǎn)子模態(tài)頻率隨軸承剛度的變化規(guī)律，研究了165kW鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子在機(jī)械滾珠軸承和電磁軸承支承環(huán)境下的運(yùn)轉(zhuǎn)模態(tài)，最終通過電磁軸承運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，并證明了在驅(qū)動(dòng)電機(jī)、葉輪、冷卻風(fēng)扇等其它結(jié)構(gòu)暫不更換的前提下，使用電磁軸承替代機(jī)械滾珠軸承可以滿足主氦風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

氦氣鼓風(fēng)機(jī)；電磁軸承；高溫氣冷反應(yīng)堆；轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)；SAMCEF ROTOR

0 引言

10MW高溫氦氣核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)堆，簡稱HTR－10MW，是利用氦氣循環(huán)載出核熱能推動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電的新型反應(yīng)堆。堆內(nèi)主氦風(fēng)機(jī)是高溫氣冷堆一回路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。自1995年起，清華大學(xué)核研院和上海鼓風(fēng)機(jī)廠聯(lián)合攻關(guān)，攻克了氦氣環(huán)境下的電機(jī)技術(shù)、氦氣介質(zhì)下的風(fēng)機(jī)葉輪葉型設(shè)計(jì)等技術(shù)難題，研制出我國第一臺(tái)反應(yīng)堆用機(jī)械滾珠軸承支承的主氦風(fēng)機(jī)[1，2]，并成功用于核研院承擔(dān)的國家863計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目“10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆”。

隨著我國核能發(fā)展戰(zhàn)略需要，以及大型化、商用化的需要，對(duì)應(yīng)用于高溫氣冷核電站的主氦風(fēng)機(jī)的支承技術(shù)提出了更高要求。目前，世界上已經(jīng)建造的高溫氣冷堆主氦風(fēng)機(jī)均采用油潤滑軸承設(shè)計(jì)方案，為保證軸承的長期安全運(yùn)行，系統(tǒng)中配備了潤滑循環(huán)，密封、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)，為了防止油蒸汽對(duì)一回路冷卻氦氣的污染，反應(yīng)堆中需要設(shè)置非常復(fù)雜的油壓力平衡和油蒸汽收集系統(tǒng)。這種方案雖然可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，但在長期運(yùn)行過程中對(duì)氦氣環(huán)境的純凈度構(gòu)成了潛在威脅。

針對(duì)大型化商用反應(yīng)堆的主氦風(fēng)機(jī)功率及轉(zhuǎn)速的提高也將使傳統(tǒng)軸承材料性能面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)?；谶@種特殊運(yùn)行介質(zhì)以及封閉壓力殼內(nèi)難以接近的苛刻的環(huán)境要求，電磁軸承有其獨(dú)特優(yōu)勢，在該領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。相對(duì)于傳統(tǒng)的油潤滑軸承，電磁軸承具有無需潤滑、無摩擦、高轉(zhuǎn)速、無污染等特點(diǎn)，能夠解決其中的關(guān)鍵問題。

目前，法國、美國、瑞士等少數(shù)國家在電磁軸承技術(shù)應(yīng)用發(fā)展速度較快，已經(jīng)具有大量的成功案例，將電磁軸承應(yīng)用于不同環(huán)境的渦輪機(jī)械[3-5]，但是，目前尚未有反應(yīng)堆領(lǐng)域的應(yīng)用先例。

為驗(yàn)證氦氣環(huán)境中電磁軸承的運(yùn)行特性，從2006年開始，M.Andrew Rossouw和 G.G.Jacobe先后在PBMR（Pebble Bed Modular Reactor）的氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，開展多次的考核驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[4-5],證明了電磁軸承系統(tǒng)雖然在支承剛度、轉(zhuǎn)速等性能指標(biāo)能夠滿足實(shí)際需要，但是在如何適應(yīng)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)、如何設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子性能及可靠性等方面，仍然需要大量的研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

基于自身需求的緊迫性與國際上該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，清華大學(xué)核研院在HTR－10MW主氦風(fēng)機(jī)成功研制和運(yùn)行的基礎(chǔ)上，于2004年開始研制電磁軸承主氦風(fēng)機(jī)，開展了一系列的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)工作，嘗試在氦氣風(fēng)機(jī)中使用電磁軸承技術(shù)替代原有的機(jī)械滾珠軸承。但是電磁軸承的體積較大，承載力較小，需要運(yùn)用轉(zhuǎn)子模態(tài)隨剛度的變化規(guī)律來確保電磁軸承支撐的可行性。

1 主氦風(fēng)機(jī)及轉(zhuǎn)子模型介紹

主氦風(fēng)機(jī)對(duì)磁軸承結(jié)構(gòu)的要求是在保持支承功能不變的前提下，適當(dāng)改型以適應(yīng)電磁軸承，但是需要電磁軸承盡量結(jié)構(gòu)緊湊，體積質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)上與風(fēng)機(jī)一同置于壓力殼內(nèi)部，電氣控制柜置于殼外的控制室內(nèi)部，中間通過電氣貫穿件及電纜連接。改型設(shè)計(jì)后的主氦風(fēng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要部件包括，葉輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電磁軸承、輔助軸承，隔熱層，頂端冷卻葉輪，以及安裝在壓力殼外的電磁軸承控制器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器。

圖1 電磁軸承——氦氣鼓風(fēng)機(jī)Fig.1 Helium blower——AMB

表1 氦風(fēng)機(jī)參數(shù)表Tab.1 Helium blower parameters

用于支承氦氣鼓風(fēng)機(jī)的電磁軸承的主要功能要求是支承一個(gè)總質(zhì)量550kg立式轉(zhuǎn)子在氦氣環(huán)境內(nèi)無油穩(wěn)定運(yùn)行，并能夠承受各種干擾。更重要的是能夠真正免維護(hù)。雖然，工業(yè)界已經(jīng)有許多如壓縮機(jī)、膨脹機(jī)的磁軸承應(yīng)用實(shí)例，但是，氦風(fēng)機(jī)的軸承仍然是一個(gè)全新而不同常規(guī)的設(shè)計(jì)，需要將磁軸承內(nèi)部的多個(gè)部件集成設(shè)計(jì)在一個(gè)相對(duì)緊湊的空間內(nèi)。而按照功能劃分，鼓風(fēng)機(jī)中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)組成部件包括：

1）主葉輪，用于產(chǎn)生足夠的氣動(dòng)壓力與流量；

2）冷卻葉輪，用于冷卻電機(jī)與軸承，保證軸承處于正常溫度范圍；

3）165kW變頻電機(jī)轉(zhuǎn)子；

4）軸承轉(zhuǎn)子部件，需要占用一定的軸向空間；

5）隔離葉輪腔室的迷宮密封軸徑。

設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是在滿足這些部件功能要求的條件下，需要盡量減少轉(zhuǎn)子體積質(zhì)量，得到一個(gè)適宜控制的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特征，避免轉(zhuǎn)子共振區(qū)落入工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。原風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為單級(jí)離心式葉輪、冷卻葉輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一體化轉(zhuǎn)子，由機(jī)械滾珠軸承支承，見圖2（a）。為簡化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高可靠性，將機(jī)械滾珠軸承支承更換為電磁軸承支承，但是，因電磁軸承目前還不是一種成熟產(chǎn)品，無法直接選型更換，需要風(fēng)機(jī)與磁軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的雙方面技術(shù)協(xié)調(diào)、綜合優(yōu)化。其中很關(guān)鍵的一個(gè)問題如果改型選擇電磁軸承，改進(jìn)后的電磁軸承見圖2（b），由于電磁軸承體積較大，會(huì)導(dǎo)致電磁軸承轉(zhuǎn)子比機(jī)械滾珠軸承轉(zhuǎn)子加長300mm，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子剛度降低，而且電磁軸承剛度為105～107N/m量級(jí)，相比于機(jī)械滾珠軸承的108～109N/m量級(jí)，剛度大大減小。一般而言剛度降低會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的模態(tài)頻率變小，進(jìn)而減少隔離裕度，因此對(duì)于更換電磁軸承后轉(zhuǎn)子的安全裕度需要重新進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 改造前后轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Rotor structure before and after retrofitted

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 一階彎曲模態(tài)對(duì)比

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)子的安全裕度首先采用ABAQUS軟件分別計(jì)算了機(jī)械滾珠軸承轉(zhuǎn)子和電磁軸承轉(zhuǎn)子的一階彎曲模態(tài)。模型為一體化模型，材料參數(shù)如下：

材料密度ρ=7 800kg/m3

彈性模量E=2×1011Pa

泊松系數(shù)μ=0.3

機(jī)械滾珠軸承轉(zhuǎn)子的支撐剛度為1×109N/m，電磁軸承轉(zhuǎn)子的支撐剛度為1×106N/m，支撐以彈簧形式施加在模型對(duì)應(yīng)軸承處，轉(zhuǎn)子的一階彎曲模態(tài)振型見圖3。圖3中機(jī)械滾珠軸承轉(zhuǎn)子的一階彎曲模態(tài)頻率為110Hz，距離最高轉(zhuǎn)速5 100r/min（85Hz）的隔離裕度為29.4%；電磁軸承轉(zhuǎn)子的一階彎曲模態(tài)為128Hz，距離最高轉(zhuǎn)速5 100r/min（85Hz）的隔離裕度為50.5%。電磁軸承在轉(zhuǎn)子變長，軸承剛度變小，而兩端質(zhì)量基本不變的情況下，其一階彎曲頻率不減反增。

圖3 兩種轉(zhuǎn)子一階彎曲模態(tài)振型圖Fig.3 The bending modal shapes of two rotors

2.2 電磁軸承前四階模態(tài)隨軸承剛度的變化關(guān)系

為了解釋2.1節(jié)中一階彎曲頻率不減反增的原因，通過SAMCEF軟件進(jìn)行有限元建模，繪制了電磁軸承轉(zhuǎn)子前四階模態(tài)隨著電磁軸承支承剛度的變化曲線。

2.2.1 模型簡化

轉(zhuǎn)子上有電機(jī)和電磁軸承轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)，其材料的構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜。在建模和模型簡化上，有限元計(jì)算不可能完全考慮到每一個(gè)細(xì)節(jié)，因此在計(jì)算中對(duì)結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了一定程度的簡化。模型的簡化如下4點(diǎn)：

1）將所有的緊固裝配視為黏連，即將所有旋轉(zhuǎn)部件考慮為一個(gè)無裝配的整體鋼轉(zhuǎn)子，采用梁模型進(jìn)行模擬，并且統(tǒng)一材料參數(shù)與2.1節(jié)相同；

2）忽略電機(jī)轉(zhuǎn)子中電機(jī)部分的繞線和風(fēng)機(jī)葉片的細(xì)節(jié)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇都視為等質(zhì)量、等轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的集中質(zhì)量施加到轉(zhuǎn)子梁模型上，質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置見表2；

表2 簡化轉(zhuǎn)子模型集中質(zhì)量參數(shù)Tab.2 Lumped mass parameters of simplified rotor model

3）忽略電磁軸承轉(zhuǎn)子部分對(duì)軸的模態(tài)頻率的影響；4）忽略轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量，認(rèn)為轉(zhuǎn)子完全軸對(duì)稱。忽略其他不必要的細(xì)節(jié)部分，如結(jié)構(gòu)中的倒角、螺栓等；通過對(duì)轉(zhuǎn)子的一系列簡化，簡化后的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由如下四部分組成（見圖4）：

1）頂部冷卻風(fēng)扇葉輪

2）黏連了大部分旋轉(zhuǎn)部件軸承轉(zhuǎn)子

3）165kW電機(jī)轉(zhuǎn)子

4）主氦風(fēng)機(jī)主葉輪

將轉(zhuǎn)子的兩組徑向電磁軸承簡化為彈簧單元，連接到軸心節(jié)點(diǎn)上，見圖4。上支承位置A距頂端342mm處，下支承位置B距頂端1 217mm處，在約束條件上對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子施加沿軸向Y的平動(dòng)位移約束和沿RY方向的旋轉(zhuǎn)位移約束，轉(zhuǎn)子的其他4個(gè)自由度X，Z，RX，RZ，則通過上軸承彈簧A和下軸承彈簧B對(duì)X和Z方向的彈簧剛度來進(jìn)行約束，用XZ方向的彈簧剛度來模擬電磁軸承的徑向剛度。彈簧徑向剛度由1×106N/m變化到1×109N/m，計(jì)算在該區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)子模態(tài)的變化，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 電磁軸承轉(zhuǎn)子隨支撐剛度變化圖Fig.5 AMB rotor modes with different stiffness

2.2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖5（b）為轉(zhuǎn)子前四階模態(tài)隨支承剛度的變化關(guān)系。圖5（a）為剛度K=1×106N/m時(shí)的模態(tài)振型，圖5（c）為剛度K=1×109N/m時(shí)的模態(tài)振型。從圖中可以看出，支承剛度的不同，模態(tài)振型不同。因?yàn)殡姶泡S承剛度比較小，因此風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)進(jìn)入圖5（a）區(qū)域；而機(jī)械滾珠軸承剛度比較大，因此風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)進(jìn)入圖5（c）區(qū)域。因此在將軸承由機(jī)械滾珠軸承替換為電磁軸承之后，得到的結(jié)果是電磁軸承轉(zhuǎn)子的第一階彎曲振型（圖5mode3）固有頻率反而高于圖5（c）的剛性支承下的第一階彎曲振型（圖5mode1）固有頻率，從而有利于增加隔離裕度。綜上所述，使用電磁軸承替代機(jī)械滾珠軸承之后，盡管軸承剛度下降，轉(zhuǎn)子變長，但是轉(zhuǎn)子的一階彎曲頻率不降反增，安全裕度增大。因此使用電磁軸承替代機(jī)械滾珠軸承是合理可行的。

2.3 考慮陀螺效應(yīng)的轉(zhuǎn)子安全裕度

在進(jìn)一步確定電磁軸承剛度時(shí)，為抵抗流體動(dòng)力、電機(jī)磁偏拉力、轉(zhuǎn)子不平衡等，電磁軸承剛度在1×106N/m～1×107N/m量級(jí)范圍內(nèi)應(yīng)該盡量高。但是觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，過高的剛度會(huì)壓縮主氦風(fēng)機(jī)的有效工作區(qū)間。為了保證剛度，并且給主氦風(fēng)機(jī)提供足夠的運(yùn)轉(zhuǎn)空間。因此，折中確定電磁軸承的支承剛度為5×106N/m。

當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)起來之后，需要考慮轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)，而轉(zhuǎn)子的正進(jìn)動(dòng)會(huì)降低轉(zhuǎn)子剛度，從而降低轉(zhuǎn)子臨界頻率，降低安全裕度。因此需要校核在考慮陀螺效應(yīng)的狀況下轉(zhuǎn)子的模態(tài)頻率能否滿足轉(zhuǎn)速要求，因此在考慮了轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)之后，畫出了轉(zhuǎn)子在軸承剛度為5×106N/m時(shí)的坎貝爾圖，見圖6。在圖中繪制一條X＝Y(jié)的直線（虛線），可以確定轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的臨界頻率。由此確定出來的一階彎曲臨界頻率約為112Hz，即6 720r/min，安全裕度超過30%。

圖6 軸承剛度為5×106N/m時(shí)轉(zhuǎn)子的坎貝爾圖Fig.6 Campbell figure with5×106N/mstiffness

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證磁軸承轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，需要在風(fēng)機(jī)入堆之前進(jìn)行可行性驗(yàn)證試驗(yàn)，圖7所示的是真實(shí)的主氦風(fēng)機(jī)電磁軸承組件。圖8所示的是按照轉(zhuǎn)子的真實(shí)運(yùn)行狀況要求，在250℃氣體環(huán)境內(nèi)持續(xù)運(yùn)行100小時(shí)，圖9是氦風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的升速曲線。

圖7 主氦風(fēng)機(jī)電磁軸承組件圖Fig.7 Heliumal blower electromagnetic bearing assembly

圖8 閉式回路上的氦氣風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)圖Fig.8 Operational experiment of helium bloweral

圖9中是5個(gè)軸承坐標(biāo)處的測振點(diǎn)位移，在轉(zhuǎn)子從0Hz升速到轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速85Hz的區(qū)間內(nèi)，共振區(qū)域最高幅度小于70μm，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)幅度的最高幅度不超過50μm，滿足了實(shí)際使用要求。另外轉(zhuǎn)子在加速過程中，在25Hz附近處出現(xiàn)了共振區(qū)，并且從40Hz一直到85Hz都沒有再出現(xiàn)共振，該結(jié)果與圖6中轉(zhuǎn)子數(shù)值模擬計(jì)算中得到的平動(dòng)模態(tài)頻率吻合的非常好，證明了2.3節(jié)中數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外在風(fēng)機(jī)100h的整體運(yùn)行過程中風(fēng)機(jī)和電磁軸承運(yùn)行穩(wěn)定，證明了風(fēng)機(jī)由機(jī)械滾珠軸承改為電磁軸承的可行性。

圖9 主氦風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行升降速曲線圖Fig.9 Operation speed curve of helium blower rotor

4 結(jié)論

中型渦輪機(jī)械轉(zhuǎn)子在驅(qū)動(dòng)電機(jī)、葉輪結(jié)構(gòu)不變的條件下，支承改型選擇電磁軸承方案是完全可行的，主要體現(xiàn)在：

1）將機(jī)械軸承轉(zhuǎn)換為電磁軸承之后，轉(zhuǎn)子雖然加長300mm，但是軸承剛度降低3個(gè)量級(jí)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)兩個(gè)平動(dòng)自由度，因此第三階模態(tài)才是一階彎曲模態(tài)，一階彎曲模態(tài)頻率反而從110Hz增加到128Hz，安全裕度由30%增加到50%，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2）為抵抗流體動(dòng)力、電機(jī)磁偏拉力、轉(zhuǎn)子不平衡等載荷，并保證風(fēng)機(jī)有足夠的運(yùn)轉(zhuǎn)空間，將電磁軸承剛度選擇為5×106N/m，在此基礎(chǔ)上，考慮轉(zhuǎn)子陀螺效應(yīng)之后，轉(zhuǎn)子的一階彎曲臨界頻率為112Hz，即6 720r/min，安全裕度超過30%。

3）通過氦風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，證明電磁軸承完全可以承受氣動(dòng)力、電機(jī)電磁偏拉力、轉(zhuǎn)子不平衡等載荷并保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。在轉(zhuǎn)子升速過程中，轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)一階彎曲頻率共振峰，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

[1]清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，HTR-10—循環(huán)風(fēng)機(jī)配套電動(dòng)機(jī)HTR355－2技術(shù)條件，2004.

[2]王捷，周惠忠.HTR-10一回路流道氣動(dòng)特性和主氦風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的研究[J].高技術(shù)通訊，2003,13(3):90-97.

[3]Norman Grum & Brian Green,ActiveMagneticBearing requirements for Turbomachinery,The institution of Electrical Engineers.Printed and published by the IEE,Savoy Place,London WC2R OBL,UK.1997.

[4]M.Andrew Rossouw.Development of a Blower for the PBMR Environment-Reliable,Versatile and“Maintenance-free”[c]. Proceedings of the 3rd International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology,HTR2006,2006,Johannesburg, South Africa.

[5]G.G.Jacobs,G.J.F.Hammann.Submerged Helium Blower Experience with Specific Reference to the Electro Magnetic Bearing Behaviour on the Pbmr Helium TestFacility[c]. Proceedings of the 4th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology.HTR2008 1,2008,Washington, DC USA.

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[7]Habermann,H.and Brunet,M.The active magnetic bearing enables optimum control of machine vibrations[C].ASME Paper 85-GT-221,1985.

[8]API-617/6 Centrifugal Compressors for General Refinery service (1995).

[9]ISO14839-1 Mechanical vibration-Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings-Part 1:Vocabulary.

[10]ISO14839-2 Mechanical vibration-Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings-Part 2:Evaluation of vibration.

[11]ISO14839-3 Mechanical vibration-Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings-Part 3:Evaluation of stability margin.

[12]JB/T 6443-1992離心壓縮機(jī)[S].中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1992.

Rotor Dynamics Research of a 165kW Helium Blower with AMBs

Guo-wei DuYou-zhi WangGuo-jun YangZhen-gang ShiLei Zhao
(Institute of Nuclear and New Energy Technology,Collaborative Innovation Center of Advanced Nuclear Energy Technology,Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of Ministry of Education,Tsinghua University)

The 10MW high temperature gas cooled reactor is a new type of reactor that uses helium to carry nuclear energy out from the power generation.The main helium blower in the reactor is one of the key components in the primary system loop of the high temperature gas cooled reactor.At present,the main helium blower is supported by an oil lubricated bearing in order to ensure a long-term safe operation of the bearing.The oil lubrication system for mechanical bearings,however,is complicated and a long time operation will pose a threat to the purity of the helium.AMB has the advantages of lubrication, frictionless free,high speed and so on.The key problem of electromagnetic bearings is larger in size and less in bearing capacity such that further studies are required to investigate,whether electromagnetic bearings are able to meet themechanical requirements for the main helium blower.It is necessary to verify whether it can satisfy the operation requirements of the main helium blower under the blower interface remains unchanged.By using ABAQUS and SAMCEF software modeling, make full use of the rotor modal frequency changes with the bearing stiffness,operation mode of 165kW rotor blower in mechanical ball bearing and AMB environment.By experiment the electromagnetic bearing and the numerical calculation accuracy is verified,meanwhile the driven motor,impeller,cooling fan and other components are not changed.Electromagnetic bearings meet the operating requirements to replace mechanical bearings for the main heliumblower.

helium blower,AMBs,HTR(High Temperature Reactor),rotor dynamic,SAMCEF rotor

TH442；TK05

1006-8155-(2017)04-0039-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.04.0007

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（ZX 06901）

2017-06-21 北京 100084