Comparative analysis of hybrid machine topologies in energy conversion machines

Abstract

The growing demand for high-efficiency megawatt-scale power conversion systems raises the question of optimal machine topology. While sub-megawatt systems are typically integrated turbogenerators, larger systems often use separate turbine–generator units. A hybrid concept introduces a third radial bearing and flexible coupling, integrating the turbine shaft into the generator structure to combine compactness with rotor-dynamic benefits.

This study compares the dynamic behavior of this three-bearing configuration with a conventional two-bearing configuration. Five initial shaft layouts were analyzed for design, critical speeds, controllability, and vibration response under unbalance excitation. The results indicate that a layout with all process stages on a single extension shaft offers reduced vibration and easier crossing of critical speeds, with the second forward-whirl mode positioned far beyond the operational range. These findings highlight the potential of 3-AMB systems to improve modularity and dynamic stability in megawatt-scale turbomachinery.

Kasvava tarve korkean hyötysuhteen megawattitason tehonmuunnosjärjestelmille herättää kysymyksen optimaalisen konfiguraation valinnasta. Alle megawatin järjestelmät toteutetaan tyypillisesti integroituna turbogeneraattorina, kun taas suuremmat järjestelmät koostuvat usein erillisistä turbiini–generaattoriyksiköistä. Hybridikonsepti yhdistää turbiinin akselin generaattorirakenteeseen kolmannen radiaalilaakerin ja joustavan liittimen avulla, mikä yhdistää kompaktin rakenteen ja erillisten yksiköiden roottoridynaamiset edut.

Tässä tutkimuksessa verrataan kolmen laakerin konfiguraation dynaamista käyttäytymistä perinteiseen kahden laakerin ratkaisuun. Viisi alustavaa akselikonfiguraatiota analysoitiin suunnittelun, valmistuksen, kriittisten nopeuksien, ohjattavuuden ja epätasapainosta johtuvan värähtelyvasteen osalta. Tulokset osoittavat, että konfiguraation, jossa kaikki prosessivaiheet sijaitsevat yhdellä jatkoakselilla, tarjoaa pienemmät värähtelytasot ja helpomman kriittisten nopeuksien ylityksen, kun toinen eteenpäin pyörivä taivutusmoodi sijaitsee selvästi käyttöalueen yläpuolella. Nämä havainnot korostavat 3-AMB-järjestelmien potentiaalia parantaa modulaarisuutta ja dynaamista vakautta megawattitason turbokoneissa.