高转速机械转子的亚异步不稳定振动
涡轮机(ji)(ji)(ji)械(汽轮机(ji)(ji)(ji)、离心式(shi)压缩机(ji)(ji)(ji)等(deng))的技(ji)术发(fa)展趋(qu)势表现在高(gao)(gao)(gao)转(zhuan)速、轻质(zhi)(zhi)量、高(gao)(gao)(gao)压、高(gao)(gao)(gao)效(xiao)、大(da)功率和高(gao)(gao)(gao)增益的功率密(mi)度(du)(即机(ji)(ji)(ji)器(qi)单位(wei)质(zhi)(zhi)量或单位(wei)体积内所(suo)具(ju)有的输出功率)。这些高(gao)(gao)(gao)性能(neng)机(ji)(ji)(ji)器(qi)在提(ti)高(gao)(gao)(gao)产量、降低成(cheng)本等(deng)方(fang)面(mian)带来巨(ju)大(da)的经济效(xiao)益但是(shi)从设计(ji)制造(zao)到运行理也(ye)带来很(hen)多难题(ti)其中高(gao)(gao)(gao)速旋转(zhuan)机(ji)(ji)(ji)器(qi)的亚(ya)异步(bu)振(zhen)动问题(ti)是(shi)机(ji)(ji)(ji)器(qi)使用(yong)中面(mian)临(lin)的一大(da)威胁(xie)。
高速(su)、高压和轻质(zhi)量的机器意味着它的旋(xuan)转(zhuan)(zhuan)(zhuan)部件必须设计成挠性结构。现在很多涡轮(lun)机械的转(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)工作转(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)超越(yue)其一阶乃至二(er)阶临界转(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)。这(zhei)种转(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)一旦(dan)发生亚异(yi)步(bu)自激振动(dong)失稳转(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)由运动(dong)而(er)贮存的能(neng)量不断释放(fang)将(jiang)对(dui)包括轴承(cheng)在内的静(jing)子(zi)部件产(chan)生强大的激振力(li)。
因此对(dui)于超临(lin)界转速(su)运行(xing)的机器不仅(jin)需要作审(shen)慎(shen)的高(gao)速(su)动平(ping)衡而且要在结构设计(ji)上避开共振涡动区域防止落入不稳(wen)定的门槛之内(nei)。
高(gao)功率密(mi)度与转(zhuan)子(zi)(zi)挠性结(jie)构(gou)联系在一起(qi)使得机器(qi)对(dui)(dui)于流体激振等干扰(rao)更为敏感容(rong)易(yi)在工作中失去(qu)稳定。涡轮机械(xie)为了追求(qiu)高(gao)效率势必要求(qiu)转(zhuan)子(zi)(zi)和静(jing)子(zi)(zi)各部分动(dong)、静(jing)元件之间(jian)(jian)具有较小(xiao)的(de)密(mi)封(feng)间(jian)(jian)隙较长(zhang)的(de)密(mi)封(feng)结(jie)构(gou)但是高(gao)压力差的(de)密(mi)封(feng)小(xiao)间(jian)(jian)隙，如果设计不(bu)当会引(yin)起(qi)转(zhuan)子(zi)(zi)的(de)气隙激振。此外挠性转(zhuan)子(zi)(zi)的(de)内摩(mo)擦阻尼、干摩(mo)擦振动(dong)、流体的(de)激振以及(ji)转(zhuan)子(zi)(zi)的(de)刚度不(bu)对(dui)(dui)称等因素均可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)亚异(yi)步(bu)不(bu)稳定振动(dong)。
亚异步不稳定振动的特性
亚异步(bu)振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)即转子振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)频(pin)率低(di)于转速(su)频(pin)率的振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)，这(zhei)种振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)可以分为强(qiang)迫振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)和自(zi)激振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)两类。像离(li)心式压缩(suo)机的喘振(zhen)(zhen)、旋转失速(su)之(zhi)类的气流激振(zhen)(zhen)属于强(qiang)迫振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)，而(er)油膜振(zhen)(zhen)荡、非(fei)接触式密封中的流体激振(zhen)(zhen)、转子材料(liao)内摩擦阻尼等属于自(zi)激振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)。通常亚异步(bu)不稳定振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)指自(zi)激振(zhen)(zhen)动(dong)(dong)(dong)。
在(zai)滑动轴承的(de)稳定性(xing)分析中已经提到(dao)了(le)油(you)膜涡(wo)动的(de)概念,油(you)膜振(zhen)(zhen)(zhen)荡即是转子(zi)(zi)轴颈在(zai)油(you)膜力(li)(li)作用下发(fa)生的(de)一种(zhong)共(gong)(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)涡(wo)动。除了(le)油(you)膜力(li)(li)之外,转子(zi)(zi)上还有其他的(de)激振(zhen)(zhen)(zhen)力(li)(li),这些激振(zhen)(zhen)(zhen)力(li)(li)的(de)一个共(gong)(gong)同特征(zheng),是施加(jia)(jia)在(zai)与转子(zi)(zi)位移相垂直的(de)涡(wo)动切向(xiang)方向(xiang)上,促(cu)进转子(zi)(zi)加(jia)(jia)剧涡(wo)动运动。转子(zi)(zi)在(zai)受到(dao)这些力(li)(li)的(de)作用后(hou),一般情况下,由于系统(tong)存在(zai)阻尼,振(zhen)(zhen)(zhen)动并不会(hui)显著(zhu)增大。但(dan)若(ruo)激振(zhen)(zhen)(zhen)力(li)(li)的(de)频率的(de)接近(jin)转子(zi)(zi)的(de)自振(zhen)(zhen)(zhen)频率,就会(hui)引(yin)起共(gong)(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)涡(wo)动。这时,系统(tong)的(de)阻尼力(li)(li)往往不足以克(ke)服激振(zhen)(zhen)(zhen)力(li)(li),转子(zi)(zi)振(zhen)(zhen)(zhen)幅将迅速(su)扩大,强烈的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)动可能造成机器(qi)的(de)损坏。
发(fa)生(sheng)亚异步不(bu)稳定振(zhen)(zhen)动的(de)(de)转子(zi)往(wang)往(wang)运(yun)行在它的(de)(de)一(yi)阶临界转速(su)(su)之(zhi)上,转子(zi)的(de)(de)振(zhen)(zhen)动一(yi)般具有(you)突发(fa)性的(de)(de)特点(dian),与一(yi)定的(de)(de)速(su)(su)度、负(fu)(fu)(fu)荷(he)或功率门槛值相联系。当到达门槛值以后(hou),猛烈的(de)(de)振(zhen)(zhen)动随(sui)之(zhi)发(fa)生(sheng),要想继(ji)续(xu)提(ti)高机器的(de)(de)转速(su)(su)或负(fu)(fu)(fu)荷(he)几乎(hu)是不(bu)可能(neng)的(de)(de),这种振(zhen)(zhen)动称(cheng)为共振(zhen)(zhen)涡(wo)动。也有(you)的(de)(de)称(cheng)为分数频率涡(wo)动,振(zhen)(zhen)动往(wang)往(wang)在机器未达到额(e)定负(fu)(fu)(fu)荷(he)和额(e)定转速(su)(su)之(zhi)前不(bu)暴露出来,而到投产以后(hou)才发(fa)现这类问题。
有(you)些机器(qi)因为设(she)计中考(kao)虑不(bu)周,带(dai)来本身固有(you)的(de)毛病,属于先天性稳定(ding)(ding)不(bu)足,当遇上环境条件的(de)微小变(bian)化就会失去稳定(ding)(ding)。对(dui)这种(zhong)(zhong)机器(qi)进行小修小改(gai)往往并(bing)不(bu)能解决(jue)问题,必须从整体结构上改(gai)造。例如(ru),提高转(zhuan)子的(de)刚性,改(gai)造轴承和密封结构,利用多种(zhong)(zhong)措施增(zeng)加系(xi)统(tong)的(de)阻尼等;提高共振(zhen)(zhen)涡(wo)动门(men)槛值(zhi),避开共振(zhen)(zhen)涡(wo)动。而另一些机器(qi)的(de)不(bu)稳定(ding)(ding)则是由某种(zhong)(zhong)激(ji)振(zhen)(zhen)源引起(qi)的(de),消除了这种(zhong)(zhong)激(ji)振(zhen)(zhen)源,机器(qi)就恢(hui)复到稳定(ding)(ding)状态。
高(gao)参(can)数(高(gao)速、高(gao)压、高(gao)功率)机器的转子(zi)共(gong)振涡动问题,曾引起国内(nei)外(wai)很多学者(zhe)的重视,并(bing)进行了大量研(yan)究工作,研(yan)究转子(zi)的共(gong)振涡动特性,得(de)到的基本结论是:
1一个平衡很好(hao)的转子,开始发生不稳定(ding)时,需要有一个外部干扰。
2发生(sheng)共振涡动的工作转速总是在一(yi)阶临界转速之上。
3共(gong)振涡动频率与机器转速高低无关,总是保(bao)持为一个(ge)恒定值。
4共振涡(wo)动(dong)的(de)门槛值在同一类结构的(de)机器中(zhong)也会有(you)很大差别(bie)。
5在(zai)系统中增加阻尼,可提高共(gong)振涡(wo)动门槛值(zhi)。
6提高转子动平(ping)衡精度并不能消除或衰减共振涡动。
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