高轉速機械轉子的亞異步不穩定振動


渦輪機械(汽輪機、離心式壓縮機等)的技術發展趨勢表現在高轉速、輕質量、高壓、高效、大功率和高增益的功率密度(即機器單位質量或單位體積內所具有的輸出功率)。這些高性能機器在提高產量、降低成本等方面帶來巨大的經濟效益但是從設計制造到運行理也帶來很多難題,超聲波測厚儀其中高速旋轉機器的亞異步振動問題是機器使用中面臨的一大威脅。


高速、高壓和輕質量的機器意味著它的旋轉部件必須設計成撓性結構。現在很多渦輪機械的轉子工作轉速超越其一階乃至二階臨界轉速。這種轉子一旦發生亞異步自激振動失穩轉子由運動而貯存的能量不斷釋放,里氏硬度計將對包括軸承在內的靜子部件產生強大的激振力。


因此對于超臨界轉速運行的機器不僅需要作審慎的高速動平衡,便攜式測振儀而且要在結構設計上避開共振渦動區域防止落入不穩定的門檻之內。


高功率密度與轉子撓性結構聯系在一起使得機器對于流體激振等干擾更為敏感容易在工作中失去穩定。渦輪機械為了追求高效率勢必要求轉子和靜子各部分動、靜元件之間具有較小的密封間隙較長的密封結構但是高壓力差的密封小間隙如果設計不當會引起轉子的氣隙激振。此外撓性轉子的內摩擦阻尼、干摩擦振動、流體的激振以及轉子的剛度不對稱等因素均可能引起亞異步不穩定振動。


亞異步不穩定振動的特性

亞異步振動即轉子振動頻率低于轉速頻率的振動這種振動可以分為強迫振動和自激振動兩類。像離心式壓縮機的喘振、旋轉失速之類的氣流激振屬于強迫振動而油膜振蕩、非接觸式密封中的流體激振、轉子材料內摩擦阻尼等屬于自激振動。通常亞異步不穩定振動指自激振動。

 

在滑動軸承的穩定性分析中已經提到了油膜渦動的概念,油膜振蕩即是轉子軸頸在油膜力作用下發生的一種共振渦動。除了油膜力之外,轉子上還有其他的激振力,這些激振力的一個共同特征,是施加在與轉子位移相垂直的渦動切向方向上,促進轉子加劇渦動運動。轉子在受到這些力的作用后,一般情況下,由于系統存在阻尼,振動并不會顯著增大。但若激振力的頻率的接近轉子的自振頻率,就會引起共振渦動。這時,系統的阻尼力往往不足以克服激振力,轉子振幅將迅速擴大,強烈的振動可能造成機器的損壞。

發生亞異步不穩定振動的轉子往往運行在它的一階臨界轉速之上,轉子的振動一般具有突發性的特點,與一定的速度、負荷或功率門檻值相聯系。當到達門檻值以后,猛烈的振動隨之發生,要想繼續提高機器的轉速或負荷幾乎是不可能的,這種振動稱為共振渦動。也有的稱為分數頻率渦動,振動往往在機器未達到額定負荷和額定轉速之前不暴露出來,而到投產以后才發現這類問題。

有些機器因為設計中考慮不周,帶來本身固有的毛病,屬于先天性穩定不足,當遇上環境條件的微小變化就會失去穩定。對這種機器進行小修小改往往并不能解決問題,必須從整體結構上改造。例如,提高轉子的剛性,改造軸承和密封結構,利用多種措施增加系統的阻尼等;提高共振渦動門檻值,避開共振渦動。而另一些機器的不穩定則是由某種激振源引起的,消除了這種激振源,機器就恢復到穩定狀態。


高參數(高速、高壓、高功率)機器的轉子共振渦動問題,曾引起國內外很多學者的重視,并進行了大量研究工作,研究轉子的共振渦動特性,得到的基本結論是:

1一個平衡很好的轉子,開始發生不穩定時,需要有一個外部干擾。

2發生共振渦動的工作轉速總是在一階臨界轉速之上。

3共振渦動頻率與機器轉速高低無關,總是保持為一個恒定值。

4共振渦動的門檻值在同一類結構的機器中也會有很大差別。

5在系統中增加阻尼,可提高共振渦動門檻值。

6提高轉子動平衡精度并不能消除或衰減共振渦動。


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