旋轉機械的動力學特性本章內容

旋

轉機械

的

動

力學特性本章內容轉子的穩(wěn)定性自激振動的機理油膜渦動和油膜振蕩油膜失穩(wěn)的實例油膜失穩(wěn)的特點提高油膜穩(wěn)定性的措施間隙不均勻、碰摩、內腔部分充液等引起的失穩(wěn)強迫振動和自激振動的比較轉子動力學的任務和內容轉子的臨界轉速支承剛度對臨界轉速的影響回轉效應對臨界轉速的影響多跨轉子的臨界轉速和振型轉子的不平衡響應轉子的運動形象（平衡的理論和方法另題講授）轉子動力學的任務和內容

轉子動力學研究旋轉機械的動力學現(xiàn)象和動力學特性，它是旋轉機械的設計、制造、安全運行、故障診斷的力學基礎。主要內容：▲

臨界轉速物理概念，確定方法，影響因素?！黄胶忭憫D子運動形態(tài)，平衡理論和平衡方法?！€(wěn)定性失穩(wěn)因素，油膜振蕩等，提高穩(wěn)定性的措施。▲

其他問題如瞬態(tài)響應、扭轉振動、非線性問題等。▲

當前熱點問題復雜轉子、失穩(wěn)因素研究、故障診斷、轉子運動的控制、非線性問題等。臨界轉速criticalspeed臨界轉速是共振轉速，轉子在臨界轉速下會發(fā)生共振現(xiàn)象?！R界轉速在數(shù)值上一般等于轉子橫向振動的固有頻率?！R界轉速的大小決定于轉子的結構（質量和剛度的分布）和軸承的結構(邊界條件)?！?/p>

一個實際的轉子往往有很多階臨界轉速，從低到高依次稱為第一階、第二階、第三階等等?！恳浑A臨界轉速下，轉子有一個相對應的振型?！?/p>

臨界轉速的數(shù)值可以用計算法求得，或用實驗法測得。reAO

單圓盤轉子的臨界轉速01r/ecCAmO

O’

kyx由上式中解出x和y,并求得振幅r。圓盤慣性力＋軸彈性力＝偏心的離心力單轉子的臨界轉速和振型650MW發(fā)電機轉子

n1=604r/minn2=1840r/minn3=4651r/min多自由度轉子有多個臨界轉速和相應的振型支承剛度對臨界轉速的影響

軟

支承剛度

硬臨界轉速0K支承剛度降低，臨界轉速隨之下降；反之亦然。振型也隨之變化。支承剛度對臨界轉速的影響，在不同支承剛度范圍內是很不同的?；剞D效應對臨界轉速的影響

回轉效應是旋轉物體的慣性的表現(xiàn)，它增加軸的剛性，故提高轉子的臨界轉速。有懸臂的轉子上，回轉效應表現(xiàn)得較明顯。此園盤軸線方向不變，沒有回轉效應此園盤軸線方向變化，回轉效應增加軸的剛性200MW汽輪發(fā)電機組高壓轉子中壓轉子低壓轉子發(fā)電機轉子

多跨轉子軸系由高壓轉子、中壓轉子、低壓轉子和發(fā)電機轉子組成。全長30余米，共有7個軸承。多轉子軸系的臨界轉速和振型200MW汽輪發(fā)電機組軸系

發(fā)電機轉子型n1=1002r/min中壓轉子型n2=1470r/min高壓轉子型n3=1936r/min低壓轉子型n4=2014r/min發(fā)電機轉子型n5=2678r/min高壓轉子中壓轉子低壓轉子發(fā)電機轉子

軸系各階振型中，一般有一個轉子起主導作用。多轉子軸系系的固有頻頻率和振型型單跨轉子與與多跨軸系系臨界轉速速的關系200MW汽輪發(fā)電機機組軸系軸系的各階階臨界轉速速高于相應的單單轉子的臨臨界轉速。。彈性支承轉轉子的臨界界轉速低于剛性支承承轉子的臨臨界轉速。。轉子的不平平衡響應unbalanceresponse▲振動與轉子子不平衡大大小成成正比?！^臨界轉速時時有共振峰峰?！駝哟笮〖凹肮舱穹甯吒叩团c阻尼尼大小有關關?！枘彷^較大時，轉子對對不平衡不不敏感。不敏感轉子子阻尼小阻尼大轉速振幅單圓盤轉子子的不平衡衡響應01r/ecreAO

reCAO

reCAO

CACOO’<<cc>>cr<<er>>erereAO

重點高高點C轉子的同步步正進動▲定轉速時，，轉子作剛體弓形回回轉（同步正進進動），轉轉子上軸向向的各纖維維不受交變變力?！S心線形狀狀決定于不不平衡分布布、轉子轉轉速和臨界界轉速的分分布?！冝D速時，，軸心線形形狀、彎曲曲大小和相相位均變化化。自轉公轉200MW機組轉子的的不平衡響響應轉子轉速3000r/min轉子的穩(wěn)定定性stability造成轉子失失穩(wěn)的因素素★滑動軸承承的油膜力力★密封中的的流體力★定、轉子子間徑向間間隙不均勻勻★轉軸的材材料內阻和和結構內阻阻★轉子內腔腔部分充液液★轉子和定定子的碰摩摩★轉子質量量和剛性在在各徑向不不對稱轉子失穩(wěn)的的危害★突發(fā)性一般般無明顯的的先兆。★失穩(wěn)運動動一般規(guī)模模很大。★低周渦動動，轉軸受受交變應力力。引起疲疲勞破壞。。恒定的能源源提供振動動的能量。。反饋機制控控制能量的的適時輸入入。反饋機制恒定能源振動系統(tǒng)響應激勵自激振動的的機理實例：弦樂樂器發(fā)聲蕩秋千吊橋、輸電電線的風致致振動機械鐘表的的擺動機床切削振振動，等自激振動實實例－提琴弦的振振動VvF2VvF1F1F2相對速度0相對速度（V–v）<（（V+v）摩擦力F1>F2能量W(輸入)=F1s>W(輸出)=F2s每振動一周周能量有積積累，引起起自激振動動相對速度的變化弓的拉動琴弦振動變化的摩擦力摩擦力下擺重力做功W(入)=mgl(1-cos)W(入)=mgl下(1-cos)上擺重力做功W(出)=––mgl(1-cos)W(出)=–mgl上(1-cos)能量W(入)=W(出)W(入)>W(出)結果由于阻力振振動衰減克服阻力建建立自激振振動自激振動實實例－蕩秋千mgl蹲下起立普通擺秋千人的起蹲重力秋千擺動重心變化mg蹲下l上l下風致自激振振動美國Tacoma吊橋的垮塌塌(1940年)油膜失穩(wěn)的的實例1972年年2月朝朝陽電廠1號機組組－200MW油膜軸承工工作原理oo1eW發(fā)散楔收斂楔最小油膜間隙最大油膜間隙油膜壓力分布油膜失穩(wěn)的的機理油膜力軸頸渦動軌軌跡油膜力做的的功常大于零恒小于零較小可不計計如W>0，就可能會失失穩(wěn)。彈性力阻阻尼尼力失oxykyycyykxxcxxkxycxykyxcyx油膜軸承的的半速渦動動流入油0.5R(C+e)流出油0.5R(C-e)故多余的油油為Re如軸頸繞O作角速度為為的渦動，就就留出空間間2Re為維持流量量平衡，就就有2Re=Re得=0.5，是為半速渦動分析流經(jīng)此此直徑的油油流o1eC-eC+eoR半速渦動的的運動形態(tài)▲公轉（渦動））速度為自轉速度度的一半?！D子上軸向向的各纖維維受交變力力，交變的的頻率為-。自轉公轉油膜振蕩蕩的發(fā)生生升速降速t2cc0渦動振幅轉子轉速升速降速tc2c0渦動頻率轉子轉速突發(fā)性：到達閾閾速t時，突然然發(fā)生。。閾速大大于2倍倍固有有頻率。。破壞性：振幅一一般很大大。渦渦動動頻率鎖鎖住在c；低周正向向進動，，軸纖維維受交變變應力。。慣性：消消失滯后后于發(fā)生生。從油膜渦渦動發(fā)展展到油膜膜振蕩渦動動頻頻率率c/min轉子子轉轉速速r/min油膜膜渦渦動動的的波波形形和和軸軸心心軌軌跡跡渦動動頻頻率率約約為為轉轉子子轉轉速速的的一一半半，，并并隨隨轉轉速速變變化化。。渦動動方方向向為為正正向向進進動動。。軸軸心心軌軌跡跡出出現(xiàn)現(xiàn)雙雙內內環(huán)環(huán)。。渦動動的的幅幅度度并并不不很很大大。。油膜膜振振蕩蕩的的波波形形和和軸軸心心軌軌跡跡到達達閾閾速速時時突突然然發(fā)發(fā)生生，，幅幅度度一一般般很很大大。。渦動動頻頻率率鎖鎖定定在在轉轉子子的的固固有有頻頻率率，，不不再再隨隨轉轉速速變變化化。。渦動動方方向向為為正正向向進進動動。。軸軸心心軌軌跡跡為為多多重重橢橢圓圓。。一旦旦發(fā)發(fā)生生不不易易消消失失，，有有慣慣性性效效應應。。油膜膜振振蕩蕩的的防防治治措措施施臨時時措措施施▲增加加油油溫溫。?！鼡Q換粘粘度度較較低低的的油油。。▲減小小軸軸承承的的寬寬度度，，以以增增加加比比壓壓。?！Ц吒呤Х€(wěn)穩(wěn)軸軸承承的的標標高高，，增增加加軸軸承承的的負負載載?！鴾p小小軸軸承承的的間間隙隙。。根本本措措施施▲改變變軸軸瓦瓦的的結結構構。。增加加預預負負荷荷，，開開油油槽槽，，改改變變供供油油方方式式等等▲改用用穩(wěn)穩(wěn)定定性性較較好好的的軸軸承承。。圓瓦瓦——橢橢圓圓瓦瓦——多多油油葉葉瓦瓦——多多油油楔楔瓦瓦——可可傾傾瓦瓦▲改變變轉轉子子結結構構，，將將其其臨臨界界轉轉速速提提高高到到工工作作轉轉速速的的一一半半以以上上。間隙隙不不均均勻勻引引起起的的失失穩(wěn)穩(wěn)間隙隙小小處處效效率率高高，，所所需需的的切切向向力力Ft2小。。最后后，，切切向向力力Ft推動動轉轉子子繞繞O點作作正正向向渦渦動動。間隙隙小小處處效效率率高高，，產產生生的的切切向向力力Ft2大。。最后后，，切切向向力力Ft推動動轉轉子子繞繞O點作作正正向向渦渦動動。汽輪機壓氣機轉子子內內腔腔充充液液引引起起的的失失穩(wěn)穩(wěn)由于于內內阻阻，，液液體體偏偏向向前前面面一一個個角角度度。液體體離離心心力力有有一一分分力力Ft。最后后，，切切向向力力Ft推動動轉轉子子繞繞O點作