旋转机械的动力学特性

旋转机械的动力学特性本章内容转子的稳定性自激振动的机理油膜涡动和油膜振荡油膜失稳的实例油膜失稳的特点提高油膜稳定性的措施间隙不均匀、碰摩、内腔部分充液等引起的失稳强迫振动和自激振动的比较转子动力学的任务和内容转子的临界转速支承刚度对临界转速的影响回转效应对临界转速的影响多跨转子的临界转速和振型转子的不平衡响应转子的运动形象（平衡的理论和方法另题讲授）转子动力学的任务和内容转子动力学研究旋转机械的动力学现象和动力学特性，它是旋转机械的设计、制造、安全运行、故障诊断的力学基础。主要内容：▲临界转速物理概念，确定方法，影响因素。▲不平衡响应转子运动形态，平衡理论和平衡方法。▲稳定性失稳因素，油膜振荡等，提高稳定性的措施。▲其他问题如瞬态响应、扭转振动、非线性问题等。▲当前热点问题复杂转子、失稳因素研究、故障诊断、转子运动的控制、非线性问题等。临界转速criticalspeed临界转速是共振转速，转子在临界转速下会发生共振现象。▲临界转速在数值上一般等于转子横向振动的固有频率。▲临界转速的大小决定于转子的结构（质量和刚度的分布）和轴承的结构(边界条件)。▲一个实际的转子往往有很多阶临界转速，从低到高依次称为第一阶、第二阶、第三阶等等。▲每一阶临界转速下，转子有一个相对应的振型。▲临界转速的数值可以用计算法求得，或用实验法测得。reAO单圆盘转子的临界转速01r/ecCAmOO’mktmekytymtmekxtxmc222222dddd临界转速sincoskyx由上式中解出x和y,并求得振幅r。圆盘惯性力＋轴弹性力＝偏心的离心力单转子的临界转速和振型650MW发电机转子n1=604r/minn2=1840r/minn3=4651r/min多自由度转子有多个临界转速和相应的振型支承刚度对临界转速的影响软支承刚度硬临界转速0K支承刚度降低，临界转速随之下降；反之亦然。振型也随之变化。支承刚度对临界转速的影响，在不同支承刚度范围内是很不同的。回转效应对临界转速的影响回转效应是旋转物体的惯性的表现，它增加轴的刚性，故提高转子的临界转速。有悬臂的转子上，回转效应表现得较明显。此园盘轴线方向不变，没有回转效应此园盘轴线方向变化，回转效应增加轴的刚性200MW汽轮发电机组高压转子中压转子低压转子发电机转子多跨转子轴系由高压转子、中压转子、低压转子和发电机转子组成。全长30余米，共有7个轴承。多转子轴系的临界转速和振型200MW汽轮发电机组轴系发电机转子型n1=1002r/min中压转子型n2=1470r/min高压转子型n3=1936r/min低压转子型n4=2014r/min发电机转子型n5=2678r/min高压转子中压转子低压转子发电机转子轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用。多转子轴系的固有频率和振型单跨转子与多跨轴系临界转速的关系200MW汽轮发电机组轴系单个转子高压转子中压转子低压转子发电机转子刚性支承18051316196510533149弹性支承1693122117409432654多跨轴系高压转子型中压转子型低压转子型发电机转子型刚性支承22841643259211423444弹性支承19361470201410022678轴系的各阶临界转速高于相应的单转子的临界转速。弹性支承转子的临界转速低于刚性支承转子的临界转速。转子的不平衡响应unbalanceresponse▲振动与转子不平衡大小成正比。▲过临界转速时有共振峰。▲振动大小及共振峰高低与阻尼大小有关。▲阻尼较大时，转子对不平衡不敏感。不敏感转子阻尼小阻尼大转速振幅单圆盘转子的不平衡响应01r/ecreAOreCAOreCAOCACOO’cccrererereAO重点高点C转子的同步正进动▲定转速时，转子作刚体弓形回转（同步正进动），转子上轴向的各纤维不受交变力。▲轴心线形状决定于不平衡分布、转子转速和临界转速的分布。▲变转速时，轴心线形状、弯曲大小和相位均变化。自转公转200MW机组转子的不平衡响应转子转速3000r/min转子的稳定性stability造成转子失稳的因素★滑动轴承的油膜力★密封中的流体力★定、转子间径向间隙不均匀★转轴的材料内阻和结构内阻★转子内腔部分充液★转子和定子的碰摩★转子质量和刚性在各径向不对称转子失稳的危害★突发性一般无明显的先兆。★失稳运动一般规模很大。★低周涡动，转轴受交变应力。引起疲劳破坏。恒定的能源提供振动的能量。反馈机制控制能量的适时输入。反馈机制恒定能源振动系统响应激励自激振动的机理实例：弦乐器发声荡秋千吊桥、输电线的风致振动机械钟表的摆动机床切削振动，等自激振动实例－提琴弦的振动VvF2VvF1F1F2相对速度0相对速度（V–v）（V+v）摩擦力F1F2能量W(输入)=F1sW(输出)=F2s每振动一周能量有积累，引起自激振动相对速度的变化弓的拉动琴弦振动变化的摩擦力摩擦力下摆重力做功W(入)=mgl(1-cos)W(入)=mgl下(1-cos)上摆重力做功W(出)=–mgl(1-cos)W(出)=–mgl上(1-cos)能量W(入)=W(出)W(入)W(出)结果由于阻力振动衰减克服阻力建立自激振动自激振动实例－荡秋千mgl蹲下起立普通摆秋千人的起蹲重力秋千摆动重心变化mg蹲下l上l下风致自激振动美国Tacoma吊桥的垮塌(1940年)油膜失稳的实例50010001500200025003000020406080100120140改瓦前改瓦后第6瓦的振幅m机组转速r/min轴承状态轴瓦宽度mm比压N/cm2阈速r/min最大振幅μm#6、#7原瓦41013.52500128第一次缩#6、#7瓦35015.7250040第二次缩#6瓦33016.8__1972年2月朝阳电厂1号机组－200MW油膜轴承工作原理oo1eW发散楔收敛楔最小油膜间隙最大油膜间隙油膜压力分布油膜失稳的机理ycxcykxkfycxcykxkfyyyxyyyxyxyxxxyxxx油膜力轴颈涡动轨迹油膜力做的功)sin(sintbytaxcos)()(sin)(22yxxyyyxxxyyxccabbcackkabW常大于零恒小于零较小可不计如W0，就可能会失稳。弹性力阻尼力失oxykyycyykxxcxxkxycxykyxcyx油膜轴承的半速涡动流入油0.5R(C+e)流出油0.5R(C-e)故多余的油为Re如轴颈绕O作角速度为的涡动，就留出空间2Re为维持流量平衡，就有2Re=Re得=0.5，是为半速涡动分析流经此直径的油流o1eC-eC+eoR半速涡动的运动形态▲公转（涡动）速度为自转速度的一半。▲转子上轴向的各纤维受交变力，交变的频率为-。自转公转油膜振荡的发生升速降速t2cc0涡动振幅转子转速升速降速tc2c0涡动频率转子转速突发性：到达阈速t时，突然发生。阈速大于2倍固有频率。破坏性：振幅一般很大。涡动频率锁住在c；低周正向进动，轴纤维受交变应力。惯性：消失滞后于发生。从油膜涡动发展到油膜振荡涡动频率c/min转子转速r/min油膜涡动的波形和轴心轨迹涡动频率约为转子转速的一半，并随转速变化。涡动方向为正向进动。轴心轨迹出现双内环。涡动的幅度并不很大。油膜振荡的波形和轴心轨迹到达阈速时突然发生，幅度一般很大。涡动频率锁定在转子的固有频率，不再随转速变化。涡动方向为正向进动。轴心轨迹为多重椭圆。一旦发生不易消失，有惯性效应。油膜振荡的防治措施临时措施▲增加油温。▲更换粘度较低的油。▲减小轴承的宽度，以增加比压。▲抬高失稳轴承的标高，增加轴承的负载。▲减小轴承的间隙。根本措施▲改变轴瓦的结构。增加预负荷，开油槽，改变供油方式等▲改用稳定性较好的轴承。圆瓦—椭圆瓦—多油叶瓦—多油楔瓦—可倾瓦▲改变转子结构，将其临界转速提高到工作转速的一半以上。间隙不均匀引起的失稳间隙小处效率高，所需的切向力Ft2小。最后，切向力Ft推动转子绕O点作正向涡动。间隙小处效率高，产生的切向力Ft2大。最后，切向力Ft推动转子绕O点作正向涡动。汽轮机压气机转子内腔充液引起的失稳由于内阻，液体偏向前面一个角度。液体离心力有一分力Ft。最后，切向力Ft推动转子绕O点作正向涡动。转子与定子碰摩引起的失稳转子与定子相碰时，有摩擦力Ft。切向力Ft推动转子绕O点作反向涡动。强迫振动和自激振动的比较自激振动和强迫振动相比较，无论从原因、机理，还是振动特性都有根本差别。详细比较见下页。反馈机制恒定能源振动系统响应激励交变能源振动系统响应激励强迫振动自激振动强迫振动和自激振动的比较强迫振动自激振动1.振动频率转速或外激励频率一般等于固有频率，与转速或外激励频率无关2.振幅与转速的关系有共振峰达到阈速时，振幅突然增大，以后保持不变3.外部阻尼的影响阻尼压低共振峰，对共振频率无明显影响阻尼推迟阈速，对自激振动幅值影响不大4.转子失衡的影响失衡大，振幅大与失衡关系不大5.振动能量来源由交变外激励提供由自激机理从外部恒定能源中取得6.轴上纤维的受力刚体弓形旋转，纤维不受交变力一般为低周进动，纤维受频率为()的交变力7.减振措施避开共振改善平衡引入外阻尼减少失稳因素使工作转速低于阈速引入外阻尼以提高阈速