旋轉(zhuǎn)機械動力學(xué)特性

1、的的本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容n轉(zhuǎn)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(nèi)腔部分充液等引起的失穩(wěn)n強迫振動和自激振動的比較n轉(zhuǎn)子動力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容n轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速 支承剛度對臨界轉(zhuǎn)速的影響 回轉(zhuǎn)效應(yīng)對臨界轉(zhuǎn)速的影響 多跨轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速和振型n轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng) 轉(zhuǎn)子的運動形象 （平衡的理論和方法 另題講授）轉(zhuǎn)子動力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容轉(zhuǎn)子動力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容 轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究旋轉(zhuǎn)機械的動力學(xué)現(xiàn)象和動力學(xué)特性，它是旋轉(zhuǎn)機械的設(shè)計、制造、安全運行、故障診斷的力學(xué)基礎(chǔ)。主要內(nèi)容： 臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速 物理概念，確定方法，影響因素。 不平

2、衡響應(yīng)不平衡響應(yīng) 轉(zhuǎn)子運動形態(tài)，平衡理論和平衡方法。 穩(wěn)定性穩(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(yīng)、扭轉(zhuǎn)振動、非線性問題等。 當前熱點問題 復(fù)雜轉(zhuǎn)子、失穩(wěn)因素研究、故障診斷、 轉(zhuǎn)子運動的控制、非線性問題等。臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速 critical speed 臨界轉(zhuǎn)速是共振轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下會發(fā)生共振現(xiàn)象。 臨界轉(zhuǎn)速在數(shù)值上一般等于轉(zhuǎn)子橫向振動的固有頻率。 臨界轉(zhuǎn)速的大小決定于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)（質(zhì)量和剛度的分布）和軸承的結(jié)構(gòu)(邊界條件)。 一一個實際的轉(zhuǎn)子往往有很多階臨界轉(zhuǎn)速，從低到高依次稱為第一階、第二階、第三階等等。 每一階臨界轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子有一個相對應(yīng)的振型。 臨界

3、轉(zhuǎn)速的數(shù)值可以用計算法求得，或用實驗法測得。re A O 單圓盤轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速單圓盤轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速01r/ecC A m O O mktmekytymtmekxtxmc222222 dddd臨界轉(zhuǎn)速sincosk y x 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(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速和振型單轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速和振型650MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子 n1= 604 r/minn2= 1840 r/minn3= 4651 r/min多自由度轉(zhuǎn)子有多個臨界轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的振型支承剛度對臨界轉(zhuǎn)速的影響支承剛度對臨界轉(zhuǎn)速的影響 軟 支承剛度 硬臨界轉(zhuǎn)速 0K支承剛度降低，臨界轉(zhuǎn)速隨之下降；反之亦然。振

4、型也隨之變化。支承剛度對臨界轉(zhuǎn)速的影響，在不同支承剛度范圍內(nèi)是很不同的。回轉(zhuǎn)效應(yīng)對臨界轉(zhuǎn)速的影響回轉(zhuǎn)效應(yīng)對臨界轉(zhuǎn)速的影響 回轉(zhuǎn)效應(yīng)是旋轉(zhuǎn)物體的慣性的表現(xiàn)，它增加軸的剛性，故提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。有懸臂的轉(zhuǎn)子上，回轉(zhuǎn)效應(yīng)表現(xiàn)得較明顯。此園盤軸線方向不變，沒有回轉(zhuǎn)效應(yīng)此園盤軸線方向變化，回轉(zhuǎn)效應(yīng)增加軸的剛性200MW汽輪發(fā)電機組汽輪發(fā)電機組高壓轉(zhuǎn)子 中壓轉(zhuǎn)子 低壓轉(zhuǎn)子 發(fā)電機轉(zhuǎn)子 多跨轉(zhuǎn)子軸系由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子組成。 全長30余米，共有7個軸承。多轉(zhuǎn)子軸系的臨界轉(zhuǎn)速和振型多轉(zhuǎn)子軸系的臨界轉(zhuǎn)速和振型200MW汽輪發(fā)電機組軸系汽輪發(fā)電機組軸系 發(fā)電機轉(zhuǎn)子型n1 =1002 r/m

5、in中壓轉(zhuǎn)子型n2 = 1470 r/min高壓轉(zhuǎn)子型n3 = 1936 r/min低壓轉(zhuǎn)子型n4 = 2014 r/min發(fā)電機轉(zhuǎn)子型n5 = 2678 r/min高壓轉(zhuǎn)子 中壓轉(zhuǎn)子 低壓轉(zhuǎn)子 發(fā)電機轉(zhuǎn)子 軸系各階振型中，一般有一個轉(zhuǎn)子起主導(dǎo)作用。多轉(zhuǎn)子軸系的固有頻率和振型多轉(zhuǎn)子軸系的固有頻率和振型單跨轉(zhuǎn)子與多跨軸系臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系單跨轉(zhuǎn)子與多跨軸系臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系200MW汽輪發(fā)電機組軸系汽輪發(fā)電機組軸系單 個轉(zhuǎn) 子高壓轉(zhuǎn)子中壓轉(zhuǎn)子低壓轉(zhuǎn)子發(fā)電機轉(zhuǎn)子剛性支承1805131619651053 3149彈性支承169312211740 943 2654多 跨軸 系高壓轉(zhuǎn)子型 中壓轉(zhuǎn)子型 低壓轉(zhuǎn)子型

6、發(fā)電機轉(zhuǎn)子型剛性支承2284164325921142 3444彈性支承1936147020141002 2678軸系的各階臨界轉(zhuǎn)速高高于相應(yīng)的單轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。彈性支承轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速低低于剛性支承轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng) unbalance response 振動與轉(zhuǎn)子不平衡 大小成正比。 過臨界轉(zhuǎn)速時有共振峰。 振動大小及共振峰高低與阻尼大小有關(guān)。 阻尼較大時，轉(zhuǎn)子對不平衡不敏感。不敏感轉(zhuǎn)子阻尼小阻尼大轉(zhuǎn)速振幅 單圓盤轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)單圓盤轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)01r/ecre A O re C A O re C A O C A C O O c r e r ere A O

7、重點 高點C 轉(zhuǎn)子的同步正進轉(zhuǎn)子的同步正進動動 定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子作 剛體弓形回轉(zhuǎn)剛體弓形回轉(zhuǎn)（同步正進動），轉(zhuǎn)子上軸向的各纖維不受交變力。 軸心線形狀決定于不平衡分布、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)速的分布。 變轉(zhuǎn)速時，軸心線形狀、彎曲大小和相位均變化。自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)200MW機組轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)機組轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 3000r/min轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性 stability造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的因素造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的因素滑動軸承的油膜力密封中的流體力定、轉(zhuǎn)子間徑向間隙不均勻轉(zhuǎn)軸的材料內(nèi)阻和結(jié)構(gòu)內(nèi)阻轉(zhuǎn)子內(nèi)腔部分充液轉(zhuǎn)子和定子的碰摩轉(zhuǎn)子質(zhì)量和剛性在各徑向不對稱轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的危害轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的危害突發(fā)性一般無明顯的先兆。失穩(wěn)運

8、動一般規(guī)模很大。低周渦動，轉(zhuǎn)軸受交變應(yīng)力。引起疲勞破壞。n恒定的能源提供振動的能量。n反饋機制控制能量的適時輸入。反饋機制恒定能源振動系統(tǒng)響應(yīng)激勵自激振動的機理自激振動的機理實例：弦樂器發(fā)聲 蕩秋千 吊橋、輸電線的風致振動 機械鐘表的擺動 機床切削振動，等自激振動實例自激振動實例提琴弦的振動提琴弦的振動VvF2VvF1F1F2相對速度0相對速度相對速度 （V v） F2能量能量 W(輸入)=F1 s W (輸出)=F2 s每振動一周能量有積累，引起自激振動每振動一周能量有積累，引起自激振動 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下擺 重力做功 W(入)= mgl(1-cos) W

9、(入)= mgl下(1-cos)上擺上擺 重力做功 W(出)= mgl(1-cos) W(出)= mgl上(1-cos)能量能量 W(入)= W(出) W(入) W(出) 結(jié)果結(jié)果 由于阻力振動衰減 克服阻力建立自激振動自激振動實例自激振動實例蕩秋千蕩秋千mgl蹲下起立普通擺普通擺秋千秋千人的起蹲重力秋千擺動重心變化mg蹲下l上l下風致自激振動風致自激振動美國 Tacoma 吊橋的垮塌 (1940年)油膜失穩(wěn)的實例油膜失穩(wěn)的實例50010001500200025003000020406080100120140 改 瓦 前 改 瓦 后第 6瓦 的 振 幅 m機組轉(zhuǎn) 速 r/min軸承狀態(tài)軸瓦寬度

10、mm比壓N/cm2閾速r/min最大振幅m#6、#7原瓦41013.52500128第一次縮#6、#7瓦35015.7250040第二次縮#6瓦33016.8_1972年年2月月 朝陽電廠朝陽電廠 1號機組號機組200MW 油膜軸承工作原理油膜軸承工作原理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)的機理油膜失穩(wěn)的機理ycxcykxkfycxcykxkfyyyxyyyxyxyxxxyxxx油膜力油膜力軸頸渦動軌跡軸頸渦動軌跡 油膜力做的功油膜力做的功)sin(sintbytaxcos)( )( sin)(22yxxyyyxxxyyxccabbcackkabW常大于零恒小于

11、零較小可不計如W0，就可能會失穩(wěn)。彈性力 阻尼力失oxykyy cyykxx cxxkxy cxykyx cyx油膜軸承的半速渦動油膜軸承的半速渦動n流入油 0.5R (C+e) 流出油 0.5R (C-e)n故多余的油為R en如軸頸繞O 作角速度為 的渦動，就留出空間 2R e n為維持流量平衡，就有 2R e = R en得 = 0.5 ，是為半速渦動半速渦動分析流經(jīng)此直徑的油流o1e C-eC+eoR半速渦動的半速渦動的運動形態(tài)運動形態(tài) 公轉(zhuǎn)（渦動）速度為自轉(zhuǎn)速度 的一半。 轉(zhuǎn)子上軸向的各纖維受交變力，交變的頻率為- 。自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)油膜振蕩的發(fā)生油膜振蕩的發(fā)生 升速降速t2cc0渦動振幅轉(zhuǎn)

12、子轉(zhuǎn)速升速降速tc2c0渦動頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速突發(fā)性突發(fā)性：到達閾速 t 時，突然發(fā)生。閾速大于2 倍固有頻率。破壞性破壞性：振幅一般很大。 渦動頻率鎖住在 c ；低周正向進動，軸纖維受交變應(yīng)力。慣性慣性： 消失滯后于發(fā)生。從油膜渦動發(fā)展到油膜振蕩從油膜渦動發(fā)展到油膜振蕩渦動頻率 c/min轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r/min油膜渦動的波形和軸心軌跡油膜渦動的波形和軸心軌跡 渦動頻率約為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的一半，并隨轉(zhuǎn)速變化。 渦動方向為正向進動。軸心軌跡出現(xiàn)雙內(nèi)環(huán)。 渦動的幅度并不很大。 油膜振蕩的波形和軸心軌跡油膜振蕩的波形和軸心軌跡 到達閾速時突然發(fā)生，幅度一般很大。 渦動頻率鎖定在轉(zhuǎn)子的固有頻率，不再隨轉(zhuǎn)速變化。 渦動

13、方向為正向進動。軸心軌跡為多重橢圓。 一旦發(fā)生不易消失，有慣性效應(yīng) 。油膜振蕩的防治措施油膜振蕩的防治措施臨時措施臨時措施 增加油溫。 更換粘度較低的油。 減小軸承的寬度，以增 加比壓。 抬高失穩(wěn)軸承的標高，增加軸承的負載。 減小軸承的間隙。根本措施根本措施 改變軸瓦的結(jié)構(gòu)。 增加預(yù)負荷，開油槽，改變供油方式等 改用穩(wěn)定性較好的軸承。 圓瓦橢圓瓦多油葉瓦多油楔瓦可傾瓦 改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，將其臨界轉(zhuǎn)速提高到工作轉(zhuǎn)速的一半以上。間隙不均勻引起的失穩(wěn)間隙不均勻引起的失穩(wěn)n間隙小處效率高，所需的切向力F Ft2小。n最后，切向力F Ft 推動轉(zhuǎn)子繞O點作正向渦動 。n間隙小處效率高，產(chǎn)生的切向力F Ft2

14、大。n最后，切向力F Ft 推動轉(zhuǎn)子繞O點作正向渦動 。汽輪機汽輪機壓氣機壓氣機轉(zhuǎn)子內(nèi)腔充液引起的失穩(wěn)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔充液引起的失穩(wěn)n由于內(nèi)阻，液體偏向前面一個角度。n液體離心力有一分力F Ft。n最后，切向力F Ft 推動轉(zhuǎn)子繞 O 點作正向渦動。轉(zhuǎn)子與定子碰摩引起的失穩(wěn)轉(zhuǎn)子與定子碰摩引起的失穩(wěn)n轉(zhuǎn)子與定子相碰時，有摩擦力F Ft。n切向力F Ft 推動轉(zhuǎn)子繞 O 點作反向渦動 。強迫振動和自激振動的比較強迫振動和自激振動的比較n自激振動和強迫振動相比較，無論從原因、機理，還是振動特性都有根本差別。n詳細比較見下頁。反饋機制恒定能源振動系統(tǒng)響應(yīng)激勵交變能源振動系統(tǒng)響應(yīng)激勵強迫振動強迫振動自激振動自激振動強迫振動和自激振動的比較強迫振動和自激振動的比較強強 迫迫 振振 動動自自 激激 振振 動動1.振動頻率轉(zhuǎn)速或外激勵頻率一般等于固有頻率，與轉(zhuǎn)速或外