高转速机械转子的亚异步不稳定振动

涡轮机械(汽轮机、离心式压缩机等)的技术发展趋势表现在高转速、轻质量、高压、高效、大功率和高增益的功率密度(即机器单位质量或单位体积内所具有的输出功率)。这些高性能机器在提高产量、降低成本等方面带来巨大的经济效益，但是从设计制造到运行理也带来很多难题，其中高速旋转机器的亚异步振动问题是机器使用中面临的一大威胁。

高速、高压和轻质量的机器意味着它的旋转部件必须设计成挠性结构。现在很多涡轮机械的转子工作转速超越其一阶乃至二阶临界转速。这种转子一旦发生亚异步自激振动失稳，转子由运动而贮存的能量不断释放，将对包括轴承在内的静子部件产生强大的激振力。

因此对于超临界转速运行的机器，不仅需要作审慎的高速动平衡，而且要在结构设计上避开共振涡动区域，防止落入不稳定的门槛之内。

高功率密度与转子挠性结构联系在一起，使得机器对于流体激振等干扰更为敏感，容易在工作中失去稳定。涡轮机械为了追求高效率，势必要求转子和静子各部分动、静元件之间具有较小的密封间隙，较长的密封结构，但是高压力差的密封小间隙，如果设计不当会引起转子的气隙激振。此外，挠性转子的内摩擦阻尼、干摩擦振动、流体的激振以及转子的刚度不对称等因素均可能引起亚异步不稳定振动。

亚异步不稳定振动的特性

亚异步振动，即转子振动频率低于转速频率的振动，这种振动可以分为强迫振动和自激振动两类。像离心式压缩机的喘振、旋转失速之类的气流激振属于强迫振动，而油膜振荡、非接触式密封中的流体激振、转子材料内摩擦阻尼等属于自激振动。通常亚异步不稳定振动指自激振动。

 

在滑动轴承的稳定性分析中已经提到了油膜涡动的概念,油膜振荡即是转子轴颈在油膜力作用下发生的一种共振涡动。除了油膜力之外,转子上还有其他的激振力,这些激振力的一个共同特征,是施加在与转子位移相垂直的涡动切向方向上,促进转子加剧涡动运动。转子在受到这些力的作用后,一般情况下,由于系统存在阻尼,振动并不会显著增大。但若激振力的频率的接近转子的自振频率,就会引起共振涡动。这时,系统的阻尼力往往不足以克服激振力,转子振幅将迅速扩大,强烈的振动可能造成机器的损坏。

发生亚异步不稳定振动的转子往往运行在它的一阶临界转速之上,转子的振动一般具有突发性的特点,与一定的速度、负荷或功率门槛值相联系。当到达门槛值以后,猛烈的振动随之发生,要想继续提高机器的转速或负荷几乎是不可能的,这种振动称为共振涡动。也有的称为分数频率涡动,振动往往在机器未达到额定负荷和额定转速之前不暴露出来,而到投产以后才发现这类问题。

有些机器因为设计中考虑不周,带来本身固有的毛病,属于先天性稳定不足,当遇上环境条件的微小变化就会失去稳定。对这种机器进行小修小改往往并不能解决问题,必须从整体结构上改造。例如,提高转子的刚性,改造轴承和密封结构,利用多种措施增加系统的阻尼等;提高共振涡动门槛值,避开共振涡动。而另一些机器的不稳定则是由某种激振源引起的,消除了这种激振源,机器就恢复到稳定状态。

高参数(高速、高压、高功率)机器的转子共振涡动问题,曾引起国内外很多学者的重视,并进行了大量研究工作,研究转子的共振涡动特性,得到的基本结论是:

1一个平衡很好的转子,开始发生不稳定时,需要有一个外部干扰。

2发生共振涡动的工作转速总是在一阶临界转速之上。

3共振涡动频率与机器转速高低无关,总是保持为一个恒定值。

4共振涡动的门槛值在同一类结构的机器中也会有很大差别。

5在系统中增加阻尼,可提高共振涡动门槛值。

6提高转子动平衡精度并不能消除或衰减共振涡动。

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