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1、旋 转 机 械的动 力 学 特 性第一页，共36页。本 章 内 容n 转子的稳定性n 自激振动的机理n 油膜涡动和油膜振荡(zhndng)n 油膜失稳的实例n 油膜失稳的特点n 提高油膜稳定性的措施n 间隙不均匀、碰摩、内腔部分充液等引起的失稳n 强迫振动和自激振动的比较n 转子动力学的任务和内容n 转子的临界转速n 支承刚度对临界转速的影响n 回转效应(xioyng)对临界转速的影响n 多跨转子的临界转速和振型n 转子的不平衡响应n 转子的运动形象n（平衡的理论和方法n 另题讲授）第二页，共36页。转子(zhun z)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
2、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(nirng)：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(dngqin)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。第三页，共36页。临界(ln ji)转速 critical speed 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
3、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(d r)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。第四页，共36页。re A O 单圆盘转子(zhun z)的临界转速01r/ecC A m O O k y x 由上式中解出x和y,并求得振幅(zhnf)r。圆盘(yun pn)惯性力 轴弹性力 偏心的离心力第五页，共36页。单转子的临界(ln ji)转速和振型650MW发电机转子(zhun z)n1=604 r/minn2=1840 r/minn3=4651 r/min多自由度转子有多个(du)临界转速和相应的振型第
4、六页，共36页。支承刚度(n d)对临界转速的影响 软 支承(zh chn)刚度 硬临界(ln ji)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。第七页，共36页。回转效应对临界(ln ji)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(zhun s)。有悬臂的转子上，回转效应表现得较明显。此园盘轴线方向(fngxing)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第八页，共36页。200MW汽轮(q ln)发电机组高压转子(zhun z)中压转子(zhun z)
5、低压转子(zhun z)发电机转子(zhun z)多跨转子轴系由高压(goy)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。第九页，共36页。多转子轴系的临界(ln ji)转速和振型200MW汽轮发电机组轴系 发电机转子型n1=1002 r/min中压转子型n2=1470 r/min高压(goy)转子型n3=1936 r/min低压转子型n4=2014 r/min发电机转子型n5=2678 r/min高压(goy)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。第十页，共36页。多转子(zhun z)轴系的固有频率和振型第十一页，共36页
6、。单跨转子与多跨轴系临界(ln ji)转速的关系200MW汽轮(q ln)发电机组轴系轴系的各阶临界转速(zhun s)高于相应的单转子的临界转速(zhun s)。弹性支承转子的临界转速(zhun s)低于刚性支承转子的临界转速(zhun s)。第十二页，共36页。转子(zhun z)的不平衡响应 unbalance response 振动与转子不平衡 大小成正比。过临界转速(zhun s)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(mngn)转子阻尼小阻尼大转速振幅第十三页，共36页。单圆盘转子的不平衡(pnghng)响应01r/ecre A O
7、re C A O re C A O C A C O O c r e r ere A O 重点(zhngdin)高点C 第十四页，共36页。转子的同步(tngb)正进动 定转速时，转子作 刚体弓形(n xn)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(zhun s)和临界转速(zhun s)的分布。变转速(zhun s)时，轴心线形状、弯曲大小和相位均变化。自转 公转 第十五页，共36页。200MW机组转子的不平衡(pnghng)响应转子(zhun z)转速 3000r/min第十六页，共36页。转子(zhun z)的稳定性 stability 造成转
8、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(n xn)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(yndng)一般规模很大。低周涡动，转轴受交变应力。引起疲劳破坏。第十七页，共36页。n 恒定(hngdng)的能源提供振动的能量。n 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(zhndng)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(jchung)切削振动，等第十八页，共36页。自激振动实例(shl)提琴弦的振动VvF2
9、VvF1F1F2相对速度0相对速度（V v）F2能量 W(输入)=F1 s W(输出)=F2 s每振动一周(y zhu)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第十九页，共36页。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(kf)阻力建立自激振动自激振动(zhndng)实例荡秋千mgl蹲下起立(ql)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下第二十页，共36页。风致自激
10、振动(zhndng)美国 Tacoma 吊桥的垮塌(1940年)第二十一页，共36页。油膜失稳的实例(shl)1972年2月 朝阳(choyng)电厂 1号机组200MW 第二十二页，共36页。油膜轴承(zhuchng)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第二十三页，共36页。油膜失稳的机理(j l)油膜力轴颈涡动轨迹(guj)油膜力做的功常大于零恒小于零较小可(xiok)不计如W0，就可能会失稳。弹性力 阻尼力失oxykyy cyykxx cxxkxy cxykyx cyx第二十四页，共36页。油膜轴承(zhuchng)的半速涡动n 流入油 0.5R(C+e)n
11、 流出油 0.5R(C-e)n 故多余(duy)的油为R en 如轴颈绕O 作角速度为 的涡动，就留出空间 2R e n 为维持流量平衡，就有n 2R e=R en 得=0.5，是为半速涡动分析(fnx)流经此直径的油流o1eC-eC+eoR第二十五页，共36页。半速涡动的运动(yndng)形态 公转（涡动）速度 为自转速度 的一半。转子(zhun z)上轴向的各纤维受交变力，交变的频率为-。自转(zzhun)公转 第二十六页，共36页。油膜振荡(zhndng)的发生 升速降速t2 cc0涡动振幅转子转速升速 降速tc2 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
12、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(xiosh)滞后于发生。第二十七页，共36页。从油膜涡动发展(fzh n)到油膜振荡涡动频率(pnl)c/min转子(zhun z)转速r/min第二十八页，共36页。油膜涡动的波形(b xn)和轴心轨迹 涡动频率约为转子(zhun z)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。第二十九页，共36页。油膜振荡(zhndng)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(zhu xn
13、)轨迹为多重椭圆。一旦发生不易消失，有惯性效应。第三十页，共36页。油膜振荡(zhndng)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(zhuchng)的宽度，以增 加比压。抬高失稳轴承(zhuchng)的标高，增加轴承(zhuchng)的负载。减小轴承(zhuchng)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(zhuchng)。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。第三十一页，共36页。间隙(jin x)不均匀引起的失稳n 间隙(jin x)小处效率高，所需的切向力Ft2小。n 最
14、后，切向力Ft 推动转子绕O点作正向涡动。n 间隙小处效率高，产生的切向力Ft2大。n 最后(zuhu)，切向力Ft 推动转子绕O点作正向涡动。汽轮机 压气机第三十二页，共36页。转子内腔(ni qin)充液引起的失稳n 由于内阻，液体偏向前面一个角度。n 液体离心力有一分(y fn)力Ft。n 最后，切向力Ft 推动转子绕 O 点作正向涡动。第三十三页，共36页。转子与定子(dngz)碰摩引起的失稳n 转子与定子(dngz)相碰时，有摩擦力Ft。n 切向力Ft 推动转子绕 O 点作反向涡动。第三十四页，共36页。强迫振动(zhndng)和自激振动(zhndng)的比较n 自激振动和强迫振动相比较，无论从原因、机理，还是(hi shi)振动特性都有根本差别。n 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(qing p)振动自激振动第三十五页，共36页。强迫振动(zhndng)和自激振动(zhndng)的比较第三十六页，共36页。