轉(zhuǎn)子動力學(xué)-旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動力學(xué)特性-課件

轉(zhuǎn)子動力學(xué)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動力學(xué)特性本章內(nèi)容轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性自激振動的機(jī)理油膜渦動和油膜振蕩油膜失穩(wěn)的實(shí)例油膜失穩(wěn)的特點(diǎn)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)強(qiáng)迫振動和自激振動的比較轉(zhuǎn)子動力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容轉(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)速和振型轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)轉(zhuǎn)子的運(yùn)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)研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動力學(xué)現(xiàn)象和動力學(xué)特性,它是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計、制造、安全運(yùn)行、故障診斷的力學(xué)基礎(chǔ)。主要內(nèi)容:▲臨界轉(zhuǎn)速物理概念,確定方法,影響因素?！黄胶忭憫?yīng)轉(zhuǎn)子運(yùn)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?！渌麊栴}如瞬態(tài)響應(yīng)、扭轉(zhuǎn)振動、非線性問題等。▲當(dāng)前熱點(diǎn)問題復(fù)雜轉(zhuǎn)子、失穩(wěn)因素研究、故障診斷、轉(zhuǎn)子運(yùn)動的控制、非線性問題等。臨界轉(zhuǎn)速criticalspeed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?！R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?！R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)?！粋€實(shí)際的轉(zhuǎn)子往往有特別多階臨界轉(zhuǎn)速,從低到高依次稱為第一階、第二階、第三階等等?！恳浑A臨界轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)子有一個相對應(yīng)的振型?！?/p>

臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)值能夠用計算法求得,或用實(shí)驗(yàn)法測得。reAO

單圓盤轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速和振型650MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

n1=604r/minn2=1840r/minn3=4651r/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

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)是特別不同的?；剞D(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(jī)組高壓轉(zhuǎn)子中壓轉(zhuǎn)子低壓轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)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(jī)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200MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子型n1=1002r/min中壓轉(zhuǎn)子型n2=1470r/min高壓轉(zhuǎn)子型n3=1936r/min低壓轉(zhuǎn)子型n4=2014r/min發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子型n5=2678r/min高壓轉(zhuǎn)子中壓轉(zhuǎn)子低壓轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)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(jī)組軸系軸系的各階臨界轉(zhuǎn)速高于相應(yīng)的單轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。彈性支承轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速低于剛性支承轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)unbalanceresponse▲

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?！駝哟笮〖肮舱穹甯叩团c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)01r/ecreAO

reCAO

reCAO

CACO

O’

<<c

c

>>c

r<<e

r>>e

rereAO

重點(diǎn)高點(diǎn)C轉(zhuǎn)子的同步正進(jìn)動▲定轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)子作剛體弓形回轉(zhuǎn)(同步正進(jìn)動),轉(zhuǎn)子上軸向的各纖維不受交變力?！S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(jī)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stability

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★突發(fā)性一般無明顯的先兆?！锸Х€(wěn)運(yùn)動一般規(guī)模特別大?！锏椭軠u動,轉(zhuǎn)軸受交變應(yīng)力。引起疲勞破壞。恒定的能源提供振動的能量。反饋機(jī)制控制能量的適時輸入。反饋機(jī)制恒定能源振動系統(tǒng)響應(yīng)激勵自激振動的機(jī)理實(shí)例:弦樂器發(fā)聲蕩秋千吊橋、輸電線的風(fēng)致振動機(jī)械鐘表的擺動機(jī)床切削振動,等自激振動實(shí)例－提琴弦的振動VvF2VvF1F1F2相對速度0相對速度

(V–v)

<(

V+v)摩擦力

F1>F2能量

W(輸入)=F1

s>W(輸出)=F2

s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(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(shí)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(fēng)致自激振動

美國Taa吊橋的垮塌(1940年)油膜失穩(wěn)的實(shí)例1972年2月朝陽電廠1號機(jī)組－200MW

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(jī)理油膜力軸頸渦動軌跡油膜力做的功常大于零恒小于零較小可不計如W>0,就估計會失穩(wěn)。彈性力阻尼力失oxykyycyykxxcxxkxycxykyxcyx油膜軸承的半速渦動流入油0、5R(C+e)流出油0、5R(C-e)故多余的油為Re如軸頸繞O作角速度為的渦動,就留出空間2Re為維持流量平衡,就有

2Re=Re得=0、5,是為半速渦動分析流經(jīng)此直徑的油流o1eC-eC+eoR半速渦動的運(yùn)動形態(tài)▲公轉(zhuǎn)(渦動)速度為自轉(zhuǎn)速度的一半?！D(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)生升速降速t2cc0渦動振幅轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升速降速tc2c0渦動頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速突發(fā)性:到達(dá)閾速t時,突然發(fā)生。閾速大于2倍固有頻率。

破壞性:振幅一般特別大。

渦動頻率鎖住在c;低周正向進(jìn)動,軸纖維受交變應(yīng)力。

慣性:消失滯后于發(fā)生。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

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?yàn)檎蜻M(jìn)動。軸心軌跡出現(xiàn)雙內(nèi)環(huán)。渦動的幅度并不特別大。

油膜振蕩的波形和軸心軌跡

到達(dá)閾速時突然發(fā)生,幅度一般特別大。渦動頻率鎖定在轉(zhuǎn)子的固有頻率,不再隨轉(zhuǎn)速變化。渦動方向?yàn)檎蜻M(jìn)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(biāo)高,增加軸承的負(fù)載。▲減小軸承的間隙。根本措施▲

改變軸瓦的結(jié)構(gòu)。增加預(yù)負(fù)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)間隙小處效率高,所需的切向力Ft2小。最后,切向力Ft推動轉(zhuǎn)子繞O點(diǎn)作正向渦動