軸承/密封耦合作用下流體激振特性研究

張萬(wàn)福，楊建剛，李 春

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.東南大學(xué) 火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心，南京 210096）

軸承/密封耦合作用下流體激振特性研究

張萬(wàn)福1，楊建剛2，李 春1

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.東南大學(xué) 火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心，南京 210096）

以轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)為對(duì)象，建立軸承/密封耦合作用對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力特性影響的有限元模型。分別應(yīng)用有限差分和CFD方法對(duì)軸承、密封動(dòng)力特性系數(shù)進(jìn)行求解。理論研究表明密封對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的影響主要集中在共振區(qū)域。通過(guò)在密封入口引入負(fù)預(yù)旋可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，密封氣流力對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響隨轉(zhuǎn)速的升高也越來(lái)越大。通過(guò)選擇合適的軸承型式可以補(bǔ)償密封氣流力對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)的不利影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速增加，試驗(yàn)轉(zhuǎn)子在5 000 r/min附近時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的半頻分量，而且隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，半頻分量的幅值變大。密封流體激振力的存在促進(jìn)軸承內(nèi)油膜失穩(wěn)故障發(fā)生，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

振動(dòng)與波；密封；流體激振；軸承；計(jì)算流體力學(xué)；穩(wěn)定性

密封是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械抑制流體泄漏的關(guān)鍵部件。近年來(lái)隨著機(jī)組向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，越來(lái)越多的不穩(wěn)定振動(dòng)故障相繼被報(bào)導(dǎo)于汽輪機(jī)高中壓缸中。轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性往往受軸承和密封共同作用的影響，目前多數(shù)研究都是單獨(dú)地研究軸承、密封對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[1-7]。2008年，Hirano[8]分析了梳齒密封對(duì)某大型汽輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的影響，表明該機(jī)組運(yùn)行在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。2009年，Wang[9]研究了轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)的非線性動(dòng)力特性，結(jié)果表明交錯(cuò)齒密封不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。2011年，Li[10]提出了一種新的基于Hamilton原理的轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)非線性模型，并進(jìn)行了數(shù)值分析。這些研究側(cè)重于轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)的非線性特性[11]，而且多數(shù)都是以Jeffcot轉(zhuǎn)子為對(duì)象，并作了很多假設(shè)條件，忽略了陀螺效應(yīng)等因素的影響。

本文針對(duì)轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)，研究了軸承/密封耦合作用下轉(zhuǎn)子（非）同步振動(dòng)特性。基于CFD方法求解得到密封動(dòng)力特性系數(shù)，建立了轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)有限元模型，并通過(guò)試驗(yàn)研究了軸承/密封作用下轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定振動(dòng)特性。

1 轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)動(dòng)力特性數(shù)值分析

1.1 轉(zhuǎn)子—軸承—密封試驗(yàn)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)為1 200 mm。轉(zhuǎn)子中部為試驗(yàn)段，為了與靜子配合形成所需要的密封結(jié)構(gòu)，軸上嵌套安裝一個(gè)直徑為180 mm、長(zhǎng)度為430 mm的軸套。轉(zhuǎn)子通過(guò)兩個(gè)圓瓦滑動(dòng)軸承支撐。軸承寬度為44 mm，軸承直徑為50 mm，直徑間隙為0.05 mm。潤(rùn)滑油采用L-TSA32號(hào)透平油。

圖1 轉(zhuǎn)子—軸承—密封試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)動(dòng)力特性數(shù)值分析

數(shù)值計(jì)算基于上述轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。為了研究軸承性能對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，選取了多組軸承，如表1所示。而試驗(yàn)臺(tái)中所使用的實(shí)際軸承參數(shù)為其中的Case 2，軸承動(dòng)力特性系數(shù)通過(guò)有限差分方法求解。

表1 軸承幾何參數(shù)

密封動(dòng)力特性系數(shù)基于CFD旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法求解，密封三維CFD模型如圖2所示。此外，為了研究進(jìn)口預(yù)旋對(duì)密封動(dòng)力特性的影響，分別對(duì)零預(yù)旋、正預(yù)旋（30°）和負(fù)預(yù)旋（-30°）三種情況進(jìn)行了計(jì)算。

圖2 密封計(jì)算模型及邊界條件

計(jì)算結(jié)果表明，隨轉(zhuǎn)速升高密封交叉剛度系數(shù)絕對(duì)值與交叉阻尼系數(shù)都逐漸增大，而直接剛度系數(shù)和直接阻尼系數(shù)絕對(duì)值略微減小。正預(yù)旋會(huì)增大交叉項(xiàng)系數(shù)，降低直接項(xiàng)系數(shù)。負(fù)預(yù)旋的作用則呈正好相反趨勢(shì)。可以看出在轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，尤其是當(dāng)入口增加的預(yù)旋和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向一致時(shí)，即正預(yù)旋時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性將越來(lái)越差。

應(yīng)用ANSYS建立轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)有限元模型，密封對(duì)系統(tǒng)的影響通過(guò)密封動(dòng)力特性系數(shù)等效到系統(tǒng)中，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)有限元模型

圖4給出了在沒(méi)有預(yù)旋情況下氣流力對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的影響。轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速大約為2 700 r/ min。可以看出在有密封和沒(méi)有密封兩種情況下，轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)有很大差異。密封對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的影響主要集中在共振區(qū)域，而對(duì)其他轉(zhuǎn)速影響較小。在氣流力的作用下轉(zhuǎn)子在共振區(qū)域附近的不平衡響應(yīng)明顯降低，這主要是由于密封流體激振力引起的阻尼作用在這一區(qū)域占優(yōu)，阻尼會(huì)消耗轉(zhuǎn)子振動(dòng)能量，從而使轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值減小。

通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)子對(duì)數(shù)衰減率來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)穩(wěn)定性，其值若大于零系統(tǒng)就會(huì)失穩(wěn)。圖5給出了轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)1階對(duì)數(shù)衰減率隨轉(zhuǎn)速變化情況。可以看出：

（1）在沒(méi)有密封氣流力作用下，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速約為5 116 r/min；

（2）有密封氣流力作用時(shí)，與零預(yù)旋、正預(yù)旋、負(fù)預(yù)旋三種工況對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速分別為5 053 r/min、4 940 r/min、5 200 r/min，說(shuō)明在氣流力的作用下，系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速可能提前也可能滯后；

圖4 氣流力對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的影響

圖5 密封對(duì)轉(zhuǎn)子1階對(duì)數(shù)衰減率的影響

（3）通過(guò)在密封入口引入負(fù)的預(yù)旋可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

（4）密封氣流力對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響隨轉(zhuǎn)速的升高也越來(lái)越大。

圖6給出了這4種不同軸承型式下系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速的變化，可以看出：

圖6 不同軸承型式對(duì)系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速的影響

（1）在沒(méi)有密封氣流力作用下，系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速?gòu)腃ase 1到Case 4逐漸增大；

（2）對(duì)比沒(méi)有氣流力作用和有氣流力作用（零預(yù)旋）兩種情況，兩者失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在Case 1下的差別最大，為202 r/min，Case 4下兩者相差最小。導(dǎo)致上述結(jié)果的主要原因是在這4種軸承型式中，與Case 1對(duì)應(yīng)的軸承具有最差的性能，依次為Case 2、Case 3、Case 4。可見(jiàn)軸承性能的好壞對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著非常關(guān)鍵的影響，通過(guò)選擇合適的軸承型式可以補(bǔ)償密封氣流力對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)的不利影響。

2 轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

為了分析密封流體激振力對(duì)轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響，首先試驗(yàn)研究了流體激振力作用下，升速過(guò)程中轉(zhuǎn)子絕對(duì)振動(dòng)（軸振）的變化情況。由于轉(zhuǎn)子振動(dòng)在臨界轉(zhuǎn)速附近變化比較明顯，因此重點(diǎn)研究了充氣前后轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近的振動(dòng)變化。圖7和圖8給出了傳統(tǒng)梳齒密封下充氣和未充氣兩種狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子絕對(duì)振動(dòng)的升速伯德圖。

圖7 充氣和未充氣狀態(tài)下水平軸振升速曲線

可以看出，水平方向轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速在2 400 r/ min左右，垂直方向臨界轉(zhuǎn)速在3 200 r/min左右。水平方向升速幅值曲線上除了在水平臨界點(diǎn)2 400 r/ min附近有較大峰值外，還有一個(gè)3 200 r/min左右的峰值，垂直方向上除了本身臨界點(diǎn)3 200 r/min附近有較大峰值外，在2 400 r/min附近存在一個(gè)較小的峰值，這是由于轉(zhuǎn)子軸振存在垂直和水平方向的耦合效應(yīng)所引起。密封流體激振力對(duì)軸振的影響主要表現(xiàn)在水平臨界轉(zhuǎn)速和垂直臨界轉(zhuǎn)速之間的區(qū)域。在臨界轉(zhuǎn)速附近，加氣狀態(tài)下軸振幅值要小于未加氣狀態(tài)幅值，說(shuō)明在該點(diǎn)附近密封流體激振力引起的阻尼作用占優(yōu)，阻尼會(huì)消耗轉(zhuǎn)子振動(dòng)能量，從而使轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值減小。從垂直和水平振動(dòng)相位變化圖上看，進(jìn)氣前后相位變化較小。

從轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)穩(wěn)定性的數(shù)值研究可以看出，密封內(nèi)流體激振力會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)提前或滯后，在試驗(yàn)臺(tái)軸承/密封作用下，轉(zhuǎn)子失穩(wěn)故障會(huì)提前發(fā)生。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不進(jìn)氣狀態(tài)逐漸提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速到轉(zhuǎn)子振動(dòng)半頻分量大量出現(xiàn)，確定出現(xiàn)油膜失穩(wěn)的轉(zhuǎn)速范圍，然后在進(jìn)氣狀態(tài)下，調(diào)節(jié)入口壓力穩(wěn)定在0.5 MPa，逐漸提高轉(zhuǎn)速，記錄引入密封流體激振力后轉(zhuǎn)子絕對(duì)振動(dòng)各頻率分量的變化情況。圖9給出了傳統(tǒng)梳齒密封進(jìn)氣和未進(jìn)氣兩種狀態(tài)下，軸承#2軸振各頻率分量幅值隨轉(zhuǎn)速的變化情況。

圖8 充氣和未充氣狀態(tài)下垂直軸振升速曲線

可以看出，轉(zhuǎn)子升速過(guò)程中，初始階段振動(dòng)幅值以工頻分量為主，能明顯地看出垂直臨界轉(zhuǎn)速在3 200 r/min附近，水平臨界轉(zhuǎn)速在2 400 r/min附近。未加氣狀態(tài)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增加，在5 000 r/min附近時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的半頻分量，而且隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)往上增加，半頻分量的幅值變大，此時(shí)試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子發(fā)生油膜失穩(wěn)故障。對(duì)比加氣狀態(tài)時(shí)同一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的升速瀑布圖，可以發(fā)現(xiàn)在加氣狀態(tài)下，半頻分量出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速位置提前。軸振半頻分量出現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)由5 000 r/min提前到4 800 r/min附近。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)往上增大，加氣狀態(tài)下的半頻分量幅值隨轉(zhuǎn)速增大的趨勢(shì)比未加氣狀態(tài)更明顯。

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，1倍頻分量在加氣前后變化不大，而1/2倍頻（半頻）分量加氣前后變化明顯。轉(zhuǎn)速為5 156 r/min時(shí)，1#垂直、2#垂直、1#水平、2#水平軸振半頻分量幅值加氣后與加氣前比值分別為2.054、2.383、1.709、2.312。由此可以看出，密封流體激振力的存在，會(huì)促進(jìn)軸承內(nèi)油膜失穩(wěn)故障發(fā)生，影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果進(jìn)氣壓力提高，壓比增大，這種變化趨勢(shì)將越明顯。實(shí)際汽輪發(fā)電機(jī)組密封進(jìn)氣壓力和壓比都遠(yuǎn)大于試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)氣壓力，可以推斷密封力對(duì)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響將更大。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)對(duì)軸承/密封耦合作用下流體激振特性進(jìn)行了數(shù)值和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

（1）密封對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的影響主要集中在共振區(qū)域，通過(guò)在密封入口引入負(fù)的預(yù)旋可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，密封氣流力對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響隨轉(zhuǎn)速的升高也越來(lái)越大；

（2）軸承性能的好壞對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著非常關(guān)鍵的影響，通過(guò)選擇合適的軸承型式可以補(bǔ)償密封氣流力對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)的不利影響；

圖9 軸承2#軸振加氣和不加氣狀態(tài)下瀑布圖

（3）在臨界轉(zhuǎn)速附近試驗(yàn)密封流體激振力引起的阻尼作用占優(yōu)，會(huì)消耗轉(zhuǎn)子振動(dòng)能量，從而使轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值減小；

（4）隨著轉(zhuǎn)速增加，試驗(yàn)轉(zhuǎn)子在5 000 r/min附近時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的半頻分量，而且隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，半頻分量的幅值變大，此時(shí)試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子發(fā)生油膜失穩(wěn)故障；

（5）密封流體激振力的存在，會(huì)促進(jìn)滑動(dòng)軸承內(nèi)油膜失穩(wěn)故障發(fā)生，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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Research on Fluid-induced Vibration Characteristics under Coupling Effect of Bearings and Seals

ZHANG Wan-fu1,YANG Jian-gang2,LI Chun1
(1.School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai of Science and Technology, Shanghai 200093,China; 2.National Engineering Research Center of Turbo-generator Vibration,Southeast University, Nanjing 210096,China)

Finite element model of a rotor-bearing-seal system was set up to study the influence of the coupling effect of bearings and seals on the system characteristics.Finite difference method and CFD method were employed to obtain the dynamic coefficients of the bearings and seals.Theoretical studies show that the seal has a large influence on the synchronous response of the rotor in the resonant region.Negative preswirl at the inlet of the seal tends to improve the system stability.Influence of the seal force on the system stability becomes more and more serious with the increasing of the rotating speed.Results also show that the detrimental influence of the seal can be compensated by using suitable bearings. Test results show that the subsynchronous vibration appears at about 5 000 r/min,and it becomes larger and larger with the increasing of the rotating speed.The existence of the seal force tends to promote the occurrence of instability faults in bearings and affect the system stability.

vibration and wave;seal;fluid-induced vibration;bearing;computational fluid dynamics(CFD);stability

TK263

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.024

1006-1355(2015)03-0112-05

2014－04－25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11402148；51275088；51176129）

張萬(wàn)福，男，河南固始人，博士生，主要研究方向：轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、流體激振研究。E-mail:zwf5202006@163.com

楊建剛，男，江蘇如皋人，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)和診斷研究。E-mail:jgyang@seu.edu.cn

通訊作者：李春，男，北京人，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：動(dòng)力機(jī)械特性及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。E-mail:lichunusst@163.com