ISFD抑制密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流體激振的實驗研究*

閆 偉，何立東，亢嘉妮，賈興運，張翼鵬

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

0 引 言

隨著企業(yè)生產(chǎn)的需求不斷變大，旋轉(zhuǎn)機(jī)械朝著高轉(zhuǎn)速、高流量、高溫高壓的方向發(fā)展。然而由于不平衡、不對中、流體激振等故障的存在，將會引起旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生較大的振動。若旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動超標(biāo)時,將會引起定子與轉(zhuǎn)子部件發(fā)生碰撞，嚴(yán)重時將會機(jī)毀人亡，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此,如何改善流體激振力引起的轉(zhuǎn)子振動，具有重要的工程意義。

門志平[1]針對五瓦可傾瓦軸承支撐下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，探究了葉輪間隙流體力對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)的影響；竇唯等人[2-4]分析了流體激振力對高速泵葉輪系統(tǒng)的振動及其軸心軌跡的影響；肖玥等人[5]針對汽輪機(jī)部分進(jìn)汽時非定常效應(yīng)產(chǎn)生的激振力問題開展了研究。郭瑞等人[6-8]建立了某型300 MW汽輪機(jī)高壓前軸封結(jié)構(gòu)的模型，分析了在不同工況下密封間隙內(nèi)流場的分布和流體對轉(zhuǎn)子作用力的變化規(guī)律；張萬福等人[9,10]探究了該系統(tǒng)在軸承-密封耦合作用下該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性，研究結(jié)果表明在將負(fù)預(yù)旋設(shè)置在密封入口可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了改善密封流體激振的問題，常常通過反旋流、合成射流和阻尼密封等措施減少流體的周向速度，從而實現(xiàn)抑制密封流體激振的目的[11,12]。

整體式擠壓油膜阻尼器(ISFD)是20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)新穎、振動控制性能優(yōu)越且能有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的新型阻尼器。SANTIAGO O D等人[13-15]探究了有、無端部密封的ISFD轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)特性，揭示了工作變化的條件下，ISFD的剛度和阻尼具有優(yōu)良的線性特性；ERTAS B等人[16，17]探究了不同端部密封間隙對ISFD動力學(xué)特性系數(shù)的影響，并通過錘擊法測定了其阻尼系數(shù)的變化趨勢，實驗證明了ISFD能夠提供足夠的阻尼，能夠解決超臨界二氧化碳增壓機(jī)等透平機(jī)械中的振動問題；路凱華等人[18-20]開展了ISFD對齒輪軸系振動控制的實驗研究，實驗證明了ISFD能夠有效地抑制齒輪嚙合的沖擊振動，對較寬頻帶的振動均有較好的抑制效果。

然而ISFD尚未應(yīng)用于密封流體激振引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動。

本文針對密封流體激振作用下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，開展整體式擠壓油膜阻尼器對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動控制的實驗研究，探究ISFD對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響規(guī)律；搭建轉(zhuǎn)子密封流體激振實驗臺，分別開展ISFD支承和傳統(tǒng)支承條件下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的實驗研究，研究不同轉(zhuǎn)速、偏心率條件下，ISFD對密封流體激振力引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的影響規(guī)律。

1 研究方法

1.1 整體式擠壓油膜阻尼器(ISFD)

ISFD是一種結(jié)構(gòu)新穎的擠壓油膜阻尼器，具有優(yōu)良的線性阻尼特性，以及結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便等特點[21-23]。

ISFD的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 整體式擠壓油膜阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

ISFD由內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩部分組成，內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間由多個對稱均勻分布的S型彈性體連接在一起。S型彈性體決定了ISFD的剛度系數(shù)，可以通過改變其結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，以獲得不同剛度系數(shù)的ISFD。內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的縫隙即為擠壓油膜區(qū)域，在擠壓作用的條件下，該區(qū)域中油膜將會產(chǎn)生擠壓阻尼效應(yīng)，提供穩(wěn)定的阻尼力，用于吸收轉(zhuǎn)子振動能量，抑制轉(zhuǎn)子因不平衡、不對中、流體激振等故障產(chǎn)生的振動。

ISFD結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 ISFD結(jié)構(gòu)參數(shù)

與傳統(tǒng)SFD的2π油膜不同，ISFD采用了分段式的結(jié)構(gòu)，ISFD中被分隔的油膜不會發(fā)生環(huán)向流動，有效地改善了傳統(tǒng)SFD存在的非線性阻尼特性。

已有的研究結(jié)果表明，可將整體式擠壓油膜阻尼器中，擠壓油膜產(chǎn)生的阻尼力進(jìn)行線性化，其等效物理模型如圖2所示。

圖2 ISFD的等效物理模型

通過改變ISFD的軸向長度、徑向高度、徑向厚度、油膜間隙、S型彈性體分布角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小，可獲得不同的剛度和阻尼。

1.2 動力學(xué)模型構(gòu)建

為了探究ISFD對密封間隙流體激振的抑制效果，筆者分別在剛性支承和ISFD支承條件下，建立密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺的動力學(xué)模型，為實驗研究提供理論基礎(chǔ)。

1.2.1 剛性支承密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺動力學(xué)模型

筆者所建立的剛性支承密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺的動力學(xué)模型，其示意圖如圖3所示。

圖3 剛性支承條件下密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺的動力學(xué)模型

該密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺采用的是剛性支承，即為傳統(tǒng)支承結(jié)構(gòu)，由軸承座、剛性套筒和深溝球軸承構(gòu)成。

該密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動微分方程如下：

(1)

式中：mD—圓盤的質(zhì)量；xD，yD—圓盤在x、y方向的位移；cS，kS—轉(zhuǎn)軸的阻尼系數(shù)、剛度系數(shù)；Fx，F(xiàn)y—在x、y方向的流體激振力；eμ—圓盤的不平衡質(zhì)量偏心率；ω—轉(zhuǎn)子的角速度；mB—軸頸處的質(zhì)量；xB，yB—滾動軸承在x、y方向的位移；cB，kB—滾動軸承的阻尼系數(shù)、剛度系數(shù)。

1.2.2ISFD支承密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺動力學(xué)模型

所建立的ISFD支承密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺的動力學(xué)模型，其示意圖如圖4所示。

圖4 ISFD支承條件下密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺的動力學(xué)模型

該密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺采用的是ISFD支承，由軸承座、ISFD和滾動軸承構(gòu)成。

該轉(zhuǎn)子-密封系統(tǒng)的運動微分方程如下：

(2)

式中：mI—ISFD的質(zhì)量；xI，yI—ISFD在x、y方向的位移；cI，kI—ISFD的阻尼系數(shù)、剛度系數(shù)。

1.3 密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺搭建

為了探究ISFD對密封間隙流體激振的抑制效果，筆者搭建如下的密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺，如圖5所示。

圖5 密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺

圖5中，2個直徑不同的圓盤分別用于模擬密封轉(zhuǎn)子和密封定子，密封定子固定于水槽上，密封轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸通過螺栓連接固定為一體。永磁式伺服直流電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)0～10 000 r/min無級變速，帶動轉(zhuǎn)軸和密封轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運動；裝有ISFD的軸承座為密封轉(zhuǎn)子提供彈性阻尼支承；安裝于框架上的軸承座為轉(zhuǎn)子提供支承作用。

圖5(a)中，將ISFD和剛性套筒分別安裝于軸承座中，即為ISFD支承和剛性支承。其中，ISFD支承是由ISFD、滾動軸承、軸承座、密封端蓋和O型密封圈組成；密封端蓋中設(shè)有注油孔和卸油孔，軸承座、密封端蓋和O型密封圈為ISFD形成一個密閉的油腔，使?jié)櫥统錆MISFD中的擠壓油膜區(qū)域中。

密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 實驗及結(jié)果分析

為了探究ISFD對密封流場激振的影響規(guī)律，筆者對不同支承條件下，流體激振力引起轉(zhuǎn)子振動的變化規(guī)律進(jìn)行實驗。

當(dāng)該次活動有變更，管理員可在后臺發(fā)布公告，學(xué)生端在活動列表就會顯示有新的活動通知公告，如圖5所示，點擊可查看更改后的內(nèi)容，顯示活動具體的起止時間、地點和備注信息，如圖6所示。

筆者分別測量密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速(n=100 r/min～500 r/min)與不同偏心率(e=0～0.8)條件下，轉(zhuǎn)子的振動情況，并通過對比剛性支承和ISFD支承條件下轉(zhuǎn)子的振動變化，探究ISFD抑制密封流場激振的效果。

2.1 ISFD對流體激振的影響

為了探究ISFD對密封流場激振的動力學(xué)特性的影響，揭示ISFD抑制流體激振力引起轉(zhuǎn)子振動的機(jī)理，筆者開展了轉(zhuǎn)速n=100 r/min、偏心率e=0.4工況下，密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動響應(yīng)的實驗研究，分別得到兩種支承結(jié)構(gòu)條件下，轉(zhuǎn)子測點處振動位移的時域圖和頻域圖。

其中，轉(zhuǎn)子振動位移的時域波形圖如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子振動位移的時域波形圖

轉(zhuǎn)子振動位移的頻域波形圖如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子振動位移的頻域波形圖

圖6中，通過對比剛性支承和ISFD支承條件下的時域波形圖可知，由于ISFD中產(chǎn)生的擠壓阻尼效應(yīng)，轉(zhuǎn)子的振動幅值得到了明顯的降低，其中水平方向的峰峰值由98.72 μm降至57.01 μm，振幅降低幅度達(dá)到42.25%以上；豎直方向的峰峰值由142.96 μm降至67.22 μm，振幅降低幅度達(dá)到52.97%以上。

由圖7中的頻域圖可知，轉(zhuǎn)子的主頻振幅為一倍頻振動，同時還存在二倍頻、三倍頻等高頻振動，這主要是由不平衡振動和流體激振力引起的；

圖7中，通過對比剛性支承和ISFD支承條件下的頻譜圖可知，ISFD對轉(zhuǎn)子不平衡力和流體激振力引起的轉(zhuǎn)子振動，均有較好的抑制效果。

2.2 不同轉(zhuǎn)速對流體激振的影響規(guī)律

實驗得到兩種支承結(jié)構(gòu)條件下，轉(zhuǎn)子的軸心軌跡隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，如圖8所示。

由圖8可知：隨著轉(zhuǎn)速的增加，由于流體激振力的作用，剛性支承條件下轉(zhuǎn)子的軸心軌跡變得越來越復(fù)雜，且振幅也不斷變大；然而將ISFD應(yīng)用到密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中后，轉(zhuǎn)子的軸心軌跡變得更加有規(guī)律,并趨近于橢圓形，振動幅值也有了明顯的降低。

圖8 不同轉(zhuǎn)速條件下密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心軌跡圖

在兩種支承條件下，通過對比轉(zhuǎn)子的軸心軌跡圖可知，ISFD可以有效地抑制密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的流體激振；

由于ISFD中擠壓油膜產(chǎn)生的阻尼力有效地吸收了流體激振力，轉(zhuǎn)子的振幅得到了有效的降低，降低幅度在40%～70%；并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，ISFD的減振效果越好。

2.3 不同偏心率對流體激振的影響規(guī)律

為了探究不同偏心率條件下，ISFD對密封流場激振的影響規(guī)律，在不同偏心率條件下，筆者開展了密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實驗研究。

實驗過程中，密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n=400 r/min，偏心率e=0～0.8。

實驗得到兩種支承結(jié)構(gòu)條件下，轉(zhuǎn)子的軸心軌跡圖隨偏心率的變化規(guī)律，如圖9所示。

由圖9可知：隨著偏心率的增加，由于流體激振力的作用，剛性支承條件下轉(zhuǎn)子的軸心軌跡變得越來越復(fù)雜，且振幅也不斷變大；

圖9 不同偏心率條件下密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心軌跡圖

實驗過程中可觀察到，當(dāng)偏心率e=0.8時，定子中的流體出現(xiàn)明顯的漩渦，此時其軸心軌跡圖比較混亂。

密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用ISFD支承后，由轉(zhuǎn)子的軸心軌跡圖可知，轉(zhuǎn)子的振動得到了明顯的抑制。

同時發(fā)現(xiàn)，在剛性支承條件下，偏心率越大振幅增大的趨勢越明顯；而在ISFD支承條件下，轉(zhuǎn)子的振幅增大則相對比較平緩。

在兩種支承條件下，通過對比轉(zhuǎn)子的振幅可知，ISFD可以有效地抑制密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的流體激振，振動幅值的降低幅度均達(dá)到56%以上。

3 結(jié)束語

針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械中常見的流體激振問題，在剛性支承和ISFD支承兩種支承條件下，本文建立了密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并搭建了密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實驗臺，研究了流體激振力作用下密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性，開展了不同轉(zhuǎn)速和偏心率條件下密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)的實驗研究，探究了ISFD抑制密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的流體激振的變化規(guī)律。

研究得到如下結(jié)論：

(1)通過時域分析和頻域分析可知，在一定工況條件下，與剛性支承相比ISFD支承密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動幅值降低了40%以上，ISFD對轉(zhuǎn)子不平衡力和流體激振力引起的振動均有較好的抑制效果；

(2)隨著轉(zhuǎn)速的增加，剛性支承條件下轉(zhuǎn)子的軸心軌跡變得越來越復(fù)雜，且振幅也不斷變大。通過對比可知，ISFD使轉(zhuǎn)子的軸心軌跡由無規(guī)則的形狀變成趨近于橢圓形，有效地抑制密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的流體激振，轉(zhuǎn)子的振幅降低了40%～70%；

(3)隨著偏心率的增加，剛性支承條件下轉(zhuǎn)子的振幅也不斷變大。采用ISFD支承后，轉(zhuǎn)子的振動得到了明顯的抑制，振動幅值的降低幅度均達(dá)到56%以上。其中，偏心率e=0.8時，由于定子中的流體出現(xiàn)漩渦，使轉(zhuǎn)子的軸心軌跡圖比較混亂，采用ISFD后轉(zhuǎn)子的振動也得到了很好的控制。