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转子不平衡对机组振动的影响

【摘要】:
1.1转子振动一般来说,转子的振动可表示为:振动=力/动刚度    该等式说明转子的振动幅值同转子的不平衡激振力成正比,同转子系统的动刚度成反比。一旦确定了转子系统的结构型式,其动刚度就为定值。在设计阶段可以方便地通过改变转子系统的动刚度来改变转子的振动大小,即改变转子系统的动态响应;但是鉴于转子支撑系统的复杂性,在机组运行现场中改变转子系统的动刚度的办法却很难得以实施,因此,如何降低转子不平衡力

1.1转子振动

一般来说,转子的振动可表示为:

振动=力/动刚度       

该等式说明转子的振动幅值同转子的不平衡激振力成正比,同转子系统的动刚度成反比。一旦确定了转子系统的结构型式,其动刚度就为定值。在设计阶段可以方便地通过改变转子系统的动刚度来改变转子的振动大小,即改变转子系统的动态响应;但是鉴于转子支撑系统的复杂性,在机组运行现场中改变转子系统的动刚度的办法却很难得以实施,因此,如何降低转子不平衡力就是最简单、最实用的方法。

        由于转子的不平衡量同转子一同旋转,转子不平衡量所引起的振动总是表现为基频分量(又称为同步振动),其基频幅值通常用模拟跟踪滤波或数字滤波方式得到;而不平衡量所引起的振动相位角(又叫做高点位置)被定义为当键相信号被触发时,从振动探头开始逆转子旋转方向到振动正峰值的角度,该相位角的范围为0~360度。

 

        在自由振动时任何转子系统均存在几阶固有频率(又叫做转子临界转速)。当转子在同有频率下旋转时,不平衡力所产生的挠曲变形是有一定振型的,称为主振型或模态振型。在不同固有频率下,转子的振型是不一样的,且不同的主振型具有正交性.也就是说在不同主振型下,转子上所分布的不平衡力仅对当前振型有作用,而对其他振型没有作用。由此可见,当转子通过一个固有频率时,相应的不平衡量就被分解为一个单一的模态振型,为此就产生了振型平衡的方法。在实际情况中转子的工作转速往往在某阶固有频率之上,但却在另外某阶固有频率之下,此时转子的挠曲变形将会混合两阶或两阶以上的振型。 

        值得注意的是,上述结论均是在线性振动理论的基础上提出来的。现实中转子系统总会存在一些非线性因素,如转子在轴承中处于高偏心率工作区域、摩擦或者运动部件存在松动所引起的支承刚度增加或减少等非线性情况,这时转子的振动除会产生基频振动外,还将产生其他如2倍频、3倍频等谐波分量。为此,如果转子处于高l倍频振动情况下,转子在轴承中的运动轨迹将通过高偏心率工作区域,此时同样会产生2倍频谐波振动。另外对于重量较重的转子除了不平衡力产生1倍频振动分量外,还将因重力而产生明显的2倍频振动分量。

 

1.2轴承箱振动

        在轴承中转子的1倍频振动是一个动载荷,该动载荷通过轴承传递到轴承箱上,使轴承箱产生振动。轴承箱的振动可能同转子振动同相,也可能同转子振动反相,此时轴承箱的振动强度将受到转子和轴承的相对质量、轴承的支承刚度、轴承箱本身的刚度和基础的刚度等因素影响。

(1)当轴承箱的质量同转子质量之比较高时,轴承箱的振动幅值就较低,大型汽轮机和燃气轮机就属于这种情况。所以汽轮机往往只测量转子相对振动就能很好地反映出机组的振动状况。

 

(2)当轴承箱质量同转子的质量之比较小时,如果轴承箱的振动与转子的振动同相,此时转子的相对振动值可能较小,而轴承箱的绝对振动值却较大;反之当两个振动反相时。又会发生转子振动较大,而轴承箱振动较小的情况。此时必须同时测量转子相对振动和轴承箱绝对振动,才能完全反映机组振动状况和保证机组的安全性。

(3)当轴承箱刚度较小时,也必须同时测量转子相对振动和轴承箱绝对振动。但需要注意的是由于轴承箱相对较柔,测量轴承箱绝对振动的传感器应尽量避免装在轴承箱振动的节点上。

 

(4)在润滑轴承中,当一个不平衡转子工作在高偏心率区域时,轴承将产生较大的油膜刚度。高的油膜刚度在抑制转子振动幅值的同时却极易把转子振动传递到轴承箱上,此时反映出转子的相对振动较小,而轴承箱的振动却较大。

 

1.3转子应力

       如果转子是完全刚性的,则转子在重力作用下不会产生静态变形。转子旋转后,由转子不平衡力产生的1倍频振动则不会使转子的表面纤维发生应力交变。而对于水平的柔性转子而言,转子在重力和其他径向力的作用下,将产生一定的静态变形(见图2(a)中的ACB实线);当转子旋转时,转子的内表面将受到压缩(见图2(b)中的2点),而转子的外表面将受到拉伸(见图2(b)中的A点)。对于各向刚度同性的转子,在同步振动的情况下,转子上的轴向纤维将始终保持其原来的拉伸或压缩状态,故在转子上不会产生交变应力(见图2(b));而发生异步振动(即转子振动存在其他振动频率分量)时,则转子的轴向纤维将产生交变应力(见图2(c))。但是在多数实际转子上。由于轴的各向弯曲刚度(电机转子)及支承刚度(如轴承)存在差异。此时由不平衡量引起的振动响应将不再是一个圆,而是一个椭圆(见图2(d)),这时即使转子仅仅存在同步振动,轴的弯曲平面相对于轴来说不再是固定不变的,而是以轴的某一条线为中心发生左右摆动,从而在转子上形成交变应力。另外,转子的同步振动还将导致转子进一步弯曲变形,从而加大了转子表面的交变应力,此时如果转子表面存在较大应力集中,高的1倍频振动将加速转子的疲劳损伤。