軸系穩(wěn)定性往往是制約大型旋轉(zhuǎn)機(jī)組能否穩(wěn)定、安全運(yùn)行的主要問(wèn)題之一設(shè)計(jì)時(shí)需要不斷修改軸系的設(shè)計(jì)參數(shù)以保證機(jī)組有足夠的穩(wěn)定性裕度。由于軸系可供修改的參數(shù)較多,如果盲目修改眾多的設(shè)計(jì)參數(shù). 通常很難達(dá)到提高穩(wěn)定性的目的。理論和實(shí)踐都表明, 改變滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)型式或設(shè)計(jì)參數(shù)可以有效地提高軸系的穩(wěn)定性。但是, 象大型汽輪發(fā)電機(jī)組這樣復(fù)雜的軸系共有7一10 個(gè)滑動(dòng)軸承.
有些軸承對(duì)軸系穩(wěn)定性的影響較大, 有些軸承的影響則較小。只有改變哪些對(duì)穩(wěn)定性有較大影響的軸承的結(jié)構(gòu)型式或設(shè)計(jì)參數(shù)才有可能達(dá)到提高穩(wěn)定性的目的。
本文根據(jù)穩(wěn)定性界限狀態(tài)下各軸承力所作的功定義了軸承對(duì)軸系穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)系數(shù)和敏感軸承, 研究了軸系穩(wěn)定性與每個(gè)支承軸承的內(nèi)在關(guān)系。理論分析與數(shù)值計(jì)算表明, 本文對(duì)提高大型轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性及旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷具有重要意義。
2 穩(wěn)定性界限狀態(tài)下油膜力作的功軸系的自由振動(dòng)方程為(幾ZM + 幾D + K )Z 二0 (1 )式中: 幾為特征值,M, D . K 分別是質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣, Z 是位移矢量。當(dāng)軸承處于穩(wěn)定性界限狀態(tài)時(shí). 方程(1) 具有一對(duì)實(shí)部為零的特征值久一士J。以及相應(yīng)的一對(duì)共扼特征向量巾和西。本文討論位移響應(yīng)是實(shí)數(shù)的情況, 那么與這一對(duì)共扼模態(tài)對(duì)應(yīng)的復(fù)模態(tài)參數(shù)、也是共扼成對(duì)的。在穩(wěn)定性界限狀態(tài)下軸系對(duì)初始條件的響應(yīng)為。在一周內(nèi)作的功不但是系統(tǒng)本征參數(shù)的函數(shù), 而且還是復(fù)模態(tài)參數(shù)的函數(shù)。復(fù)模態(tài)參數(shù)是由系統(tǒng)的初始條件決定的, 故油膜系數(shù)截_、作的功還是系統(tǒng)初始條件的函數(shù)。對(duì)于一臺(tái)實(shí)際機(jī)組來(lái)說(shuō). 隨機(jī)干擾總是存在, 難以確定機(jī)組真實(shí)的初始條件.3 車由承對(duì)軸系穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)系數(shù)與敏感軸承第i 個(gè)軸承對(duì)軸系穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)系數(shù)定義為B 二一W / G (1 3 )式中G 是所有小于零的相對(duì)功的和, 這樣處理使所有大于零的貢獻(xiàn)系數(shù)的總和等于l 。假設(shè)軸系中只有滑動(dòng)軸承消耗或向系統(tǒng)提供能量, 那么在穩(wěn)定性界限狀態(tài)下所有軸承作功的總和為零, 也即貢獻(xiàn)系數(shù)的總和等于零。
通常, 作負(fù)功的軸承消耗系統(tǒng)的能量, 促使系統(tǒng)穩(wěn)定. 作的負(fù)功越大即貢獻(xiàn)系數(shù)越大的第2 期徐龍祥等: 軸系穩(wěn)定性與支承軸承的關(guān)系1 7 1軸承, 它對(duì)軸系穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)也越大; 相反, 作正功的軸承在渦動(dòng)的過(guò)程中不斷向系統(tǒng)提供能量, 激發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定, 作的正功越大即貢獻(xiàn)系數(shù)越小的軸承越容易激發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定。根據(jù)這一常識(shí), 軸系穩(wěn)定性與每個(gè)支承軸承的關(guān)系可表述為:(1) 貢獻(xiàn)系數(shù)大于零的軸承促使系統(tǒng)穩(wěn)定, 貢獻(xiàn)系數(shù)越大的軸承對(duì)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)也越大。(2) 貢獻(xiàn)系數(shù)小于零的軸承激發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定, 貢獻(xiàn)系數(shù)最小的軸承是軸系中最危險(xiǎn)的軸承, 油膜失穩(wěn)或油膜振蕩往往由這個(gè)軸承首先激發(fā)。(3) 軸系穩(wěn)定性主要取決于敏感軸承的動(dòng)特性系數(shù), 適當(dāng)改變這些軸承的結(jié)構(gòu)型式或設(shè)計(jì)參數(shù)可以有效地提高軸系的穩(wěn)定性; 而改變非敏感軸承的結(jié)構(gòu)型式或設(shè)計(jì)參數(shù), 軸系穩(wěn)定性變化甚小。
4 算例及討論是一個(gè)模型轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng), 共有5 個(gè)滑動(dòng)軸承。
 軸段與軸段的交界處稱為自然節(jié)點(diǎn), 此外轉(zhuǎn)子的左、右端面也稱為自然節(jié)點(diǎn), 這樣轉(zhuǎn)子共有27 個(gè)自然節(jié)點(diǎn)。.時(shí)轉(zhuǎn)子被離散成25 個(gè)集總質(zhì)里.每個(gè)集總質(zhì)覺(jué)的具體位片。(l) 第2 、第5 號(hào)軸承的貢獻(xiàn)系數(shù)大于零. 他們促使系統(tǒng)穩(wěn)定, 而其他三個(gè)軸承則激發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2 ) 軸承3 的貢獻(xiàn)系數(shù)最小. 它是軸系中最危險(xiǎn)的軸承; 軸承5 的貢獻(xiàn)系數(shù)最大. 它是軸系中最安全的軸承，這三個(gè)軸承的貢獻(xiàn)系數(shù)的絕對(duì)值遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)軸承. 這說(shuō)明上述王個(gè)軸承均是敏感軸承而軸承1.2 是非敏感軸承。
軸承的穩(wěn)定性主要取決于敏感軸承的動(dòng)特性系數(shù). 適當(dāng)改變敏感軸承的結(jié)構(gòu)型式或設(shè)計(jì)參數(shù)可以有效地提高軸系的穩(wěn)定性; 但改變非敏感軸承的結(jié)構(gòu)型式或設(shè)汁參數(shù). 軸系穩(wěn)定性變化不大。汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的4 根轉(zhuǎn)子用聯(lián)軸器聯(lián)成一體后支承在7 個(gè)三油楔軸承上。計(jì)算表明該機(jī)組的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速為3 2 30 (r / m in ) . 每個(gè)軸承的貢獻(xiàn)系數(shù)及其絕對(duì)值的計(jì)算結(jié)果示于表6 。, 第6 、第7 這兩個(gè)軸承是敏感軸承, 這說(shuō)明機(jī)組的穩(wěn)定性主要取決于這兩個(gè)軸承。適當(dāng)改變這兩個(gè)軸承的結(jié)構(gòu)型式或設(shè)計(jì)參數(shù), 機(jī)組穩(wěn)定性可望得到大幅度地提高,而改變其他5 個(gè)軸承的結(jié)構(gòu)型式或設(shè)計(jì)參數(shù), 機(jī)組穩(wěn)定性變化不大。二S ,T 分別表示氣油楔與橢圓軸承, 軸承按紊流計(jì)算由于國(guó)產(chǎn)20 0MW 汽輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性裕度偏低, 近年來(lái)發(fā)生了不同程度的軸承油膜失穩(wěn)甚至油膜振蕩, 造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失川。為了確保這些機(jī)組穩(wěn)定、安全運(yùn)行, 需要對(duì)現(xiàn)役2 0 M w 機(jī)組軸系進(jìn)行改造設(shè)計(jì), 由表6 知道將發(fā)電機(jī)端的第6 、7 兩個(gè)軸承改換為橢圓軸承, 不但可以有效地提高軸系穩(wěn)定性, 而且改造費(fèi)用最低。國(guó)內(nèi)有關(guān)單位曾對(duì)徐州電廠6 號(hào)機(jī)組進(jìn)行了軸承改造的工業(yè)性試驗(yàn), 結(jié)果表明將部分軸承改換為橢圓軸承后, 機(jī)組運(yùn)行情況良好川。超速試驗(yàn)至3 3 4 。(r / m in )時(shí)未發(fā)生油膜振蕩, 而且振動(dòng)比軸承改型前大為減小。這說(shuō)明軸承改型后, 機(jī)組軸系穩(wěn)定性裕度得到了較大的提高。由表6 還可以看到, 第6 號(hào)軸承的貢獻(xiàn)系數(shù)最小, 它是整個(gè)機(jī)組中最危險(xiǎn)的軸承, 油膜失穩(wěn)或油膜振蕩往往由這個(gè)軸承首先激發(fā)。這一結(jié)論已為數(shù)臺(tái)國(guó)產(chǎn)2 0 M w 機(jī)組的實(shí)測(cè)結(jié)果所證實(shí)。例如徐州電廠的6 號(hào)機(jī)組于1 9 8 6 年因事故大修后啟動(dòng), 發(fā)現(xiàn)6 號(hào)軸承的振動(dòng)較大, 超速試驗(yàn)至3 2() 。(r / m in ) 以上時(shí)發(fā)生油膜振蕩, 且每次振蕩均由6 號(hào)軸承首先激發(fā)。
5 結(jié)論
(l) 軸系穩(wěn)定性主要取決于敏感軸承的動(dòng)態(tài)性能, 適當(dāng)改變這些軸承的結(jié)構(gòu)型式或設(shè)計(jì)參數(shù)可以有效地提高軸系的穩(wěn)定性裕度。
(2) 貢獻(xiàn)系數(shù)最小的軸承是軸系中最危險(xiǎn)的軸承, 油膜振蕩往往由這個(gè)軸承首先激發(fā)。這一結(jié)論已為數(shù)臺(tái)國(guó)產(chǎn)20 oMW 汽輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)測(cè)結(jié)果所證實(shí)。