轴承稳定性与支承轴承的关系

轴系稳定性往往是制约大型旋转机组能否稳定、安全运行的主要问题之一设计时需要不断修改轴系的设计参数以保证机组有足够的稳定性裕度。由于轴系可供修改的参数较多,如果盲目修改众多的设计参数. 通常很难达到提高稳定性的目的。理论和实践都表明, 改变滑动轴承的结构型式或设计参数可以有效地提高轴系的稳定性。但是, 象大型汽轮发电机组这样复杂的轴系共有7一10 个滑动轴承.
有些轴承对轴系稳定性的影响较大, 有些轴承的影响则较小。只有改变哪些对稳定性有较大影响的轴承的结构型式或设计参数才有可能达到提高稳定性的目的。
本文根据稳定性界限状态下各轴承力所作的功定义了轴承对轴系稳定性的贡献系数和敏感轴承, 研究了轴系稳定性与每个支承轴承的内在关系。理论分析与数值计算表明, 本文对提高大型转子一轴承系统的稳定性及旋转机械的故障诊断具有重要意义。
2 稳定性界限状态下油膜力作的功轴系的自由振动方程为(几ZM + 几D + K )Z 二0 (1 )式中: 几为特征值,M, D . K 分别是质量、阻尼及刚度矩阵, Z 是位移矢量。当轴承处于稳定性界限状态时. 方程(1) 具有一对实部为零的特征值久一士J。以及相应的一对共扼特征向量巾和西。本文讨论位移响应是实数的情况, 那么与这一对共扼模态对应的复模态参数、也是共扼成对的。在稳定性界限状态下轴系对初始条件的响应为。在一周内作的功不但是系统本征参数的函数, 而且还是复模态参数的函数。复模态参数是由系统的初始条件决定的, 故油膜系数截_、作的功还是系统初始条件的函数。对于一台实际机组来说. 随机干扰总是存在, 难以确定机组真实的初始条件.3 车由承对轴系稳定性的贡献系数与敏感轴承第i 个轴承对轴系稳定性的贡献系数定义为B 二一W / G (1 3 )式中G 是所有小于零的相对功的和, 这样处理使所有大于零的贡献系数的总和等于l 。假设轴系中只有滑动轴承消耗或向系统提供能量, 那么在稳定性界限状态下所有轴承作功的总和为零, 也即贡献系数的总和等于零。
通常, 作负功的轴承消耗系统的能量, 促使系统稳定. 作的负功越大即贡献系数越大的第2 期徐龙祥等: 轴系稳定性与支承轴承的关系1 7 1轴承, 它对轴系稳定性的贡献也越大; 相反, 作正功的轴承在涡动的过程中不断向系统提供能量, 激发系统不稳定, 作的正功越大即贡献系数越小的轴承越容易激发系统不稳定。根据这一常识, 轴系稳定性与每个支承轴承的关系可表述为:(1) 贡献系数大于零的轴承促使系统稳定, 贡献系数越大的轴承对稳定性的贡献也越大。(2) 贡献系数小于零的轴承激发系统不稳定, 贡献系数最小的轴承是轴系中最危险的轴承, 油膜失稳或油膜振荡往往由这个轴承首先激发。(3) 轴系稳定性主要取决于敏感轴承的动特性系数, 适当改变这些轴承的结构型式或设计参数可以有效地提高轴系的稳定性; 而改变非敏感轴承的结构型式或设计参数, 轴系稳定性变化甚小。
4 算例及讨论是一个模型转子一轴承系统, 共有5 个滑动轴承。
 轴段与轴段的交界处称为自然节点, 此外转子的左、右端面也称为自然节点, 这样转子共有27 个自然节点。.时转子被离散成25 个集总质里.每个集总质觉的具体位片。(l) 第2 、第5 号轴承的贡献系数大于零. 他们促使系统稳定, 而其他三个轴承则激发系统不稳定。(2 ) 轴承3 的贡献系数最小. 它是轴系中最危险的轴承; 轴承5 的贡献系数最大. 它是轴系中最安全的轴承，这三个轴承的贡献系数的绝对值远大于其他两个轴承. 这说明上述王个轴承均是敏感轴承而轴承1.2 是非敏感轴承。
轴承的稳定性主要取决于敏感轴承的动特性系数. 适当改变敏感轴承的结构型式或设计参数可以有效地提高轴系的稳定性; 但改变非敏感轴承的结构型式或设汁参数. 轴系稳定性变化不大。汽轮机与发电机的4 根转子用联轴器联成一体后支承在7 个三油楔轴承上。计算表明该机组的失稳转速为3 2 30 (r / m in ) . 每个轴承的贡献系数及其绝对值的计算结果示于表6 。, 第6 、第7 这两个轴承是敏感轴承, 这说明机组的稳定性主要取决于这两个轴承。适当改变这两个轴承的结构型式或设计参数, 机组稳定性可望得到大幅度地提高,而改变其他5 个轴承的结构型式或设计参数, 机组稳定性变化不大。二S ,T 分别表示气油楔与椭圆轴承, 轴承按紊流计算由于国产20 0MW 汽轮发电机组的稳定性裕度偏低, 近年来发生了不同程度的轴承油膜失稳甚至油膜振荡, 造成了巨大的经济损失川。为了确保这些机组稳定、安全运行, 需要对现役2 0 M w 机组轴系进行改造设计, 由表6 知道将发电机端的第6 、7 两个轴承改换为椭圆轴承, 不但可以有效地提高轴系稳定性, 而且改造费用最低。国内有关单位曾对徐州电厂6 号机组进行了轴承改造的工业性试验, 结果表明将部分轴承改换为椭圆轴承后, 机组运行情况良好川。超速试验至3 3 4 。(r / m in )时未发生油膜振荡, 而且振动比轴承改型前大为减小。这说明轴承改型后, 机组轴系稳定性裕度得到了较大的提高。由表6 还可以看到, 第6 号轴承的贡献系数最小, 它是整个机组中最危险的轴承, 油膜失稳或油膜振荡往往由这个轴承首先激发。这一结论已为数台国产2 0 M w 机组的实测结果所证实。例如徐州电厂的6 号机组于1 9 8 6 年因事故大修后启动, 发现6 号轴承的振动较大, 超速试验至3 2() 。(r / m in ) 以上时发生油膜振荡, 且每次振荡均由6 号轴承首先激发。
5 结论
(l) 轴系稳定性主要取决于敏感轴承的动态性能, 适当改变这些轴承的结构型式或设计参数可以有效地提高轴系的稳定性裕度。
(2) 贡献系数最小的轴承是轴系中最危险的轴承, 油膜振荡往往由这个轴承首先激发。这一结论已为数台国产20 oMW 汽轮发电机组的实测结果所证实。