軸承/密封耦合作用下流體激振特性研究

張萬福，楊建剛，李 春

（1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.東南大學 火電機組振動國家工程研究中心，南京 210096）

軸承/密封耦合作用下流體激振特性研究

張萬福1，楊建剛2，李 春1

（1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.東南大學 火電機組振動國家工程研究中心，南京 210096）

以轉子—軸承—密封系統(tǒng)為對象，建立軸承/密封耦合作用對系統(tǒng)動力特性影響的有限元模型。分別應用有限差分和CFD方法對軸承、密封動力特性系數進行求解。理論研究表明密封對轉子不平衡響應的影響主要集中在共振區(qū)域。通過在密封入口引入負預旋可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，密封氣流力對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響隨轉速的升高也越來越大。通過選擇合適的軸承型式可以補償密封氣流力對系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的不利影響。試驗發(fā)現隨著轉速增加，試驗轉子在5 000 r/min附近時開始出現比較明顯的半頻分量，而且隨著轉速繼續(xù)增加，半頻分量的幅值變大。密封流體激振力的存在促進軸承內油膜失穩(wěn)故障發(fā)生，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

振動與波；密封；流體激振；軸承；計算流體力學；穩(wěn)定性

密封是大型旋轉機械抑制流體泄漏的關鍵部件。近年來隨著機組向大容量、高參數方向發(fā)展，越來越多的不穩(wěn)定振動故障相繼被報導于汽輪機高中壓缸中。轉子的穩(wěn)定性往往受軸承和密封共同作用的影響，目前多數研究都是單獨地研究軸承、密封對轉子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[1-7]。2008年，Hirano[8]分析了梳齒密封對某大型汽輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的影響，表明該機組運行在穩(wěn)定的范圍內。2009年，Wang[9]研究了轉子—軸承—密封系統(tǒng)的非線性動力特性，結果表明交錯齒密封不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。2011年，Li[10]提出了一種新的基于Hamilton原理的轉子—軸承—密封系統(tǒng)非線性模型，并進行了數值分析。這些研究側重于轉子—軸承—密封系統(tǒng)的非線性特性[11]，而且多數都是以Jeffcot轉子為對象，并作了很多假設條件，忽略了陀螺效應等因素的影響。

本文針對轉子—軸承—密封系統(tǒng)，研究了軸承/密封耦合作用下轉子（非）同步振動特性。基于CFD方法求解得到密封動力特性系數，建立了轉子—軸承—密封系統(tǒng)有限元模型，并通過試驗研究了軸承/密封作用下轉子不穩(wěn)定振動特性。

1 轉子—軸承—密封系統(tǒng)動力特性數值分析

1.1 轉子—軸承—密封試驗系統(tǒng)

轉子—軸承—密封系統(tǒng)試驗臺如圖1所示。轉子總長為1 200 mm。轉子中部為試驗段，為了與靜子配合形成所需要的密封結構，軸上嵌套安裝一個直徑為180 mm、長度為430 mm的軸套。轉子通過兩個圓瓦滑動軸承支撐。軸承寬度為44 mm，軸承直徑為50 mm，直徑間隙為0.05 mm。潤滑油采用L-TSA32號透平油。

圖1 轉子—軸承—密封試驗系統(tǒng)

1.2 轉子—軸承—密封系統(tǒng)動力特性數值分析

數值計算基于上述轉子—軸承—密封系統(tǒng)試驗臺。為了研究軸承性能對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，選取了多組軸承，如表1所示。而試驗臺中所使用的實際軸承參數為其中的Case 2，軸承動力特性系數通過有限差分方法求解。

表1 軸承幾何參數

密封動力特性系數基于CFD旋轉坐標系方法求解，密封三維CFD模型如圖2所示。此外，為了研究進口預旋對密封動力特性的影響，分別對零預旋、正預旋（30°）和負預旋（-30°）三種情況進行了計算。

圖2 密封計算模型及邊界條件

計算結果表明，隨轉速升高密封交叉剛度系數絕對值與交叉阻尼系數都逐漸增大，而直接剛度系數和直接阻尼系數絕對值略微減小。正預旋會增大交叉項系數，降低直接項系數。負預旋的作用則呈正好相反趨勢。可以看出在轉子自轉轉速提高時，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，尤其是當入口增加的預旋和轉子轉速方向一致時，即正預旋時，系統(tǒng)穩(wěn)定性將越來越差。

應用ANSYS建立轉子—軸承—密封系統(tǒng)有限元模型，密封對系統(tǒng)的影響通過密封動力特性系數等效到系統(tǒng)中，如圖3所示。

圖3 轉子—軸承—密封系統(tǒng)有限元模型

圖4給出了在沒有預旋情況下氣流力對轉子不平衡響應的影響。轉子1階臨界轉速大約為2 700 r/ min。可以看出在有密封和沒有密封兩種情況下，轉子不平衡響應有很大差異。密封對轉子不平衡響應的影響主要集中在共振區(qū)域，而對其他轉速影響較小。在氣流力的作用下轉子在共振區(qū)域附近的不平衡響應明顯降低，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)，阻尼會消耗轉子振動能量，從而使轉子的振動幅值減小。

通過計算轉子對數衰減率來評價系統(tǒng)穩(wěn)定性，其值若大于零系統(tǒng)就會失穩(wěn)。圖5給出了轉子—軸承—密封系統(tǒng)1階對數衰減率隨轉速變化情況。可以看出：

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

（2）有密封氣流力作用時，與零預旋、正預旋、負預旋三種工況對應的失穩(wěn)轉速分別為5 053 r/min、4 940 r/min、5 200 r/min，說明在氣流力的作用下，系統(tǒng)失穩(wěn)轉速可能提前也可能滯后；

圖4 氣流力對轉子不平衡響應的影響

圖5 密封對轉子1階對數衰減率的影響

（3）通過在密封入口引入負的預旋可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

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

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

圖6 不同軸承型式對系統(tǒng)失穩(wěn)轉速的影響

（1）在沒有密封氣流力作用下，系統(tǒng)失穩(wěn)轉速從Case 1到Case 4逐漸增大；

（2）對比沒有氣流力作用和有氣流力作用（零預旋）兩種情況，兩者失穩(wěn)轉速在Case 1下的差別最大，為202 r/min，Case 4下兩者相差最小。導致上述結果的主要原因是在這4種軸承型式中，與Case 1對應的軸承具有最差的性能，依次為Case 2、Case 3、Case 4。可見軸承性能的好壞對系統(tǒng)穩(wěn)定性有著非常關鍵的影響，通過選擇合適的軸承型式可以補償密封氣流力對系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的不利影響。

2 轉子—軸承—密封系統(tǒng)動力特性試驗研究

為了分析密封流體激振力對轉子—軸承系統(tǒng)動力特性的影響，首先試驗研究了流體激振力作用下，升速過程中轉子絕對振動（軸振）的變化情況。由于轉子振動在臨界轉速附近變化比較明顯，因此重點研究了充氣前后轉子在臨界轉速附近的振動變化。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)時轉子絕對振動的升速伯德圖。

圖7 充氣和未充氣狀態(tài)下水平軸振升速曲線

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

從轉子—軸承—密封系統(tǒng)穩(wěn)定性的數值研究可以看出，密封內流體激振力會導致轉子失穩(wěn)提前或滯后，在試驗臺軸承/密封作用下，轉子失穩(wěn)故障會提前發(fā)生。試驗發(fā)現在不進氣狀態(tài)逐漸提高轉子轉速到轉子振動半頻分量大量出現，確定出現油膜失穩(wěn)的轉速范圍，然后在進氣狀態(tài)下，調節(jié)入口壓力穩(wěn)定在0.5 MPa，逐漸提高轉速，記錄引入密封流體激振力后轉子絕對振動各頻率分量的變化情況。圖9給出了傳統(tǒng)梳齒密封進氣和未進氣兩種狀態(tài)下，軸承#2軸振各頻率分量幅值隨轉速的變化情況。

圖8 充氣和未充氣狀態(tài)下垂直軸振升速曲線

可以看出，轉子升速過程中，初始階段振動幅值以工頻分量為主，能明顯地看出垂直臨界轉速在3 200 r/min附近，水平臨界轉速在2 400 r/min附近。未加氣狀態(tài)時，隨著轉速增加，在5 000 r/min附近時開始出現比較明顯的半頻分量，而且隨著轉速繼續(xù)往上增加，半頻分量的幅值變大，此時試驗臺轉子發(fā)生油膜失穩(wěn)故障。對比加氣狀態(tài)時同一個測點位置的升速瀑布圖，可以發(fā)現在加氣狀態(tài)下，半頻分量出現的轉速位置提前。軸振半頻分量出現所對應的轉速已經由5 000 r/min提前到4 800 r/min附近。隨著轉速繼續(xù)往上增大，加氣狀態(tài)下的半頻分量幅值隨轉速增大的趨勢比未加氣狀態(tài)更明顯。

試驗中還發(fā)現，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。轉速為5 156 r/min時，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，會促進軸承內油膜失穩(wěn)故障發(fā)生，影響轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果進氣壓力提高，壓比增大，這種變化趨勢將越明顯。實際汽輪發(fā)電機組密封進氣壓力和壓比都遠大于試驗臺進氣壓力，可以推斷密封力對轉子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響將更大。

3 結語

針對轉子—軸承—密封系統(tǒng)對軸承/密封耦合作用下流體激振特性進行了數值和試驗研究，結果表明：

（1）密封對轉子不平衡響應的影響主要集中在共振區(qū)域，通過在密封入口引入負的預旋可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，密封氣流力對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響隨轉速的升高也越來越大；

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

圖9 軸承2#軸振加氣和不加氣狀態(tài)下瀑布圖

（3）在臨界轉速附近試驗密封流體激振力引起的阻尼作用占優(yōu)，會消耗轉子振動能量，從而使轉子的振動幅值減小；

（4）隨著轉速增加，試驗轉子在5 000 r/min附近時開始出現比較明顯的半頻分量，而且隨著轉速繼續(xù)增加，半頻分量的幅值變大，此時試驗臺轉子發(fā)生油膜失穩(wěn)故障；

（5）密封流體激振力的存在，會促進滑動軸承內油膜失穩(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

國家自然科學基金項目（11402148；51275088；51176129）

張萬福，男，河南固始人，博士生，主要研究方向：轉子動力學、流體激振研究。E-mail:zwf5202006@163.com

楊建剛，男，江蘇如皋人，博士生導師，主要研究方向：轉子動力學和旋轉機械振動故障監(jiān)測和診斷研究。E-mail:jgyang@seu.edu.cn

通訊作者：李春，男，北京人，博士生導師，主要研究方向：動力機械特性及現代設計方法、葉輪機械內部流動與性能優(yōu)化設計。E-mail:lichunusst@163.com