利用阻尼器轴承解决临界转速问题

知识点：阻尼器

某化工厂的一台透平驱动泵是为反应塔提供冷却水的三台泵之一，另两台是电动机驱动的，这台透平驱动的机组处于慢滚动待机状态，以应急电源故障。完全失去冷却液将不可挽回地损坏非常昂贵的工艺设备。起初只需要两台泵就能满足要求，但不久产量提高使得运行三台很有必要。很不幸，老的慢滚动待机透平效率非常低，运行成本很高，因此采购并安装了一台新的多级透平。这台机组的布局如图1所示。

图1 –透平驱动冷却泵

透平的问题几乎是同时发生的，当通过临界转速时观察到高振动，涡流探头监测器指示如此大的振动水平，以至于所有报警被解除。有几次发生了严重摩擦，透平必须做很多次修复。尽管非常认真地组装，平衡和安装，多次失效最后迫使工厂寻求重新设计。

最紧迫问题是，做一次修理有多快？在透平停机只有两台电机驱动的泵运行的条件下，一次供电故障将导致巨大的资金损失。第一步是测量转子和轴承并创建一个模型，这一步迅速完成了，然后开始探讨一个根本性解决的问题的新设计。很不幸，很快就发现它并不容易，当前的轴承是5瓦块可倾瓦LOP型，它大概是这台机器可以应用的最好的一个设计了，因此，仅仅更换轴承不太可能有效。

图2是实际透平转子的实物模型，这个设计包括一个复合Curtis级叶轮，和达8个Ratteau级，取决于功率要求，通常转速为3,600 RPM。无阻尼临界转速绘图，如图3，揭示了存在的问题，轴承刚度曲线与一阶临界转速曲线交叉于渐近线部分，表明轴太过柔性，或者轴承太过刚性。没有时间考虑更刚性的轴，并且更柔性的轴承也没有。无阻尼模态振型，如图4，表明轴承几乎位于节点上。

图3：原透平转子

图4：原蒸汽透平转子的无阻尼临界转速曲线

对这台机器的原始状态，尽管没有瞬态数据，但模型预测的不平衡响应表明临界转速在3,050 RPM，放大系数是14.9，这意味着阻尼很差。原始设计只有3.4%的临界阻尼，透平有如此多的问题就不足为怪了。在最后一次修复之前，一些勇敢的技术人员在中断的起机过程中测量轴承座的振动达60 mil。这个情况看起来相当无望，直到专家建议考虑一下挤压油膜阻尼设计。

图5 –原始轴承条件下无阻尼一阶临界转速模态振型

经过讨论，决定对轴承施加挤压油膜阻尼器，庆幸的是机器上有足够的空间。挤压油膜阻尼器就是一个围绕常规轴承的非旋转的环形薄油膜，如图6所示。这个油膜只有约10mil厚并且利用O-形环做密封，当转子横向运动时，油被挤压从而导致振动能量被吸收。

图6 –挤压油膜阻尼器的截面图

设计这种类型的挤压油膜阻尼器的技巧之一是，O-型环凹槽必须与孔偏心，这样当施加转子载荷时，阻尼器位于环的中心。这就要求O-型环的刚度是已知的。对这个案例，使用了一个简单的载荷变形装置来测量O-环的刚度。挤压油膜阻尼器的刚度和阻尼特性，很容易从封闭方程进行计算。

这里，ω 是频率，单位弧度/秒；μ 是动态粘度，单位雷恩；ε 是偏心率；π 是3.14159…；R是阻尼器的半径，L 是阻尼器的长度，c 是阻尼器的径向间隙，单位都是英寸。很有意思的是，注意，阻尼器的系数极大地取决于间隙和长度。

重要的是不要过设计一个阻尼器，否则它将不能正常工作。一旦计算了阻尼器的刚度和阻尼系数，必须结合它们计算系统等效刚度和阻尼。

除了阻尼器轴承，对转子增加了假圆盘，以便降低一阶临界转速。更大的质量也使得转子对湿蒸汽扰动较不敏感，已知这个扰动以某种规律发生。修改的转子如图7所示。

图7 –用假圆盘修改后的蒸汽透平转子

原来的轴承本身具有大约1百万LB/IN的刚度和2,000 LB-S/IN的阻尼，结合挤压油膜阻尼器，有效刚度降低到20万LB/IN，并且阻尼下降到1,000 LB-S/IN。尽管阻尼降低了一半，但是刚度的急剧降低意味着这个阻尼更加有效。阻尼器安装后一阶临界转速模态振型，如图8所示，在轴承上有大得多的相对幅值，同时小得多的轴变形。

图8 –阻尼器轴承条件下的一阶临界转速模态振型

预测的不平衡响应如图9，原始轴承和轴没有增加圆盘，与修改的设计 - 安装了假圆盘和新的挤压油膜阻尼器之间的比较。

图9 – 蒸汽透平带阻尼器轴承的不平衡响应比较

整个分析过程，O-型环测试，轴承的加工和重建的透平安装只用了10天的时间，很多人合作投入了很多时间来完成这个壮举。当透平重新开机时，起动过程中测量的振动几乎和预测的完全一样，图10表明放大系数从14.9下降至4.4，同时临界转速从3,050 RPM下降至2,600 RPM。

图10 – 修改的蒸汽透平的起机伯德图

现在，这台机器已经在这个原阻尼器轴承上运行超过8年，除了例行的维修和检查外，没有任何问题，甚至监测系统报警也正常投用。

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2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范