立式转子-轴承系统动力学特性研究
第５ｌ卷第６期２００９年１２月
汽轮机技术
７ＩＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０１．５ｌＮｏ．６
Ｄｅｃ．２００９立式转子一轴承系统动力学特性研究
王政先，刘占生，赵广，王永亮
（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨１５０００１）
摘要：建立了立式转子一轴承系统的动力学模型，采用Ｎｅｗｍａｒｋ数值方法研究了不平衡量及轴承参数对立式转子一轴承系统的动力学特性和稳定性影响并与卧式转子系统进行了对比分析。结果表明：和卧式转子相比，立式转子由于载荷轻稳定性差，稳定性对参数的改变也更为敏感。通过改造Ｂｅｎｆｌｙ—ＲＫ４转子一轴承系统实验台，试验验证了上述立式转子与卧式转子的动力学特性差别。研究结果对于立式转子一轴承系统的设计和故障诊断具有一定的参考价值。
关键词：立式转子；动力学特性：立式转子试验
分类号：ＴＫ０５文献标识码：Ａ文章编号：１００１－５８８４（２００９）０６－０４３１－０６
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＤｙｎａｍｉｃｏｆＶｅｒｔｉｃａｌＲｏｔｏｒ．ｂｅａｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ
ＷＡＮＧＺｈｅｎｇ－ｘｉａｎ，ＬＩＵＺｈａｎ—ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＯＧｕａｎｇ，ＷＡＮＧＹｏｎｇ—ｌｉａｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌｆｏｒｖｅｒｔｉｃａｌｒｏｔｏｒ－ｂｅ觚ｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｆｔｅｒ，ｔｈｅＮｅｗｍａｒｋｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓａ陀ａｄｏｐｔｅｄ，ａｉｍｉｎｇｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｕｎｂａｌａｎｃｅａｎｄｂｅ面ｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｍｐａｃｔｅｄｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｒｏｔｏｒ?ｂｅａｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｉｎｃｏｎｔｒａｓｔｗｉｔｈｔｈａｔｏｆｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍ，ｐｅｒｆｏｒｍａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ
ｔｈａｔ：ｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｒｏｔｏｒｓ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｏｎｅ８，ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｆａｒｍｏｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｏｔｈｅｃｈｓ．ｎｇｅｓｏｆｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｏｗｉｎｇｔｏｉｔｓｌｉｇｈｔｅｒｎｕｃｌｅａｒｌｏａｄａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｏｏｒｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ａｎｄａｌｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｂｅｎｃｈｆｏｒＢｅｎｆｌｙ—ＲＫ４ｒｏｔｏｒ－ｂｅａｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｐｒｏｖｅｓｔｈｅａｂｏｖｅ?ｍｅｎｔｉｏｎｅｄｄｙｎａｍｉｃｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｒｏｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｏｎｅｓ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｕｔｃｏｍｅｐｒｅｓｅｎｔｓａｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｆｏｒｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｒｏｔｏｒ－ｂｅａｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｒｔｉｃａｌｒｏｔｏｒ；ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｒｏｔｏｒ
０前言
旋转机械中转子的振动是舰艇的主要振动噪声源之一。我国舰艇用旋转机械设备或直接来源于俄罗斯的设计，或吸收俄罗斯设备母型模化设计，采用立式转子的设备很多。如核潜艇用的汽轮循环水泵、辅循环水泵、海水泵，蒸汽动力循环的大型驱逐舰用汽轮给水泵、汽轮燃油泵、汽轮滑油泵、汽轮消防泵、汽轮凝水增压泵等都采用立式转子。Ｃａｖａｌｃａ…等采用非线性模型研究了立式转子的轴心轨迹并通过实验来验证，但没有进一步的研究轴承参数对立式转子的影响。Ｍａｕｒｉｃｅ，ＦＷｈｉｔｅ等旧。研究了轴承间隙对于立式转子的影响非常明显，对于其它因素却没有考虑。国内学者何重辉等¨一１利用立式转子在轴承偏心率等于０处对油膜力进行线性化处理＂?，进而对滑动轴承的稳定性进行了研究。但在偏心率为０处进行线性化对于轻载或低转速情况适用，当立式转子重载或转速较高时油膜力呈现强非线性特性，因而需要寻找更合适的理论。本文综合国内外文献，选用了基于短轴承理论的Ｃａｐｏｎｅ油膜力模型怕。进行数值仿真，并通过实验
收稿Ｅｌ期：２００９－０５－２０
作者简介：王政先（１９８４?），男，硕士，主要从事汽轮机、转子动力学。研究了立式、卧式转子一轴承系统的非线性动力学特性及稳定性，得到了轴承长径比和不平衡量对系统稳定性影响特性，为立式转子一轴承系统的设计提供理论依据。
１转子一轴承系统动力学模型
采用有限元法，建立转子一轴承系统的动力学模型如下：
［Ｍ］｛ｆ７｝＋［ｃ］｛Ｄ｝＋［Ｋ］｛ｕ｝＝｛，｝（１）其中，［肘］和［Ｋ］分别为质量阵，刚度阵，通过有限元方法可以获得；［ｃ］为阻尼阵；｛Ｆ｝为系统的作用力，对于立式转子一轴承系统，｛ＦＩ－｛只｝＋｛，。｝，对于卧式转子一轴承系统，｛Ｆ｝－｛Ｆｏ｝＋｛凡｝＋｛形ｆ，其中，｛驴｝为转子重力，｝凡｝为系统不平衡力，｛只｝为滑动轴承非线性油膜力。
方程（１）是典型的多自由度非线性二阶偏微分方程，求解该方程有很多种数值方法，文献［７］对比分析得出Ｎｅｗ．ｍａｒｋ方法在时间域内求解非线性方程组具有很强的算法稳定性，且计算效率高，因此本文将采用该数值方法求解此动力学方程。
万方数据