迷宫密封气流激振效应对转子振动响应影响的实验研究

　　引 言

　　受强烈流固耦合作用,高速流体机械中会产生一些复杂振动,如转子亚异步自激振动。由于振动很复杂,且尚不完全清楚其产生机理,难以及时诊断该类故障。本文采用在高速转子实验台上测试转子振动响应的方法,测量转子发生亚异步自激振动的三维频谱图,定性分析迷宫密封引起的转子亚异步自激振动的特点。

　　1 实验装置及测试仪器

　　实验装置如图1所示。在高速转子实验台转轴上安装迷宫密封结构,用来模拟平滑型迷宫密封结构。转子的转速由固态调频器调节,最高转速可达12000 r/min。调节两个圆盘在轴上的位置可改变转子的固有频率。通过更换厚度不同的垫片和内径不同的密封齿可以调节平滑型迷宫密封中齿间距l和密封间隙D。圆盘质量为0.47 kg,轴径为10mm,轴长为260 mm。轴承为全圆柱滑动轴承,宽径比为0.5,采用22#透平油(L=50.00 mPa#s)作为润滑油。

　　由于气体进入迷宫时的预旋程度对迷宫密封气流激振效应的影响很大,为了保证实验精度,设计了一个能确保气体轴向均匀进气的挡环,实现了进气的零预旋,消除了进气预旋度对实验的影响。

　　采用PL302双通道数据采集器/频谱分析仪记录安装迷宫密封结构前后高速转子振动响应的变化。PL302双通道数据采集器/频谱分析仪是英国DI公司生产的集数据采集和信号分析于一体的便携式数据采集器,主要应用于故障诊断领域,可方便地实现离线与在线数据采集、监测。该仪器具有两路采集通道,分析频率为0~40 kHz,采样精度为16位,可用内存512 kB,外部存储卡512 kB。

　　2 实验方法

　　实验前标定测振用的电涡流传感器,并调整光电头使转速计的输出能准确地反映轴转速的变化。实验时首先启动压缩机,用放空阀调整好进气口处的压力并使之维持在一个恒定值上,然后设置好PL302数据采集器/频谱分析仪,使之处于采集三维谱的状态。调节调压器,使转速尽可能均匀地升高或降低,用数据采集器记录下高速转子振动响应随转速变化的情况。使转轴维持一定的转速,并保持迷宫入口处气体压力和流量恒定,通过U形管就可测得迷宫密封腔内沿圆周方向上均匀分布的四个测点间的气体压差。

　　利用实验方法研究了密封气体压力、迷宫腔宽度l、密封间隙δ、密封齿数z等主要迷宫结构及操作参数对转子振动响应的影响。实验方案见表1。

　　3 试验结果及分析

　　3.1 最高实验转速低于一阶临界转速的情况

　　迷宫中流体激振效应对转子振动特性的影响程度与转子的固有频率有密切的关系。由计算结果可知,当两圆盘距轴承的距离为10 mm时(见图2),转子的一阶临界转速为17000 r/min;当最高实验转速低于该值时,转子属于刚性转子。图2给出实验中实测的转子在安装迷宫密封结构前后的振动三维谱。