部分充液悬臂转子在不稳定区的动力特性

　　mann[1]在实验中观察到之后,已有一些学者研究过这个问题,但大多数都是从理论上对部分充液转子的不稳定进行分析,试验研究开展得较少[2～6],缺乏必要的能够验证理论模型的实验数据。本文详细地描述了实验中观察到的部分充液转子系统在失稳过程中转子系统的动力特性及充液量对转子涡动频率及不稳定区的影响。

　　1　实验设备

　　实验转子是一个垂直地支承在两个轴承上的单盘刚性转子,具有圆柱形空腔的圆盘安装在转子的顶端形成悬臂结构。下轴承为具有较大刚性的球轴承,上轴承为刚度较小的弹性支承。转子的长度为486mm,轴承之间的跨度为210mm,重量为15.56kg。圆柱形空腔与圆盘同心,圆盘的上端由透明的有机玻璃制成以便观察流体表面的运动状态。圆盘的外径为300mm,空腔内径为270mm,空腔深度为40mm。上下轴承均为刚性支承时转子的一阶临界转速约为180Hz;下轴承为刚性支承而上轴承为弹性支承时转子的一阶临界转速为7.8Hz,二阶临界转速为87.3Hz。在圆盘与上轴承之间安装了一个滚动轴承,滚动轴承的内圈与轴之间形成了一个单边间隙约为0.5mm的限幅器,以防止转子在不稳定区振动过大引起实验设备的破坏。为进行转子系统不稳定性主动控制研究,在悬臂端安装了一个电磁阻尼器。实验转子系统如图1所示。试验中水作为工作流体。

　　用非接触式电涡流传感器测量转子上悬臂盘处的振动。通过示波器来观察转子的涡动方向及轨道的变化。对转子系统振动信号频谱特性的分析,得到转子的涡动频率。实验前对转子进行了动平衡,以减小转子系统在临界区的振动从而能够较准确地确定转子出现不稳定的边界。

　　2　实验结果及分析

　　(1)空转子系统的动力特性　在进行充液转子系统的动力特性试验前,对空转子系统的动力特性进行了详细研究。实验结果表明空转子系统基本上是线性系统,所存在的非线性因素很弱不可能导致转子系统出现非协调轨道或不稳定,限幅轴承在工作时对转子系统也没有产生明显的非线性,故在充液转子的试验过程中出现的非协调轨道或不稳定必为旋转流体对转子的作用所致。(2)转子系统失稳过程、转子系统的动力特性及流体的表面形状　通过对大量的失稳过程的详细观察和分析,发现在不同充液量的情况下,转子的失稳过程有着明显的差异。

　　图2给出了充液量较小时转子的响应曲线及不同状态下振动信号的频谱结构。结果说明当充液量较小时,在低转速区转子作单频同步的正进动。当转速增大到某一转速后,转子系统虽然还作同步的正进动,但转子的振动信号中出现了一个小于转速频率的亚转速频率。这个亚转速频率一般为转速频率的70%～90%。充液量越大,亚转速频率与转速频率之比越小。随着转速进一步地增大,亚转速频率所对应的振动强度随之增大,转子的涡动轨道也从协调的同步轨道变为非协调的异步轨道。在接近失稳边界,亚转速频率的振动强度可能会接近或大于转速频率的振动强度,但由于转子的振动较小,即便对转子或流体表面进行扰动,转子系统仍然能够回到原来的异步涡动状态稳定地运行。只有在亚转速频率的振动强度大于转速频率振动强度的一定值后,转子的振动突然增大使转子与限幅轴承相接触,转子的涡动频率完全由亚转速频率所决定。这时如果降低转子的转速,转子系统的涡动轨道也不能立即恢复到原来的状态,实际上转子已进入了失稳区。失稳后转子仍作亚异步的正进动,转子的涡动频率与转速频率之比与失稳前出现的亚转速频率与转速频率之比相同。在亚转速频率出现到转子失去稳定这段转速范围内,由于这两个频率所对应的振动强度的相对变化,转子轨道的变化十分复杂。转子在失稳前和刚进入失稳状态后,流体表面基本上为一个光滑的圆柱状。只有当转子的振动很大或直接对流体表面进行扰动后,流体表面才会出现严重的失稳发生脱落,这时流体表面不再是一个光滑的圆柱状,流体在深度和圆周方向上的厚度不停地发生着剧烈的非连续的变化。这时在实验中也可以清楚地听到流体表面发生脱落的声音。图3给出了流体发生脱落后最上端截面流体表面的形状。流体表面发生脱落后转子系统的振动随之减小,流体表面又重新形成为一个圆柱面,然后又出现脱落,流体的这个脱落-形成-再脱落的运动过程反过来对转子的运动产生影响使转子系统的运动也出现与流体的这种运动基本同步的时大时小的复杂运动,转子的振动频谱中也出现了更多的频率分量。实际上由于流体表面脱落-形成-再脱落运动过程的随机性,转子的运动已经进入了混沌态。混沌态转子系统的运动轨道、振动信号和对应的频谱如图4所示。