轴向摩擦双盘转子的振动分析

　　1　引言

　　转、静碰摩是一类常见的旋转机械故障。质量不平衡、热弯曲、不对中,以及油膜、密封涡动失稳等故障,都可能最终导致动、静碰摩,造成转子不稳定振动加剧、磨损、转轴永久热弯曲甚至破坏。国内外对转子碰摩问题,特别是径向摩擦情况下的弯、扭耦合动力学进行了大量研究,揭示碰摩引起的转子振动分岔、混沌及非稳态碰摩中的反向涡动和失稳现象等[1-3]。

　　实际机组运行中,由于设计或安装不当,加上相对胀差变化超常,致使轴向通流间隙过小,动叶片(围带)和静叶片(汽封)之间可能会发生轴向接触。例如,一台50 MW汽轮发电机组发生过发电机端盖与风扇座套之间的严重轴向摩擦(磨损达3 mm),导致漏氢故障[4]。现代军用航空发动机对转子、静子、间轴向封气和封油效果的高要求,使得多层篦齿等封气、封油结构广泛采用,转子、静子间轴向间隙极小,客观上也为轴向碰摩的发生创造了条件,导致近几年来转、静轴向碰摩的故障渐为多见,有的甚至造成了等级事故。为此,本文研究单跨双盘转子轴承系统发生轴向碰摩时的横向振动,揭示轨迹的不稳定变化和频率特点,其中假定静子碰摩点固定[5]132-137。徐可君等[6]研究了轴向碰摩系统的弯扭耦合振动特性,结果表明偏心量是激起碰摩的一个主要因素,且系统响应对偏心量的变化比较敏感,并可能呈现复杂化。近期,他们[7-8]又进一步推导了径向和轴向碰摩转子系统的力学模型,并作数值分析,讨论转速和偏心量变化时系统的混沌运动演化,但没有考虑轴向碰撞力对转轴横向运动的影响。

　　本文在上述研究基础上,分析并给出产生动、静接触的位置、轴向碰撞力和摩擦力的计算公式,建立主要针对涡扇式航空发动机单跨双盘弹性转、静子轴向摩擦弯、扭耦合动力学模型,数值分析弯曲共振情况下间隙改变导致的不同程度轴向摩擦对转子弯、扭振动的影响。

　　2　振动方程

　　简支承单跨双盘转子与封严圈(静子)轴向摩擦如图1所示。假定刚性盘始终保持与挠曲轴垂直,当盘的外缘与封严圈的最小间隙减小至零时,转静子产生轴向碰撞、摩擦。显然,轴向间隙愈小,产生轴向摩擦的可能性愈大。考虑到实际转子运行中的轴向热变形位移等因素,转盘与两侧封严圈的轴向间隙可能不相等,本文定义图1中的Ai为左碰摩点,Bi为右碰摩点(i= 1, 2。以下均如此)。

　　2.1　碰摩位置的确定

　　令Fix、Fiy是作用于盘i上的外力分量,则盘心Oi的挠度xi、yi和绕x、y轴的转角θix、θiy分别由下式确定

　　图1显示,转、静子轴向碰摩点Ai、Bi即过封严圈圆心且垂直于直线Oipi的直线与封严圈相交的两点(直线Oipi的斜率为盘i转角矢量的正切值ki=tanαi=θiy/θix)。令xs、ys为静子的形心坐标,前、后碰摩点Ai、Bi的坐标满足如下关系