可倾瓦轴承预负荷对转子稳定性的影响

可倾瓦轴承预负荷对转子稳定性的影响肖萍;陈彦峰;李启行;王维民【摘要】The effects of preload of bearing on log decrement, pad temperature, power consumption and lube consumption were investigated in this paper by combining the practical industrial centrifugal compressor with the main purpose to improve the stability of rotor system. Based on this, a new tilting bearing structure with mixed preload was studied according to the load distribution on the different pads, and the result indicated that the bearing with mixed preload handled both stability characteristic of low preload bearing and high capacity of high preload bearing, and it had even lowered pad temperature and power consumption.%本文以提高转子系统稳定性为主要目标，结合实际的工业离心压 缩机，研究轴承预负荷对对数衰减率、瓦温、功率损耗以及润滑油量的影响。并在 此基础上，根据不同瓦块的受载分布，研究混合型预负荷的可倾瓦轴承，结果表明： 混合型预负荷轴承具有低预负荷的稳定性特性，也兼有高预负荷支撑能力强的特性， 并且还具有更低的瓦温和功率损耗。【期刊名称】 风机技术【年(卷),期】 2015(000)003【总页数】6页(P31-36)关键词】 可倾瓦轴承;转子动力学;转子稳定性;预负荷;离心压缩机作 者】 肖萍;陈彦峰;李启行;王维民【作者单位】中国石油天然气股份有限公司宁夏石化分公司;中国石油天然气股份 有限公司宁夏石化分公司;北京化工大学诊断与自愈工程研究中心;北京化工大学诊 断与自愈工程研究中心【正文语种】中文【中图分类】TH452;TK05轴承作为转子支撑的核心部分，是影响旋转机械动力学特性甚至整个机组组性能的 主要部件，一直是工程界和学术界研究的重点。随着现代工业对旋转机械的要求越 来越高，高稳定性、低功耗、低瓦温、低润滑油消耗的轴承成为透平设计者所追求 的目标。滑动轴承的动态特性和轴承油膜状态对转子稳定性有着重大影响。为提高 转子系统运行的稳定性，研究者研究了降低轴承的承载能力和内部载荷及采用非圆 轴承、可倾瓦轴承和动静压混合轴承等措施1。谢朋儒2研究了系统在轴承油膜力作用下的动力学行为，以及油膜压力在轴承圆 周方向和轴向方向的变化规律。沈小要等3用数值和试验方法，分析研究了油膜 力和密封共同作用下的转子系统的稳定性问题。唐云冰等4指出通过改变系统支 承刚度和转轴直径，可以提高转子系统的稳定性。Dimond5对可倾瓦轴承做了 详细的综述，包括同步和异步的模型，并讨论了温度对可倾瓦轴承的影响，提出了 未来发展趋势和试验验证方法。Delgado6在可控主轴转子试验台上研究了一个 直接润滑的球面支撑的五瓦可倾瓦轴承的动态响应特性。何国安等7结合工程实 例，研究了通过增大转子的预负荷来降低低频振动和不稳定同频振动的措施。Cloud8,Wang 等9通过理论分析和试验，研究了五瓦可倾瓦预负荷为 0.1 和 0.3 时，在瓦上和瓦间支撑的转子稳定性变化情况，结果表明：降低预负荷有利于 提高转子系统的稳定性。本文在研究不同预负荷对轴承参数及转子稳定性影响的基础上，提出一种混合型预 负荷分布的可倾瓦轴承，它具有低预负荷的稳定性特性，也兼有高预负荷支撑能力 强特性，并且还具有更低的瓦温和功率损耗。1.1 预负荷的概念图1描述了可倾瓦的结构参数，轴承的预负荷m定义为：式中，cb为轴承间隙；cp为轴瓦间隙。预负荷为0时的轴承结构参数见表1,润滑油为ISO VG 32，供油温度为42工， 供油压力为O.IBar。1.2 转子模型介绍 为不失一般性，本文以一个常见的直列型离心压缩机转子为例，用来衡量轴承性能 的转子轴模型，见图 2。该转子为一个 6 级背靠背离心压缩机，转子轴长 2.66m， 轴承跨距1.987m，重1 005.4kg。图3是该压缩机的有限元模型，由55个梁单 元构成，5号节点和35号节点分别由5瓦可倾瓦轴承支撑。不平衡质量加载在22号节点上，用Fu表示。转子最右端56号节点，为施加正弦扫频力的位置用F 表示。1.3 转子有限元计算理论 根据有限元转子建模理论，可建立转子的有限元方程如下10：式中，q=x1 , y1,0x1,0y1,x2,y2,_xn, yn ,0xn,0ynT; M 为质量矩 阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵。改写式（2）为：令：，第i节点的输出位移向量，式（3）改写为状态空间形式：利用状态空间计算方法，即可计算转子在激励力下的瞬态响应。在22节点施加不平衡量5kgmm,在56施加0 200Hz的正向扫频力，即x,y 方向施加相位差为90的正弦力。通过式（ 4 ）计算获得瞬态的振动信号，得到图 4所示的瀑布图。瀑布图中 178.3Hz 处的振动值，反映的就是工作转速下不平衡量引起的振动。图4 中可以看出，采用正向激励力激励出来的主要是正进动。2.1 预负荷对轴承动力学系数的影响基于数值方法，运用商用转子动力学软件Dyrobes，对不同预负荷下轴承参数随 转速变化的规律进行分析，结果见图 5。由于可倾瓦轴承提供的交叉刚度和交叉阻 尼非常小（接近 0），因而，此处没有表示。由图 5 可见，预负荷一定时，随转速 增加，转子主刚度 kxx，kyy 增加，主阻尼 cxx，cyy 降低。这一趋势说明：随转 速增加系统的阻尼会降低，转速升高会导致转子系统的稳定性降低。转速一定时， 随预负荷增加，转子主刚度系数整体上呈增加趋势，阻尼系数变化不大。2.2 预负荷对油膜压力分布的影响 观察工作转速下，各个轴瓦上的压力分布，可以用来分析各个瓦块的功能，为瓦块 参数的修改提供指导。运用 Dyrobes_Bperf 求解雷诺方程，得到各个瓦块在不同 预负荷下的压力分布，如图 6 所示。可见，随着预负荷的增加，各个轴瓦的油压 逐渐增加。在预负荷较低时，#1 和#2 轴瓦没有油压，轴瓦容易出现摆动，造成轴 承的低频振动。因而，提高预负荷，有助于防止轴承的上瓦块摆动。但随预负荷的 增加，各个轴瓦的油压分布均在增加，使得轴瓦所承受的载荷增加，可能会加剧轴 瓦损坏。2.3 预负荷对轴承工作状态参数的影响表 2 为不同预负荷下轴承的工作状态参数表。由表 2 数据可见，随着预负荷的增 加，平均温度、最大瓦温、轴承消耗功率及润滑油消耗量均呈下降趋势。这表明提 高预负荷有利于降低烧瓦风险和功率损耗，对节能有利。针对图 6 的油压分布沿着周向积分可以获得轴瓦所受载荷，见表 3。图 7 描述了 轴承瓦载荷与预负荷的关系，可见，随轴承预负荷增加，各个轴瓦的所受载荷整体 呈线性增加（#4 轴瓦在预负荷为 0 时，表现不一致）。由于#1 和#2，#3 和#5 轴瓦是对称的，因而，所受载荷也是一致的。另外，各个预负荷下最大瓦载荷，均 发生在最下面的#4轴瓦。2.4 预负荷对转子系统稳定性的影响转子稳定性的高低是用转子一阶模态对应的衰减率的大小来衡量，API617规定压 缩机的转子系统的对数衰减率应大于0.1。对数衰减率是通过计算转子系统模态参 数获得。首先，计算转子模态的共轭奇异值： 进而，对应的对数衰减率为8：油膜轴承支撑的转子系统的激励力，来自转子同轴承及密封间形成的微小间隙内的 流体的周向流动，它主要激励一阶正进动的模态。因而，转子系统的稳定性主要取 决于转子系统在工作转速下一阶正进动模态的对数衰减率。1）预负荷对转子基础稳定性的影响工作转速n = 10 700r/min时，各个预负荷下轴承的动力学系数见表4。计算一阶正反进动的固有频率和对数衰减率，结果如表5所示，图89是对应的 变化曲线。很直观地看到，随预负荷增加，转子的一阶正反进动固有频率整体呈增 加趋势，正反进动的对数衰减率呈衰减趋势，即转子系统的稳定性降低。 进一步探究，一阶正反进动被激励力激励起来的响应状态，进行了扫频激励仿真。 在转子最右节点处施加正向周向扫频力，幅值500N，频率范围20200Hz，步 长1Hz/s，并利用式（4 ）计算轴承（5号节点）振动响应。得到图10 11所示 的正反进动幅值，随激励力的频率变化的响应曲线。可见，正向激励主要激励起正 进动振动，反进动相对较小，也侧面说明了转子稳定性主要关心一阶正进动的模态 参数。并且，明显地看到，随轴承预负荷增加，振动响应曲线的峰变得尖锐起来， 并且峰值增加，进一步反映了对数衰减率下降的事实。2）预负荷对转子抗干扰能力的影响压缩机转子的密封激振力Fexcit可以表述为：将激振力带入式（2）计算时，等效在刚度矩阵K对应节点的位置施加上交叉刚度矩 阵，即给系统引入了交叉刚度。交叉刚度增加会降低机组稳定性，严重时出现失稳 情况9。进一步衡量转子系统抗交叉刚度影响的能力，在22号节点处施加交叉刚度矩阵Kc，得到不同交叉刚度q下，转子系统对数衰减率的变化规律。 从图12中看出，预负荷一定时，随着交叉刚度的增加，转子稳定性逐渐下降。预 负荷越高，对衰减率越早变为 0，即抗交叉刚度干扰能力越弱。从轴承预负荷对轴承参数、轴瓦载荷、轴瓦温度以及转子稳定性的变化规律出发， 提出了一种预负荷混合型轴承结构。图13 左是新轴承的结构示意图，其中各个轴 瓦的预负荷分布如表 6 所示。图 13 右是对应的油压分布。对比表 6 和表 3，可知 瓦载荷与预负荷为0.2时数值相当。轴承的动力学参数变化见图 14 ，其中工作转速下的动力学参数见表7。 对比表8和表2可以发现，跟预负荷为0时的状态相比，混合预负荷轴承的操作 温度、最大瓦温和轴承总的消耗功率是最低的，并且，操作温度下降了 5.3C,最 大瓦温降了 9.1C,轴承功耗降低了 3.72kW，节能很明显。另外，润滑油量没有 明显改变。对比表9和表5,可知稳定性介于0.3 0.4预负荷之间。图10和图11中标有 “混合”字样的曲线就是混合预负荷轴承的响应曲线。对比可知，转子稳定性适中 同样，图12中看出混合预负荷轴承抗交叉刚度影响的能力介于预负荷0.3 0.4之 间。1）混合型预负荷轴承具有更低的轴瓦温度和功率损耗。2）混合型预负荷轴承支撑的转子系统的稳定性和抗交叉刚度能力，完全可以满足 压缩机的设计要求。3）调整各个轴瓦的预负荷进行优化设计，可获得更高性能的轴承。4）本文的研究可为提高压缩机转子系统的稳定性和轴承性能提供了新的研究思路， 为高端压缩机的研发提供参考。【相关文献】1 孙保苍，周传荣转子系统运行稳定性研究的现状与展望C 华东五省振动工程学会第五届学术交 流会论文集,2001,31 (5A)：27-29.2 谢朋儒转子轴承系统动力学特性及油膜参数识别方法研究D 华东理工大学,2011.3 沈小要，赵玫转子-轴承-密封系统非线性动力学理论和试验研究J.噪声与振动控制,2009,29(6): 67-71.4 唐云冰，高德平,罗贵火，等叶轮偏心引起的气流激振力对转子稳定性影响的分析J.航空学 报,2006,27(2) : 245-249.5 Dimond T,Younan A,Allaire P.A review of tilting pad bearing theoryJ.International Journal of Rotating Machinery,2011, Article ID 908469.Doi:10.1155/2011/908469.6 Delgado A,LibrashiM,Vannini G.Dynamic characterization of tilting pad journal bearings from component and system level testing C /ASMETurboExpo2 0 1 2 : Turbine Technical Conference and Exposition.American Society of Mechanical Engineers,2012:1007-1016.7 何国安，常屹，张学延，等预负荷调整在可倾瓦轴承不稳定振动处理中的应用J.中国电 力,2012,45(11) : 36-40.8 Cloud C H.Stability of rotors supported by tilting pad journal bearingsD.University of Virginia,USA,2007.9 Wang W,Li Q,Gao J,et al.Rotor dynamic Evaluation of Full Scale Rotor on Tilting Pad Bearings with 0.1 and 0.3 PreloadJ. 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