ISFD抑制密封-转子系统流体激振的实验研究*

闫 伟，何立东，亢嘉妮，贾兴运，张翼鹏

(北京化工大学 机电工程学院，北京 100029)

0 引 言

随着企业生产的需求不断变大，旋转机械朝着高转速、高流量、高温高压的方向发展。然而由于不平衡、不对中、流体激振等故障的存在，将会引起旋转机械产生较大的振动。若旋转机械振动超标时,将会引起定子与转子部件发生碰撞，严重时将会机毁人亡，造成严重的经济损失。因此,如何改善流体激振力引起的转子振动，具有重要的工程意义。

门志平[1]针对五瓦可倾瓦轴承支撑下的转子系统，探究了叶轮间隙流体力对转子系统动力学的影响；窦唯等人[2-4]分析了流体激振力对高速泵叶轮系统的振动及其轴心轨迹的影响；肖玥等人[5]针对汽轮机部分进汽时非定常效应产生的激振力问题开展了研究。郭瑞等人[6-8]建立了某型300 MW汽轮机高压前轴封结构的模型，分析了在不同工况下密封间隙内流场的分布和流体对转子作用力的变化规律；张万福等人[9,10]探究了该系统在轴承-密封耦合作用下该转子系统的动力学特性，研究结果表明在将负预旋设置在密封入口可以提高系统的稳定性。

为了改善密封流体激振的问题，常常通过反旋流、合成射流和阻尼密封等措施减少流体的周向速度，从而实现抑制密封流体激振的目的[11,12]。

整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)是20世纪90年代初出现的一种结构新颖、振动控制性能优越且能有效提高系统稳定性的新型阻尼器。SANTIAGO O D等人[13-15]探究了有、无端部密封的ISFD转子系统不平衡响应特性，揭示了工作变化的条件下，ISFD的刚度和阻尼具有优良的线性特性；ERTAS B等人[16，17]探究了不同端部密封间隙对ISFD动力学特性系数的影响，并通过锤击法测定了其阻尼系数的变化趋势，实验证明了ISFD能够提供足够的阻尼，能够解决超临界二氧化碳增压机等透平机械中的振动问题；路凯华等人[18-20]开展了ISFD对齿轮轴系振动控制的实验研究，实验证明了ISFD能够有效地抑制齿轮啮合的冲击振动，对较宽频带的振动均有较好的抑制效果。

然而ISFD尚未应用于密封流体激振引起转子系统振动。

本文针对密封流体激振作用下的转子系统，开展整体式挤压油膜阻尼器对转子系统振动控制的实验研究，探究ISFD对转子系统动力学特性的影响规律；搭建转子密封流体激振实验台，分别开展ISFD支承和传统支承条件下转子系统动力学特性的实验研究，研究不同转速、偏心率条件下，ISFD对密封流体激振力引起转子系统振动的影响规律。

1 研究方法

1.1 整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)

ISFD是一种结构新颖的挤压油膜阻尼器，具有优良的线性阻尼特性，以及结构简单、拆装方便等特点[21-23]。

ISFD的结构示意图如图1所示。

图1 整体式挤压油膜阻尼器结构示意图

ISFD由内环和外环两部分组成，内环与外环之间由多个对称均匀分布的S型弹性体连接在一起。S型弹性体决定了ISFD的刚度系数，可以通过改变其结构的几何参数，以获得不同刚度系数的ISFD。内环和外环之间的缝隙即为挤压油膜区域，在挤压作用的条件下，该区域中油膜将会产生挤压阻尼效应，提供稳定的阻尼力，用于吸收转子振动能量，抑制转子因不平衡、不对中、流体激振等故障产生的振动。

ISFD结构参数如表1所示。

表1 ISFD结构参数

与传统SFD的2π油膜不同，ISFD采用了分段式的结构，ISFD中被分隔的油膜不会发生环向流动，有效地改善了传统SFD存在的非线性阻尼特性。

已有的研究结果表明，可将整体式挤压油膜阻尼器中，挤压油膜产生的阻尼力进行线性化，其等效物理模型如图2所示。

图2 ISFD的等效物理模型

通过改变ISFD的轴向长度、径向高度、径向厚度、油膜间隙、S型弹性体分布角度等结构参数的大小，可获得不同的刚度和阻尼。

1.2 动力学模型构建

为了探究ISFD对密封间隙流体激振的抑制效果，笔者分别在刚性支承和ISFD支承条件下，建立密封-转子系统实验台的动力学模型，为实验研究提供理论基础。

1.2.1 刚性支承密封-转子系统实验台动力学模型

笔者所建立的刚性支承密封-转子系统实验台的动力学模型，其示意图如图3所示。

图3 刚性支承条件下密封-转子系统实验台的动力学模型

该密封-转子系统实验台采用的是刚性支承，即为传统支承结构，由轴承座、刚性套筒和深沟球轴承构成。

该密封-转子系统的运动微分方程如下：

(1)

式中：mD—圆盘的质量；xD，yD—圆盘在x、y方向的位移；cS，kS—转轴的阻尼系数、刚度系数；Fx，Fy—在x、y方向的流体激振力；eμ—圆盘的不平衡质量偏心率；ω—转子的角速度；mB—轴颈处的质量；xB，yB—滚动轴承在x、y方向的位移；cB，kB—滚动轴承的阻尼系数、刚度系数。

1.2.2ISFD支承密封-转子系统实验台动力学模型

所建立的ISFD支承密封-转子系统实验台的动力学模型，其示意图如图4所示。

图4 ISFD支承条件下密封-转子系统实验台的动力学模型

该密封-转子系统实验台采用的是ISFD支承，由轴承座、ISFD和滚动轴承构成。

该转子-密封系统的运动微分方程如下：

(2)

式中：mI—ISFD的质量；xI，yI—ISFD在x、y方向的位移；cI，kI—ISFD的阻尼系数、刚度系数。

1.3 密封-转子系统实验台搭建

为了探究ISFD对密封间隙流体激振的抑制效果，笔者搭建如下的密封-转子系统实验台，如图5所示。

图5 密封-转子系统实验台

图5中，2个直径不同的圆盘分别用于模拟密封转子和密封定子，密封定子固定于水槽上，密封转子与转轴通过螺栓连接固定为一体。永磁式伺服直流电机能够实现0～10 000 r/min无级变速，带动转轴和密封转子做旋转运动；装有ISFD的轴承座为密封转子提供弹性阻尼支承；安装于框架上的轴承座为转子提供支承作用。

图5(a)中，将ISFD和刚性套筒分别安装于轴承座中，即为ISFD支承和刚性支承。其中，ISFD支承是由ISFD、滚动轴承、轴承座、密封端盖和O型密封圈组成；密封端盖中设有注油孔和卸油孔，轴承座、密封端盖和O型密封圈为ISFD形成一个密闭的油腔，使润滑油充满ISFD中的挤压油膜区域中。

密封-转子系统实验台的结构参数如表2所示。

表2 密封-转子系统实验台的结构参数

2 实验及结果分析

为了探究ISFD对密封流场激振的影响规律，笔者对不同支承条件下，流体激振力引起转子振动的变化规律进行实验。

当该次活动有变更，管理员可在后台发布公告，学生端在活动列表就会显示有新的活动通知公告，如图5所示，点击可查看更改后的内容，显示活动具体的起止时间、地点和备注信息，如图6所示。

笔者分别测量密封-转子系统在不同转速(n=100 r/min～500 r/min)与不同偏心率(e=0～0.8)条件下，转子的振动情况，并通过对比刚性支承和ISFD支承条件下转子的振动变化，探究ISFD抑制密封流场激振的效果。

2.1 ISFD对流体激振的影响

为了探究ISFD对密封流场激振的动力学特性的影响，揭示ISFD抑制流体激振力引起转子振动的机理，笔者开展了转速n=100 r/min、偏心率e=0.4工况下，密封-转子系统振动响应的实验研究，分别得到两种支承结构条件下，转子测点处振动位移的时域图和频域图。

其中，转子振动位移的时域波形图如图6所示。

图6 转子振动位移的时域波形图

转子振动位移的频域波形图如图7所示。

图7 转子振动位移的频域波形图

图6中，通过对比刚性支承和ISFD支承条件下的时域波形图可知，由于ISFD中产生的挤压阻尼效应，转子的振动幅值得到了明显的降低，其中水平方向的峰峰值由98.72 μm降至57.01 μm，振幅降低幅度达到42.25%以上；竖直方向的峰峰值由142.96 μm降至67.22 μm，振幅降低幅度达到52.97%以上。

由图7中的频域图可知，转子的主频振幅为一倍频振动，同时还存在二倍频、三倍频等高频振动，这主要是由不平衡振动和流体激振力引起的；

图7中，通过对比刚性支承和ISFD支承条件下的频谱图可知，ISFD对转子不平衡力和流体激振力引起的转子振动，均有较好的抑制效果。

2.2 不同转速对流体激振的影响规律

实验得到两种支承结构条件下，转子的轴心轨迹随转速的变化规律，如图8所示。

由图8可知：随着转速的增加，由于流体激振力的作用，刚性支承条件下转子的轴心轨迹变得越来越复杂，且振幅也不断变大；然而将ISFD应用到密封-转子系统中后，转子的轴心轨迹变得更加有规律,并趋近于椭圆形，振动幅值也有了明显的降低。

图8 不同转速条件下密封-转子系统的轴心轨迹图

在两种支承条件下，通过对比转子的轴心轨迹图可知，ISFD可以有效地抑制密封-转子系统的流体激振；

由于ISFD中挤压油膜产生的阻尼力有效地吸收了流体激振力，转子的振幅得到了有效的降低，降低幅度在40%～70%；并且随着转速的增加，ISFD的减振效果越好。

2.3 不同偏心率对流体激振的影响规律

为了探究不同偏心率条件下，ISFD对密封流场激振的影响规律，在不同偏心率条件下，笔者开展了密封-转子系统的实验研究。

实验过程中，密封-转子系统的转速n=400 r/min，偏心率e=0～0.8。

实验得到两种支承结构条件下，转子的轴心轨迹图随偏心率的变化规律，如图9所示。

由图9可知：随着偏心率的增加，由于流体激振力的作用，刚性支承条件下转子的轴心轨迹变得越来越复杂，且振幅也不断变大；

图9 不同偏心率条件下密封-转子系统的轴心轨迹图

实验过程中可观察到，当偏心率e=0.8时，定子中的流体出现明显的漩涡，此时其轴心轨迹图比较混乱。

密封-转子系统采用ISFD支承后，由转子的轴心轨迹图可知，转子的振动得到了明显的抑制。

同时发现，在刚性支承条件下，偏心率越大振幅增大的趋势越明显；而在ISFD支承条件下，转子的振幅增大则相对比较平缓。

在两种支承条件下，通过对比转子的振幅可知，ISFD可以有效地抑制密封-转子系统的流体激振，振动幅值的降低幅度均达到56%以上。

3 结束语

针对旋转机械中常见的流体激振问题，在刚性支承和ISFD支承两种支承条件下，本文建立了密封-转子系统的动力学模型，并搭建了密封-转子系统的实验台，研究了流体激振力作用下密封-转子系统的动力学特性，开展了不同转速和偏心率条件下密封-转子系统响应的实验研究，探究了ISFD抑制密封-转子系统的流体激振的变化规律。

研究得到如下结论：

(1)通过时域分析和频域分析可知，在一定工况条件下，与刚性支承相比ISFD支承密封-转子系统的振动幅值降低了40%以上，ISFD对转子不平衡力和流体激振力引起的振动均有较好的抑制效果；

(2)随着转速的增加，刚性支承条件下转子的轴心轨迹变得越来越复杂，且振幅也不断变大。通过对比可知，ISFD使转子的轴心轨迹由无规则的形状变成趋近于椭圆形，有效地抑制密封-转子系统的流体激振，转子的振幅降低了40%～70%；

(3)随着偏心率的增加，刚性支承条件下转子的振幅也不断变大。采用ISFD支承后，转子的振动得到了明显的抑制，振动幅值的降低幅度均达到56%以上。其中，偏心率e=0.8时，由于定子中的流体出现漩涡，使转子的轴心轨迹图比较混乱，采用ISFD后转子的振动也得到了很好的控制。