CN104949823A - 一种改善转子动力学特性的方法 - Google Patents

Abstract

一种改善转子动力学特性的方法，本发明涉及振动控制技术领域，具体涉及了一种旋转机械的振动控制方法，包括从设计的角度通过调整转子的结构来调整临界转速，在对强度不构成损伤性破坏的前提下，在振动敏感处设置盲孔或者改变盲孔的尺寸，对转子结构进行修改，来使该阶临界转速升高，而不影响转子其它阶临界转速。本发明提供的旋转机械的振动控制方法，解决了现有技术需要通过牺牲轴承寿命和效率来提高转子振动的可靠性的问题。

Description

一种改善转子动力学特性的方法

技术领域

本发明涉及振动控制技术领域，尤其涉及一种旋转机械的振动控制方法，更具体地涉及一种改善转子动力学特性的方法。

背景技术

在目前，传统燃气轮机、汽轮机、发电机、曲轴等转子在设计时往往是先对转子进行设计，在转子设计完成后，再核对临界转速是否与工作转速有一定的避开率，并检测避开率的大小，如果避开率不够，容易引起共振，则需要改变转子的振动特性来避免共振，提高转子振动的可靠性。

一般情况下，当旋转机械，例如转子，在设计完成后，如果遇到临界转速与工作转速比较接近，则不符合避开率的设计要求。此时，传统方法通常是通过修改轴承的设计参数，并通过牺牲轴承的设计寿命及传动效率来实现转子振动可靠性的提高。这种靠调整轴承来达到设计要求的方法，一定程度上可以避免共振，但传统方法在改变转子振动特性的同时，还会改变其他的特性，例如机械特性等，对转子及轴承的其他方面性能产生影响，使传动效率降低，并且缩短了设备的寿命。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种改善转子动力学特性的方法，对转子结构的本身进行结构调整，仅对转子的振动特性进行改变，解决现有技术需要通过牺牲轴承寿命和效率来提高转子振动的可靠性的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种改善转子动力学特性的方法，包括如下步骤：

S1、测量待改善转子的临界转速的振动避开率；

S2、找到需要调整转子的临界转速对应的振动敏感点；

S3、计算所需在转子上设置的盲孔的尺寸和位置；

S4、根据计算的所述盲孔的尺寸和位置，在所述转子上加工所述盲孔。

进一步的，前所述步骤S1中，测量所述振动避开率的方法为对待改善转子进行动平衡试验振动检测，获得振动波形图；从振动波形图上找到各阶临界转速，以其中一阶临界转速与工作转速之间差值除以工作转速即得到该阶振动避开率。

进一步的，前述步骤S2中，找到所述振动敏感点的方法为根据分析各阶临界转速的振型，获得转子上各阶的所述振动敏感点。

进一步的，前述步骤S3中，所述盲孔的尺寸，为在所述转子上开设盲孔的尺寸，或者在所述转子上扩大的盲孔的尺寸。

进一步的，计算所述开设的盲孔的尺寸的方法为：预设盲孔的直径为盲孔处待改善转子直径的1/4，以预设后的转子重新计算转子的振动避开率，如果仍不满足，则加大盲孔直径，所述盲孔直径最大不可超过待改善转子直径的3/4。

进一步的，计算所述扩大的盲孔的尺寸的方法为：预设一盲孔直径增大值，然后通过传递矩阵法或有限元法对预设后的转子进行数据分析，经多次对所述盲孔直径增大值进行修改和校准，直到待改善的转子符合振动避开率为止。

进一步的，前述步骤S4中，开设所述盲孔的加工方法为通过机械工艺开设盲孔。

进一步的，前述机械工艺的具体步骤为在需要进行挖空的位置先镗出一细孔，再以铰刀进行扩孔，使该盲孔直径达到所述计算的盲孔尺寸。

进一步的，扩大所述盲孔的尺寸的方法为机械加工法方进行扩孔。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

本发明提供了一种改善转子动力学特性的方法，从设计的角度通过调整转子的结构来调整临界转速，在对强度不构成损伤性破坏的前提下，在振动敏感处将转子设置盲孔或者改变盲孔的尺寸，对转子结构进行修改，来使该阶临界转速升高，从而不影响转子其它阶临界转速。

本发明提供的改善转子动力学特性的方法，不但能达到升高或降低某阶需要修改的阶临界转速，以使整个转子的振动性能得到有效改善，而且此结构工艺可行，加工简单，容易实现，简单易行，且还不影响转子的可靠性。

附图说明

图1为现有技术中转子结构示意图；

图2为本发明改善后的转子结构示意图；

图3为现有技术中带孔转子的结构示意图。

图中，1：前轴头；2：压气机转子；3：叶片；4：透平转子；5：后轴头；6：轴心线振型；7：盲孔；8：孔洞。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

一般的转子包括前轴头1、压气机转子2、透平转子4、叶片3及后轴头3，如图1所示，当转子在高速旋转时会产生若干阶振动模态。如果转子是支承在机器缸体中，会有若干阶振动引起的临界转速，即转子在此临界转速附近转动时振动量会突然很大。转子的工作转速及暖机转速如果高于临界转速，需要避开临界转速一定范围，否则振动对机组的损害将是致命的。

因此，本实施例提供的一种改善转子动力学特性的方法，包括如下步骤：

S1、测量待改善转子的临界转速的振动避开率；测量所述振动避开率的方法为对待改善转子进行整机试车的转子动平衡试验振动检测，获得振动波形图；从振动波形图上找到各阶临界转速处的共振峰处，即临界转速，以其中一阶临界转速与工作转速之间差值除以工作转速即得到该阶振动避开率。

S2、找到需要调整转子的临界转速对应的振动敏感点；找到所述振动敏感点的方法为根据分析各阶临界转速的振型，获得转子上各阶振动的振幅最大的点，即各阶的振动敏感点。

S3、计算需要在转子上开设盲孔7的尺寸和位置；所述盲孔7的计算方法为：所述盲孔7尺寸的计算方法为：预设盲孔7的直径为盲孔7处待改善转子直径的1/4，以预设后的转子重新计算转子的振动避开率，如果仍不满足，则加大盲孔7直径，所述盲孔7直径最大不可超过待改善转子直径的3/4，以保证转子仍有足够的强度。

S4、在转子上根据计算的所述盲孔7的尺寸和位置，开设所述盲孔7。通过机械工艺开设盲孔7。挖空的结构可以设置在轴头，也可以通过机械工艺，在转子中间进行挖空。机械工艺的具体步骤为在需要进行挖空的位置先镗出一细孔，再以铰刀进行扩孔，使该盲孔7直径达到所述计算的盲孔7尺寸。

例如，某发电用燃气轮机转子如图1所示，包括前轴头1、压气机转子2、透平转子4、叶片3及后轴头3，转子总长6010mm前轴头1外径为400mm。转子在设计完成后，计算得到前三阶临界转速为921转/分、2100转/分、3050转/分，转子的工作转速为3000转/分，与第三阶临界转速避开率仅为1.6％，而设计要求为各阶临界转速的振动避开率为8％，第三阶临界转速对应的转子轴心线振型6如图1所示，可知前轴头1处振动最敏感，振动量最大，所以将前轴头1转子进行挖空设计，开设盲孔7，盲孔7的尺寸为外径210mm，长600mm，如图2所示，此时再次对临界转速进行计算，得到前三阶临界转速分别为924转/分、2120转/分、3380转/分，这样前两阶临界转速几乎不变，而第三阶临界转速上升了330转/分，第三阶临界转速的避开率了提升到了12.6％，满足设计要求。

本实施例可应用的转子不限于包括这些部分，也可以为轴系复杂转子，或只有一根圆柱的简单转子及类似结构。

本实施例的目的就是在不影响转子其它阶临界转速的前提下，找到需要调整的临界转速对应的振动敏感点，并对转子进行结构调整，以达到升高或降低该阶临界转速的目的。转子在设置盲孔7后可能会影响到转子本来的强度，但从搞弯刚度理论数值计算公式

$W_z=\frac{\mathrm{\π}{D}^3}{32}(1-{\mathrm{\α}}^4)$

其中，D为圆环外径，d为圆环内径，a为d/D，可知，转子的刚度相关的抗弯截面系数与转子外径有很大关系，因为这些系数与外径尺寸的四次方成正比，当内径变小时，对总的截面系数影响并不大，所以设置的盲孔7外径为转子外径的1/2的尺寸材料，对转子质量影响比较大，但对强度几乎没有什么影响，基于此理论，为了调整转子的振动特性，可以考虑对转子进行挖空。

实施例二

如图3所示，如果某阶临界转速的振动敏感点本来已有孔洞8的转子结构，则可以通过增大孔洞8直径的方法，来降低该阶临界转速。

因此，本实施例提供的一种改善转子动力学特性的方法，包括如下步骤：

S1、测量待改善转子的临界转速的振动避开率；测量所述振动避开率的方法为对待改善转子进行整机试车的转子动平衡试验振动检测，获得振动波形图；从振动波形图上找到各阶临界转速处的共振峰处，即临界转速，以其中一阶临界转速与工作转速之间差值除以工作转速即得到该阶振动避开率。

S2、找到需要调整转子的临界转速对应的振动敏感点；找到所述振动敏感点的方法为根据分析各阶临界转速的振型，获得转子上各阶振动的振幅最大的点，即各阶的振动敏感点。

S3、计算需要在转子上需扩大盲孔7的尺寸；计算需扩大的尺寸的方法为预设一孔洞8的直径增大值，然后通过传递矩阵法或有限元法对预设后的转子进行数据分析，如果人不满足，则加大孔洞8直径增大值，经多次对所述孔洞8直径增大值进行修改和校准，直到待改善的转子符合振动避开率为止，得到需扩大盲孔7的尺寸。

S4、机械扩大所述盲孔7的尺寸到计算值。扩大所述盲孔7的尺寸的方法为机械加工法方进行扩孔，如铰刀扩孔，还可以采用其他形式的机械加工方法。

本实施例的目的就是在不影响转子其它阶临界转速的前提下，找到需要调整的临界转速对应的振动敏感点，并对转子进行结构调整，以达到升高或降低该阶临界转速的目的。转子在设置盲孔7后可能会影响到转子本来的强度，但从空心轴抗弯刚度理论数值计算公式

$W_z=\frac{\mathrm{\π}{D}^3}{32}(1-{\mathrm{\α}}^4)$

其中，D为圆环外径，d为圆环内径，a为d/D，可知，转子的刚度相关的抗弯截面系数与转子外径有很大关系，因为这些系数与外径尺寸的四次方成正比，当内径变小时，对总的截面系数影响并不大，所以设置的盲孔7外径为转子外径的1/2的尺寸材料，对转子质量影响比较大，但对强度几乎没有什么影响，基于此理论，为了调整转子的振动特性，可以考虑对转子进行挖空。

如图3中所示转子，左轴头轴径为200mm，有孔洞8长度数80mm孔径20mm。转子的第三阶临界转速为3200rpm，而转子的工作转速为3000rpm,避开率为6.7％，业行要求避开率为10％以上，所以，通过将其扩大为80mm的盲孔7后，第三阶临界转速为3501rpm，此时临界转速避开率为16％，满足设计要求。

本发明实施例提供的一种改善转子动力学特性的方法，在某阶临界转速与设计工作转速比较接近时，可以通过在振动敏感处设置盲孔7或者改变盲孔7的尺寸，来使该阶临界转速升高，而不影响其它阶临界转速，以使转子设计符合临界转速避开率的要求，方法简单易行，不影响转子的可靠性。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.一种改善转子动力学特性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、测量待改善转子的临界转速的振动避开率；

S2、找到需要调整转子的临界转速对应的振动敏感点；

S3、计算所需在转子上设置的盲孔的尺寸和位置；

S4、根据计算的所述盲孔的尺寸和位置，在所述转子上加工所述盲孔。

2.根据权利要求1所述的改善转子动力学特性的方法，其特征在于，所述步骤S1中，测量所述振动避开率的方法为对待改善转子进行动平衡试验振动检测，获得振动波形图；从振动波形图上找到各阶临界转速，以其中一阶临界转速与工作转速之间差值除以工作转速即得到该阶振动避开率。

3.根据权利要求1所述的改善转子动力学特性的方法，其特征在于，所述步骤S2中，找到所述振动敏感点的方法为根据分析各阶临界转速的振型，获得转子上各阶的所述振动敏感点。

4.根据权利要求1所述的改善转子动力学特性的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述盲孔的尺寸，为在所述转子上开设盲孔的尺寸，或者在所述转子上扩大的盲孔的尺寸。

5.根据权利要求4所述的改善转子动力学特性的方法，其特征在于，计算所述开设的盲孔的尺寸的方法为：预设盲孔的直径为盲孔处待改善转子直径的1/4，以预设后的转子重新计算转子的振动避开率，如果仍不满足，则加大盲孔直径，所述盲孔直径最大不可超过待改善转子直径的3/4。

6.根据权利要求4所述的改善转子动力学特性的方法，其特征在于，计算所述扩大的盲孔的尺寸的方法为：预设一盲孔直径增大值，然后通过传递矩阵法或有限元法对预设后的转子进行数据分析，经多次对所述盲孔直径增大值进行修改和校准，直到待改善的转子符合振动避开率为止。

7.根据权利要求4所述的改善转子动力学特性的方法，其特征在于，所述步骤S4中，开设所述盲孔的加工方法为通过机械工艺开设盲孔。

8.根据权利要求7所述的改善转子动力学特性的方法，其特征在于，所述机械工艺的具体步骤为在需要进行挖空的位置先镗出一细孔，再以铰刀进行扩孔，使该盲孔直径达到所述计算的盲孔尺寸。

9.根据权利要求4所述的改善转子动力学特性的方法，其特征在于，扩大所述盲孔的尺寸的方法为机械加工法方进行扩孔。