撓性轉子

撓性轉子是指工作轉速接近或者超越轉子的一階彎曲臨界轉速的轉子。隨著機組容量的增大，機組轉子的軸向尺寸也越來越大，細而長的轉子，撓（柔）性增加，使得轉子的臨界轉速大大下降，工作轉速將超過第一階臨界轉速或第二、第三階臨界轉速。對於這樣的轉子，稱為撓性轉子。撓性轉子在高轉速下會產生動不平衡現象，進而產生振動噪聲，影響轉子的使用壽命和傳遞效率。

基本介紹

• 中文名：撓性轉子
• 外文名：Flexible rotor
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 範圍：電力系統
• 釋義：一階彎曲臨界轉速的轉子

簡介

隨著機組容量的增大，機組轉子的軸向尺寸也越來越大，細而長的轉子，撓（柔）性增加，使得轉子的臨界轉速大大下降，工作轉速將超過第一階臨界轉速或第二、第三階臨界轉速。對於這樣的轉子，稱為撓性轉子。撓性轉子在高轉速下會產生動不平衡現象，進而產生振動噪聲，影響轉子的使用壽命和傳遞效率。不平衡的轉子經過測量其不平衡量和不平衡相位，並加以校正以消除其不平衡量，使轉子在旋轉時，不致產生不平衡離心力的平衡工藝叫做轉子的動平衡。動平衡就是要使由不平衡量引起的機器振動、軸撓度和作用於軸承的力低於規定的允許值。對於撓性轉子來說，需要校正每個微小軸段上的不平衡量，使轉子每個軸段上的質心都位於旋轉軸線上。這種狀態的轉子將不會產生靜不平衡、動不平衡和振型不平衡量，而是一個完全平衡的轉子，在所有轉速下均能理想的運轉。

撓性轉子動力學分析

撓性轉子的結構和加工方法及組件的裝配方式都能顯著影響不平衡量的大小及其沿轉子軸線的分布。由於不平衡量在轉子軸線的分布是隨機的，故同一種結構的兩種轉子的不平衡量分布也不相同。同時，撓性轉子的不平衡量分布比剛性轉子不平衡量的分布有更重要的意義，因為它決定了激發任一撓曲振型的程度。此外，沿轉子上任一點的不平衡效應取決於轉子的振型。動平衡時如果沒在不平衡量產生的平面校正，而在轉子的其它面校正不平衡，可能會在不同於原來校正轉速的其它轉速下引起振動，特別是在接近或達到撓曲臨界轉速時，這些振動可能更大。另外，轉子的動平衡安裝與轉子平衡時的主振型的不同，也會引起轉子在校正轉速下的較大振動。撓性轉子在平衡運轉時如果產生受熱彎曲，也會導致不平衡量的改變。

撓性轉子高速動平衡技術

撓性轉子不像剛性轉子那樣，經過低速動平衡就能達到工作轉速上的平穩運行，而必須進行高速動平衡。撓性轉子的平衡方法主要有模態平衡法和影響係數法。模態平衡法就是根據轉子上隨機分布的不平衡量能激起轉子各階振型及平衡重量組與主振型正交這一特點，採用了振型分離的方法，使轉子逐階得到平衡。影響係數法就是利用線性系統中校正量和所測量之間的線性關係，用影響係數求平衡轉子的方法，它操作簡單，具有較高的平衡精度，並且適合利用計算機輔助計算，是一種多轉速多平面的平衡方法。

動平衡設備對工件平衡的影響

1.定標精度

對於給定的轉子及其它類似轉子，使規定的校正平面上的不平衡量指示器讀數用選定的校正單位來表示的平衡機調整過程即為定標。必要時，可包括相角位置的調整。也就是將mr轉換成g或g.mm。定標精度將直接影響轉子的動平衡結果。

2.支承方式

HK4平衡機配兩套擺架，一套是法蘭式支承，驅動時需適配螺釘，用於平衡法蘭連線的工件。另一套是滾輪支承，用於支承軸頸連線的工件。

3.振動速度及二倍頻測量

在工作轉速的範圍內分二檔進行振動速度或振動位移測量，轉換為二倍頻測量模式後顯示二倍轉速。此測量模式可以根據設定速度，在一個明確的速度範圍內測量不平衡或振動速率，方便平衡工作的分析和測量。

4.平衡工裝

轉子動不平衡量公式為：M=m·ω（g·mm）

式中：M—動不平衡量；m—尾軸和平衡工裝總重量；ω—重心偏移量。

5.轉子的安裝

平衡螺栓及螺母引起的不平衡量為：M=m·r（g·mm）式中：M—動不平衡量；m—重量差；r—螺栓安裝位置半徑（設半徑為65mm）。每側平衡螺栓及螺母重量差為1g，引起動不平衡量為65 g·mm。

由於連線螺栓與轉子法蘭盤配合存在間隙，每次裝配時都不可能保證在同一位置， 由於工裝對動平衡的影響是不可避免的，因此總會出現剩餘不平衡量的抵消或疊加。同時零件三角法蘭盤上的孔位置度也有影響，裝配位置不同，偏心方向、大小就有差異。連線發蘭盤的安裝孔要求位置度要精，每一次安裝都必須保證安裝孔位置相對不變，不平衡量才不會變化，否則就會帶來轉子的偏心。

6.花鍵跳動對動平衡的影響

該因素影響不平衡量比重較大，是關鍵因素。所以在動平衡時儘量不採用花鍵與花鍵對接，而是採用弧形結構的工裝將花鍵抱緊後進行動平衡。

7.平衡機的補償模式

為了真實的反映出撓性軸的不平衡量值，消除工裝、夾具帶來的不平衡量，在平衡前需對軸進行120°翻轉補償，根據受力方向，矢量B值不變，為工件的不平衡量。矢量大小不變，角相相差120°的A 和A1，設備可以自動識別為工裝、夾具的不平衡量，並將其補償掉。

撓性轉子平衡的工藝方法

1.撓性轉子與剛性轉子動平衡的區別

通過實踐的反覆的摸索，發現撓性轉子在旋轉時的撓度曲線是一條繞OS 軸隨轉軸旋轉的空間曲線。

由於軸自身存在加工缺陷，為此在平衡過程中需在低轉速下多次運轉，找到撓性軸壁薄的角相，將壁薄處分成若干個校正面進行校正，努力的將軸還原成一個完美、均勻的軸，然後再進行其它轉速的平衡。

2.克服撓性轉子振動的研究

由於工件的規定校正位置可能不在不平衡量產生的平面，校正後就會在非校正轉速下產生振動，尤其在撓性轉子的臨界轉速下動平衡時，振動非常劇烈，以致於平衡機自動保護停車。

為了分析撓性轉子的撓曲特性，可以採用雷射測振儀，實時監控撓性軸的振動特性及振幅的變化，分別安裝在軸中部的水平和垂直兩個方向，該測振儀能精確的測出軸在高速旋轉時的振動幅值。將監測結果在雷達圖中進行實時監控，直至將軸平衡到振幅低於0.5mm 時再進行最高轉速的平衡。

3.撓性轉子不同轉速下偶不平衡的分析

撓性軸在動平衡時，在臨界轉速和工作轉速下的平衡過程中，發現兩次轉速下動平衡所貼的平衡塊成180°角，呈偶不平衡的現象。將180°的平衡塊互相抵消後，又無法保證能兼顧工作和臨介轉速下平衡量均合格。

4.最佳平衡安裝方式的研究

轉子在平衡時，應選擇適當的支撐方式，儘量使其在平衡機上運轉時的支撐條件與現場使用時的支撐條件相似，以使轉子在現場運行時的振型在平衡過程中充分表現出來，因而減少以後現場平衡的必要性。以某撓性軸為例，探討支撐方式對撓性軸動平衡的轉速、振動及平衡效果的影響。撓性軸轉速升到3000r/min左右時，撓性軸在平衡設備上產生強烈的激振和尖銳的噪音。該軸在設備上無法通過共振點，轉速升到3500r/min 時，設備自動保護停車，導致平衡工作無法進行。因該軸組件的支撐基準一端是法蘭連線，另一端是止口與滾輪連線，平衡機的支撐滾輪是鼓形的，且較寬。連線時只能與短軸較小面積的止口配合，形成線接觸，在平衡升速時，短軸產生撓性變形後其止口在滾輪的弧面上產生運動，產生劇烈的振動和噪音。

5.平衡校正面的配置

校正面的選擇及平衡塊的貼上位置是平衡中的一項技術性和經驗性很強的工作。

通過長期的實踐和總結，針對撓性軸我們總結出了一套行之有效的平衡方法，具體如下：首先進行軸的定標工作，然後是進行軸的翻轉補償工作。第一工序：進行軸的靜平衡，在低轉速進行，如超差則軸報廢。第二工序：低轉速下的動平衡，不平衡量為工作轉速下不平衡量的2 倍。第三工序：在臨介轉速前的一個合適的轉速下，進行軸的特殊定標的動平衡。第四工序：臨介轉速下的動平衡。第五工序：工作轉速的動平衡。

撓性轉子平衡的特點

撓性轉子平衡的特點是：

（1）在多轉速（或在整個轉速範圍）下均能消除軸承的動反力。

（2）在工作轉速時（或臨界轉速附近），消除轉子的彎矩（或使轉子動撓度最小）。

（3）高速平衡加重不應破壞已進行了的低階平衡，並且要求全工作轉速工況下達到運行平穩。

所以說撓性轉子的平衡是多轉速下的平衡，或全速工況下的平衡。

總結

實踐證明，撓性轉子在平衡時，如果採用（不計轉子變形影響的）剛性轉子的動平衡理論和方法，對於撓性轉子的平衡則達不到預期的效果。撓性轉子的動平衡技術，是近代高速大型轉子設計、製造及運行的重要技術關鍵問題之一。撓性轉子與剛性轉子振動的不同特點在於撓性轉子在不平衡質量離心力作用下要產生變形，即所謂彈性彎曲（動撓度），同時其變形程度（彈性彎曲線）亦隨轉速而變化（即不同轉速下對應的撓度曲線的形狀不同）。撓性轉子由於其本身的剛度差，在高速旋轉時中，其不平衡離心力產生的轉子動撓度將進一步產生附加離心力，甚至達到相當大以致造成轉子強烈振動。顯然，剛性轉子動平衡方法不能消除撓性轉子的振動，也達不到平衡的目的。