了解转子不稳定性

设备

便携式平衡器和振动分析仪 Balanset-1A

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部件

振动传感器。

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部件

光学传感器（激光转速计）。

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部件

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设备

Dynamic balancer "Balanset-1A" OEM

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定义：什么是转子不稳定性？

转子不稳定性 这是旋转机械中的一种状况， 自激振动 它会无限发展和增长（仅受非线性效应或系统故障的限制）。与振动不同 不平衡 或 错位, 转子不稳定性是指受外力作用而产生的受迫振动，它是一种自持振荡，能量不断地从轴的稳定旋转运动中提取出来，并输入到振动运动中。.

旋翼不稳定是其中最危险的情况之一。 转子动力学 因为它可能突然发生，迅速增长到破坏性程度，而且无法通过以下方式纠正： 平衡 或者进行校准。这需要立即停止运行并纠正根本的不稳定机制。.

根本区别：受迫振动与自激振动

受迫振动（稳定）

最常见的机械振动是受迫振动：

• 外力（不平衡、不对中）驱动振动
• 振动幅度与激励强度成正比
• 频率与激励频率相匹配（1倍频、2倍频等）
• 移除外力即可消除振动。
• 系统稳定——振动不会无限制地增大。

自激振动（不稳定）

转子不稳定会产生自激振动：

• 能量来源于旋转本身，而非外力。
• 一旦超过阈值速度，振幅将呈指数级增长。
• 频率通常在或接近 固有频率 （通常是次同步的）
• 即使消除了不平衡状态，这种现象仍会持续发展。
• 系统不稳定——只有关闭系统或采取纠正措施才能停止运行。

转子不稳定性常见类型

1. 油膜旋转

油膜涡动 这是流体动压轴承系统中最常见的失稳现象：

• 机制： 轴承中的油楔会对轴产生切向力。
• 频率： 通常为运行速度的 0.42-0.48 倍（亚同步）
• 临界点： 当速度超过第一临界速度的大约两倍时，就会发生这种情况。
• 症状： 随速度增加而增大的高振幅次同步振动
• 解决方案 轴承设计变更、预紧力或偏置配置

2. 油膜鞭动（严重不稳定）

油鞭是一种严重的油旋现象：

• 机制： 油旋锁定在自然频率上
• 频率： 无论速度增加如何，锁定在第一固有频率处
• 临界点： 发生在第一临界速度的 2 倍处
• 症状： 振幅非常高，频率恒定，即使速度发生变化也是如此。
• 危险： 几分钟内即可造成轴承和轴的灾难性损坏。

3. 蒸汽旋涡

发生于采用迷宫式密封的蒸汽轮机中：

• 机制： 密封间隙中的空气动力交叉耦合力
• 频率： 次同步，接近固有频率
• 状况： 密封件两侧的高压差
• 解决方案 旋流制动器、防旋流装置、密封设计改进

4. 轴鞭

各种自激不稳定性的总称：

• 可能是由轴材料内部的阻尼引起的。
• 密封件或摩擦产生的干摩擦鞭状物
• 空气动力学或流体动力学交叉耦合力

特征和症状

振动特征

转子不稳定性会产生独特的振动模式：

• 次同步频率： 振动频率小于运行速度的1倍（通常为0.4-0.5倍）
• 速度独立性： 一旦不稳定状态锁定，即使速度发生变化，频率也会保持不变。
• 快速增长： 一旦超过阈值速度，振幅将呈指数级增长。
• 高振幅： 可达到不平衡振动幅度的2-10倍
• 向前进动： 轴的轨道旋转方向与轴的旋转方向相同

发作行为

• 不稳定性通常存在一个阈值速度。
• 低于阈值：系统稳定，仅存在受迫振动。
• 阈值：微小扰动即可触发发作
• 超过阈值：不稳定状态迅速发展。
• 起初可能断断续续，然后变为持续性

诊断识别

关键诊断指标

区分不稳定性与其他振动源：

特征	失衡（强制）	不稳定性（自激）
频率	1倍跑步速度	次同步（通常约为 0.45 倍）
振幅与速度	随速度²平滑增加	突然发作超过阈值
对平衡的回应	振动减少	没有改善
频率与速度	以速度（恒定顺序）跟踪	恒定频率（改变顺序）
关闭行为	速度越快，其强度越低。	速度下降后可能短暂持续存在

确认不稳定

• 履行 阶次分析—不稳定性表现为频率恒定，但顺序发生变化
• 瀑布图 显示频率与速度不符
• 平衡对次同步组件没有影响
• 轨道分析 显示出固有频率的前向进动

预防和缓解

设计考虑

• 足够的阻尼： 设计具有足够承载能力的轴承系统 减震 为了防止不稳定
• 轴承选择： 选择能提供良好阻尼的轴承类型和配置（倾斜瓦轴承、预紧轴承）
• 刚度优化： 合适的轴和轴承刚度比
• 运行速度范围： 设计运行速度低于不稳定阈值速度

轴承设计方案

• 倾斜式轴承： 适用于高速应用的固有稳定型轴承
• 压力坝轴承： 改进几何形状以提高有效阻尼
• 轴承预紧力： 增加刚度和阻尼，提高阈值速度
• 挤压膜阻尼器： 轴承周围的外部阻尼装置

运营解决方案

• 限速： 限制最高速度低于阈值
• 负载增加： 更高的轴承载荷可以提高稳定性裕度。
• 温度控制： 轴承油温度会影响粘度和阻尼。
• 持续监测： 早期发现可使系统在造成损害之前停止运行。

紧急响应

如果在运行过程中检测到转子不稳定：

1. 立即行动： 降低速度或立即关闭
2. 不要尝试平衡： 平衡并不能纠正不稳定性，而且浪费时间。
3. 文件条件： 起始速度、频率、振幅变化
4. 探究根本原因： 确定存在哪种不稳定性机制。
5. 实施纠正措施： 根据需要修改轴承、密封件或运行条件
6. 验证修复： 恢复使用前，请仔细测试并密切监控。

稳定性分析

工程师通过稳定性分析来预测和预防不稳定性：

• 计算转子轴承系统的特征值
• 特征值的实部表示稳定性（负值表示稳定，正值表示不稳定）。
• 确定稳定性发生变化的阈值速度。
• 设计修改以确保足够的稳定性裕度
• 通常需要专门的转子动力学软件

转子不稳定性虽然不如不平衡或不对中常见，但却是旋转机械中最严重的振动问题之一。了解其机理、识别其症状并掌握相应的纠正措施，对于从事高速旋转设备工作的工程师和技术人员来说至关重要。.

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