一种碰摩失稳转子/定子的快速分离方法
【专利摘要】本发明提供了一种碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，在转子/定子碰摩系统进入干摩擦反向失稳后，在转子上施加随机噪声激励作为无接触随机载荷扰动，转子的不平衡响应会迅速地从幅值很大的干摩擦反向失稳跃迁到无碰摩的小幅振荡上；然后撤去随机噪声激励，转子将继续维持在无碰摩的正常运行状态。本发明能够使转子/定子系统在随机噪声诱导下脱离干摩擦反向失稳状态，并返回到小幅响应的状态上来，以避免造成转子和定子的过度损伤。本方法具有分离速度快、便于实现、性能可靠等优点。
【专利说明】
-种碰摩失稳转子/定子的快速分离方法
技术领域
[0001] 本发明属于旋转机械安全保障技术领域，设及一种碰摩失稳转子/定子的快速分 离方法。
【背景技术】
[0002] 转子一轴承系统是透平机械中的关键部件，被广泛应用于电力、化工、机械、航空、 车辆和舰船等重要行业之中。转子系统通常由转子(叶片）、定子(密封件)组成，运种动静件 结构上的设计间隙一方面会带来热损失，另一方面也是碰摩发生的结构根源。由于基础振 动、外力冲击等原因，即使初始处于正常运行的机组可能会偏离运转轨迹，当转子响应幅值 超过设计间隙时，引起转子与定子接触，从而诱发动静件的碰摩。目前大型旋转机械的设计 趋向于高速、重载，而转子与定子间的间隙相对缩小，从而导致碰摩故障的可能性大大增 加。碰摩响应中，接触界面干摩擦效应可能会引起转子的反向满动，进而诱发转子干摩擦自 激反向满动失稳，即使马上开始降速，反向满动响应仍将保持且不能通过简单的减速而使 转子与定子分离。当接触面摩擦系数较大时，即使在亚临界转速区，甚至转速很低的情形下 就可能出现运种自激反向失稳响应。处于运种碰摩状态的转子/定子系统往往会引起数倍 甚至数十倍于间隙尺寸的大幅振荡，导致机组振动、轴的晓曲变形、设备磨损等安全隐患， 严重时会引发灾难性的后果。
[0003] 目前，工程上针对转子系统中干摩擦自激反向失稳的解决方法主要采用被动防护 手段(如辅助轴承或调整转速），运种方法仅能临时性减轻碰摩故障带来的危害，而不是长 期的解决方案。主动控制的方法虽在一定程度上能够使系统稳定在理想的运动状态，但是 转子一旦受到扰动进入干摩擦自激反向失稳，运种方法很难使其脱离运种大幅震荡状态， 容易导致控制失效，并且其控制器结构复杂，制造和维护成本较高。从全局响应结构上来 看，运些方法均不能从机理上使动静件分离，抑制干摩擦自激反向失稳产生的危害。而根本 上解决运类问题的关键应从系统全局响应行为入手，结合非线性系统分岔理论，进而改变 系统响应的全局结构。
【发明内容】
[0004] 为了解决旋转机械中由于碰摩引起的干摩擦自激反向失稳，减小碰摩带来的冲击 力，降低转子振动，本发明提供一种碰摩失稳转子/定子的快速分离方法。
[0005] 本发明是通过W下技术方案来实现：
[0006] -种碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，包括W下操作：
[0007] 在转子/定子碰摩系统进入干摩擦反向失稳后，在转子上施加随机噪声激励作为 无接触随机载荷扰动，转子的不平衡响应会迅速地从幅值很大的干摩擦反向失稳跃迁到无 碰摩的小幅振荡上;然后撤去随机噪声激励，转子将继续维持在无碰摩的正常运行状态。 [000引所述的随机噪声的输入功率与转子不平衡响应的功率在同一数量级，为干摩擦反 向失稳时响应功率的千分之几。
[0009] 所施加的随机噪声的控制为：
[0010] 在噪声影响下转子/定子碰摩系统的动力学模型表示为
[0011]
(1)
[0012]式中Wi为施加在转子上的噪声激励，El和。分别表示沿水平和垂直方向的噪声强 度，ks为转轴刚度，C为转子阻尼系数，e为偏屯、距，m为转子的不平衡质量，CO为转子的旋转 速度，t为时间；
[0013] 在直角坐标系下，转子振i
I示，ro为转子/定子碰摩间隙；0为 Heaviside函数表示碰摩的判断准则，当^ro时0 =0,即没有发生碰摩行为，而当r^ro时0 =1，此时发生碰摩运动；
[0014] f__ f__击柱革於TS並麻+t.
[0015； (2)
[0016] 具甲Vrei巧不巧于与疋于仕巧舰巧W相对速度；符号函数S i gn反映了接触点摩擦 力的方向，y为摩擦系数；为转轴的进动频率;kb为定子刚度;rdisk为转盘半径。
[0017] 当Ei =。= 0时，在碰摩响应的初期，碰摩系统的全局响应中包含无碰摩的响应W 及大幅值的干摩擦方向满动;此时对转子施加合适强度的噪声扰动，其中0.1 <e 1<0.2，0.1 < ￡2<0.2，则系统的响应将迅速减小，并很快脱离大幅振荡响应。
[0018] 所述的随机噪声的施加为:通过非接触的电磁类发生器将随机噪声载荷施加在转 子上。
[0019] 所述采用非接触式的传感和作动一体化的电磁类作动器对转子/定子碰摩系统监 控，在检测确定发生转子与定子的碰摩后迅速对转子施加随机噪声载荷，使转子与定子由 具有破坏性的干摩擦自激反向失稳的碰摩状态快速脱离开来。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有W下有益的技术效果：
[0021] 本发明提供的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，从全局响应方面影响转子大 幅振荡处的稳定性，从随机动力学的角度入手，结合噪声诱导下非线性系统分岔理论，通过 无接触随机载荷扰动下使转子与定子由具有破坏性的干摩擦自激反向失稳的碰摩状态快 速脱离开来，达到使系统达到快速脱离干摩擦自激反向失稳的目的，可大大减小了因转子 与定子长期碰摩接触而造成的转子和定子的过度损伤。
[0022] 本发明提供的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，该方法的原理是通过随机噪 声载荷改变转子大幅振荡响应的稳定性，同时增大正常运行的稳定区域，使转子/定子系统 在随机噪声诱导下脱离干摩擦反向失稳状态，并返回到小幅响应的状态上来，W避免造成 转子和定子的过度损伤。本方法具有分离速度快、便于实现、性能可靠等优点。
[0023] 本发明提供的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，通过转子动力学的数值仿真， 对该方法在分离转子/定子反向碰摩响应的作用效果进行了验证。研究表明：在碰摩初期系 统进入干摩擦反向失稳后，在转子上施加适当的随机噪声激励，转子的响应会迅速地从幅 值很大的干摩擦反向失稳跃迁到无碰摩的小幅振荡上，此时可撤去随机噪声激励，转子系 统将继续维持在无碰摩的正常运行状态，响应幅值约缩小为干摩擦反向失稳状态的五分之 一。在分析中，随机噪声的输入功率与转子不平衡响应的功率在同一数量级，仅约为干摩擦 反向失稳时响应功率的千分之一，因此小的随机噪声功率即可达到使碰摩转子与定子分离 目的，便于在实际工程中实现。
【附图说明】
[0024] 图1为噪声诱导下处于干摩擦自激反向失稳的转子响应幅值变化情况。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0026] 本发明提供的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，包括W下操作：
[0027] 在转子/定子碰摩系统进入干摩擦反向失稳后，在转子上施加随机噪声激励作为 无接触随机载荷扰动，转子的不平衡响应会迅速地从幅值很大的干摩擦反向失稳跃迁到无 碰摩的小幅振荡上;然后撤去随机噪声激励，转子将继续维持在无碰摩的正常运行状态。
[0028] 本方法从随机动力学的角度入手，结合噪声诱导下非线性系统分岔理论，提出一 种基于无接触随机载荷扰动下使转子与定子由具有破坏性的干摩擦自激反向失稳的碰摩 状态快速脱离开来的解决方案。分析中考虑实际问题中的干摩擦效应和碰摩刚度，在噪声 影响下转子/定子碰摩系统的动力学模型可表示为
[0029]
(1)
[0030] 式中Wi为施加在转子上的噪声激励，Ei表示噪声强度，ks为转轴刚度，C为转子阻尼 系数，e为偏屯、距，m为圆盘的不平衡质量，CO为转子的旋转速度，t为时间。在直角坐标系下， 转子振幅通过
示，r〇为转子/定子碰摩间隙。0为化aviside函数表示碰摩的 判断准则，当^ro时0 = 0，即没有发生碰摩行为，而当r>r〇时0 = 1，此时发生碰摩运动； fx、fy为转子的碰摩力：
[00 川
（2)
[0032]显然，运是一个分段光滑的非线性随机系统，其中Vrel表示转子与定子在接触点的 相对速度;符号函数Sign反映了接触点摩擦力的方向，y为摩擦系数；COw为转轴的进动频 率;虹为定子刚度;rdisk为转盘半径。
[003引当e I = e2 = O时，对确定性系统的分析可知:在碰摩响应的初期，系统的全局响应中 包含无碰摩的响应W及大幅值的干摩擦方向满动。此时，若系统初始位置不当或运行中受 到外界冲击将很容易直接诱发干摩擦方向满动响应，进而引起失稳。此时若对上述系统中 施加合适强度的噪声扰动（其中0.1化<0.2,0.1<。<0.2，）则系统的响应将迅速减小，并很 快脱离大幅振荡响应。
[0034] 具体的，可通过采用非接触的电磁类发生器来实现将随机噪声载荷施加在转子 上。
[0035] 进一步还可W考虑采用非接触式的传感和作动一体化的电磁类作动器，在检测确 定发生转子与定子的碰摩后迅速对转子施加特定的随机噪声载荷。
[0036] 参见图1，图中显示了噪声强度Ei = ^ = O. 12时，初始处于干摩擦自激反向失稳的 转子系统，在噪声诱导下其响应幅值迅速减小，当进入小幅振荡时撤去随机噪声激励，转子 将继续维持在无碰摩的正常运行状态。
[0037] W上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域 的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本 发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，其特征在于，包括W下操作： 在转子/定子碰摩系统进入干摩擦反向失稳后，在转子上施加随机噪声激励作为无接 触随机载荷扰动，转子的不平衡响应会迅速地从幅值很大的干摩擦反向失稳跃迁到无碰摩 的小幅振荡上;然后撤去随机噪声激励，转子将继续维持在无碰摩的正常运行状态。2. 如权利要求1所述的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，其特征在于，所述的随机 噪声的输入功率与转子不平衡响应的功率在同一数量级，为干摩擦反向失稳时响应功率的 千分之几。3. 如权利要求1所述的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，其特征在于，所施加的随 机噪声的控制为：；j^P^ -i-, ^ 的 式中Wi为施加在转子上的噪声激励，El和E2分别表示沿水平和垂直方向的噪声强度，ks 为转轴刚度，C为转子阻尼系数，e为偏屯、距，m为转子的不平衡质量，CO为转子的旋转速度，t 为时间； 在直角坐标系下，转子振巾I衰示，ro为转子/定子碰摩间隙；0为化aviside 函数表示碰摩的判断准则，当^ro时0 =0，即没有发生碰摩行为，而当r>r〇时0 = 1，此时 发生碰摩运动；掛 其中Vrel表示转子与定子在接触点的相对速度;符号函数Sign反映了接触点摩擦力的 方向，y为摩擦系数；WW为转轴的进动频率;kb为定子刚度;rdisk为转盘半径。 当￡1 = ￡2 = 0时，在碰摩响应的初期，碰摩系统的全局响应中包含无碰摩的响应W及大 幅值的干摩擦方向满动;此时对转子施加合适强度的噪声扰动，其中0 . KeKO. 2，0.1<。< 0.2，则系统的响应将迅速减小，并很快脱离大幅振荡响应。4. 如权利要求1所述的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，其特征在于，所述的随机 噪声的施加为:通过非接触的电磁类发生器将随机噪声载荷施加在转子上。5. 如权利要求1所述的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，其特征在于，采用非接触 式的传感和作动一体化的电磁类作动器对转子/定子碰摩系统监控，在检测确定发生转子 与定子的碰摩后迅速对转子施加随机噪声载荷，使转子与定子由具有破坏性的干摩擦自激 反向失稳的碰摩状态快速脱离开来。
【文档编号】F01D21/00GK105909323SQ201610250229
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】李自刚, 单锦州, 江俊, 王顺增
【申请人】西安交通大学, 陕西利华软件科技有限责任公司