| 本文由声振论坛根据fengchunlijdb提供的文章《振动故障诊断要点汇总》并结合网络上的相关文章和资料整理而成。 密封和间隙动力失稳（密封间隙流体激振）是燃气轮机、汽轮机、离心压缩机等叶轮机械普遍存在而不易解决的问题。随着叶轮机械向着高效、稳定、大功率方向的发展，密封和间隙动力失稳的危害日益突出。降低密封间隙的泄漏量，抑制密封和间隙动力失稳，确保机组运行的稳定性，已成为现代叶轮机械发展的关键技术之一。 一、密封和间隙动力失稳机理 大型叶轮机械的轴端密封和级间密封常用迷宫式密封（又称梳齿密封）。气体在迷宫密封中的流动是一种复杂的三维流动。当转子因挠曲、偏磨、不同心或旋转产生涡动运动时，密封腔内的周向间隙将会不均匀，即使密封腔内人口处的压力周向分布是均匀的，在密封腔的出口处也会形成不均匀的周向压力分布，从而产生一个作用于转子上的合力，此激振力会导致转子运动失稳，发生异常振动。 目前关于密封和间隙动力失稳的产生机理有两种观点： 第一种观点：一般认为，由于Lomakin效应、Alford效应、螺旋形流动效应、三维流动效应、二次流效应等造成迷宫密封腔压力沿周向分布不均匀。当气流进入密封体时，不仅以很大的轴向速度通过各腔，而且在轴的带动下具有很大的周向速度，所以气流在密封体内是以螺旋的形式向外流动的。另外，由于轴系因制造等因素导致与密封齿在圆周上间隙的不一致，密封腔中的螺旋形流动使周向压力分布的变化与转子和密封腔之间的间隙变化不完全对应，最高压力点滞后密封腔最小间隙一定角度，这样，流体作用在转子上的力可分解成一个与偏置方向相垂直的切向力，该切向力将激励转子产生涡动，当激振力超过一定值时，就会使转子产生强烈的振动。 第二种观点：研究人员从流体弹性耦合的角度认为，密封腔中的流体在转子的干扰下，形成脉动的流场，该流场又激励转子振动。在一定条件下，当流场脉动频率与转子的某阶固有频率相耦合时，将会产生强烈的自激振动。试验表明，梳齿迷宫密封气流激振力的特点是： a. 密封腔中气流周向速度分量是产生气流激振力的主要原因，密封腔中气流周向速度分量是由进汽预旋和转子旋转所产生的，周向速度增加，直接导致密封的交叉刚度系数迅速增大，从而使气流激振力增大。 b. 气流激振力与密封间隙呈反比例关系。密封间隙的减小，将直接导致密封交叉刚度系数增大，不利于转子的稳定运动。 c. 气流激振的频率一般不高于转速频率，接近一阶频率。 d. 气流激振力与转子偏心量是线性关系，正是由于偏心问题存在而导致气流激振的产生，当偏心越大时，所产生激振力越大，轴的振动亦越大。 e. 气流激振力随介质的增大而近似呈线性关系。 如图1所示，在迷宫密封中，密封装置前后压力分别为p1及p3，密封腔内的压力p2取决于p1, p3及密封齿隙δ1、δ2。假设由于制造及安装误差，转子在密封腔中倾斜时（δ1＞δ2），若转子因受初始扰动而处于涡动状态，转子与定子之间的密封间隙会发生周期性变化。当转子向着定子作径向运动时，密封腔的排出端和入口端间隙均缩小，但是排出端原来的间隙较小，因此相对间隙缩小率比入口端更大一些，这样密封腔中流人的气量大于流出的气量，由于气体的积聚而使腔中压力p2 升高，形成一个在图中向下作用于转子的力。当转子离开定子作径向运动时，密封腔排出端相对间隙比入口端扩大得更快，腔中流出气量大于流入气量，压力下降，形成一向上的作用力。因此作用在转子上的力是两者的叠加。 图1 迷宫密封腔中气流压力变化 但是密封腔中的压力变化并不与转子位移同相位，而是滞后于转子位移一个ө角（如图2所示）。如果转子自身旋转速度为ω，涡动角速度为Ω，当转子从底部向左方向涡动一个θ角时，由于压力变化滞后于转子位移，则气流压力在转子周向上的分布是底部最大，顶部最小，其合力为F，则其分为Ft始终作用在转子的涡动方向上，此切向力即是加剧涡动的激振力。 图2 密封装置中的气体动力效应 在上述过程中，转子振动的位移y与密封腔中压力p1的变化曲线在的半周t=(1/4~3/4)T的半周内，密封腔内力p1始终低于其平均值；反之，在另一半周内则始终高于其平均值。因此，在这一振动过程中，气流对密封装置是输入功的，密封装置的气体动力激振力为自激因素。 另外，气流流动时的惯性力远远超过摩擦力，由于气流进入密封腔后动能不能完全损失掉，还有一定的余速，这部分速度不仅使气流沿轴向流动，而且还以很大的圆周速度分量围绕转子转动，即形成“螺旋形”流动［图3(a)］。如果密封腔内径向间隙不均匀，则气流在腔中从进口流向出口时随着截面间隙的不断变化，气流沿其流动方向上的压力也不断发生变化，因而在转子周围形成不均匀的压力分布，其合力F的方向垂直于转子的位移方向，与转子的旋转方向相同，此力激励转子作向前的正进动运动。 图3 气体在密封腔内的旋转效应 与此类似，常见的高速、高压旋转机械中，蒸汽透平是靠气流推动叶片转动的，离心式压缩机是由叶片推动气流旋转的，但二者有一点是相同的，即当转子发生弯曲时，叶轮会偏向内腔一侧，叶轮在内腔的间隙一边大，一边小，在这种情况下，气流加于叶片的圆周力在间隙大的一侧大于间隙小的一侧［图3 (b)］，各叶片所受周向力的总和除力偶外，还有垂直于轴O′的位移OO′的力Ft，这个力使转子失稳而产生涡动。 由于Mt随介质压力及负荷的增加而增大，所以当介质压力及负荷增加而使Ft，达到一阈值时，就可能产生自激振动。 |
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