转子动力学基本理论ppt课件

2 n
tan()12（nn）2 ;
z Aei(t－)，z为轴心位置; 10
11
12
结论1
❖ 由圆盘质量偏心的不平衡响应产生两种
运动，一是圆盘以角速度 绕自己轴心
的自转，一是轴心以角速度 绕圆盘的 静挠曲线的涡动。 ❖若无阻尼（ ＝0），当 n时，振幅趋 于无限大。由于实际中存在阻尼，此时 振幅会达到一个有限的峰值。
a) b)
c)
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❖ 等直径均布质量的转子，在二端刚性支承、无阻 尼的条件下，转子的自振频率 ncn 为
ncn
n2
2l 2
EI / F S 1
n 1, 2,3L L
即一个均布质量的转轴具有无穷多个自振频率，
它在数值上和转子作横向振动的自振频率一样。按 照频率数值的大小排列，称为转子的各阶自振频率 。
速度 自转，转
轴中心位置为（x， y）。原平衡位置为 原点。
..
.
m x c x kx m 2 cos(t)
..
.
m y c y ky m 2 sin(t)
7
令z x iy
..
z
2
n
.
z
2 n
z
2
eit
其中
2 n
k
m;
c 2mn ,
称为阻尼比;
方程的解为：
z
A et
B
et
2 n2＋2i n
..
.
y a y b p(t)
..
.
y a y b q(t)
若u(t)、v(t)为上述二方程的特解
则特解为y u(t) iv(t)
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有阻尼带质量偏心单圆盘转子振动特性
❖ 单圆盘转子模型
最简单的转子模型是单圆盘转子。轴两端为简支，一 个圆盘固定在轴的中部(图1),A1CA2为静挠度曲线。
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假设转轴以角
转子动力学基本理论
1
基础数学知识
..
.
y a y by f (t)
f (t) (t) et
f (t) (t) et sin(t)
f (t) (t) et cos(t)
(t )为m次多项式
2
统一为：
f (t) (t) et
其中＝＋i
齐次方程解： y k1et k 2 et 、为方程x2 ax b 0的解。
eit
2
、＝－ n 2 1 n
一般0 1；
8
z K e nt sin( 1 2 n t )
2 n
＋2i
2 n
2 eit ;
第一项很快衰减为0；
第二项为：
（（）） 1
Hale Waihona Puke n2n2 ＋i2
n
eit ;
9
其幅值及角度为：
A
（n）2
；
1（
n）22＋4
2
❖ 影响临界转速的因素 ❖ （一）转子温度沿轴向变化对临界转速的影响 ❖ （二）转子结构型式对临界转速的影响 ❖ （三）叶轮回转力矩对临界转速的影响 ❖ （四）轴系的临界转速和联轴器对临界转速的影响
❖
❖
23
❖
❖ （五）支承弹性对临界转速的影响 ❖ 实际上轴承座、轴瓦中起支承和润滑作用的油膜都
不是绝对刚性的。以国产30万千瓦汽轮机的计算为例， 对于单个转子，考虑支承弹性后，高压、中压、低压透 平转子的临界转速分别下降 了18%、16.3%和40%。
由于临界转速现象是激振力频率和转子自振频率相
同时产生的共振现象。因此，转子的各阶自阶振频 率就是转子的各阶临界转速，记作 nc1, nc2 , nc3 L L。
转子具有无穷多阶临界转速。转子临界转速的大小， 取决于转子的材料、几何形状和结构型式。因此，
对一个具体的转子来说，临界转速的大小是一定
的。转子系统的刚性愈大，转子的临界转速愈大。 20
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结论2
< n = n
> n
》n
14
结论2
❖ 转轴的涡动频率与质量偏心引起的激振力频 率相同，即和转动频率相同；
❖ 涡动振幅的相位和激振力的相位差在 ＜ 时，涡动向量滞后激振力向量0~90，当 >
n
❖n
时，为90~180。
》n ，相位差为180，即质心位与原点
与轴心之间。
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❖ 与没有阻尼的相比，有阻尼的情况下，临界 转速下转子的振幅将随阻尼增加而减少。同 时，随阻尼的增大，临界转速的数字将有所 增加，但增加量很小。
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结论4
❖ 在一定的转速下，振幅与激振力的幅值成正 比，振幅向量滞后与激振力的相位角不变。 这就是刚性转子加平衡的理论依据。
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等直径、均布质量转轴的临界转速
由于透平转子相当长，直径又相当大。因此，用一个集 中质量来代替转子的质量并不能反映分布质量对临界转速的 影响。为此，我们需要研究等直径转子的临界转速问题。
转子在各阶自振频率下振动时的振型（弹性曲线）
S1(x), S2(x), S3(x)……称为转子的各阶主振型。
Sn x
An
sinKn x
An
sin n
l
x
n 1,2,3
它的一、二、三阶的主振型和主振型函数如下图所
示。从图中可以看到：第n阶主振型具有n-1个节点。在
节点二侧的质点，在振动时彼此相位相反
❖ 虽然转子质心沿转轴的空间分布是未知的，但理论上可将任 意的转子质心空间分布分解为：
e B S (x) ia(x)
(x)
nn
n1
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❖ 对于n阶质心分布BnSn(x) ，将只能激发同阶的振形， 而且主要在同阶临界转速区域激发。
❖ 任意一定转速下的转子振形为所有阶质心分布各自 激发的不同阶的振形在空间的合成。
❖ 临界转速时，振幅滞后于激振力90。 ❖ 临界转速就是转子系统的偏心质量在转动过
程中形成的激振力与转子系统发生共振时的 转速。
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结论3
❖ 在一定转速下，由于原点、轴心、质量偏心 的相对位置保持不变，使得转子上朝外的点 在转动一周中始终朝外，形成所谓的“弓形 回转”。这时转子的变形形状在转动过程中 保持不变，转子不承受交变 应力。（忽略静挠度）
3
或y (k1 k 2 t) et 方程特解：
（1）不是方程的解，令y(t) Q(t) et （2）是方程的解，令y(t) tQ(t) et （3）是方程的重解，令y(t) t2 Q(t) et
Q(t )与 (t )同为m次多项式
4
对于
..
.
y a y b p(t) iq(t)
可分别求
1c 2
EI
FL4
2c (2 ) 2
EI
FL4
3c (3 ) 2
EI
FL4
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❖ 转子的振形为：
A S S(x)
n1
2
2
n
2
n
(x)
n
❖ 当转子按某一阶自振频率振动时，转子轴线上各点将在同一 个通过二端轴承中心联线的轴向平面（称为子午面）上，即 任一阶的主振型Sn(x)都是一根平面曲线。