临界转速理论基础

临界转速理论基础

一、临界转速定义

临界转速就是透平机组转速与透平机转子自振频率相重合时的转速，此时便会引起共振，结果导致机组轴系振动幅度加大，机组振动加剧，长时间在这种临界转速下运转，就会造成破坏事故的发生。

由于转子因材料、制造工艺的误差、受热弯曲等多种因素，转子各微段的质心一般对回转轴线有微小偏离。转子旋转时，由上述偏离造成的离心力会使转子产生横向振动，在工作过程中不可避免的产生振动现象。这种振动在某些转速上显得异常强烈，这些转速称为临界转速。转子的振动幅值（扰度、离心力）将随着转速的升高而增大，当转速继续升高而振动幅值出现下降且稳定在某一振动幅值范围之内，我们称转子系统此时发生了共振现象（批注：转子的振动幅值（扰度、离心力）将随着转速的升高而增大，当转速继续升高而振动幅值出现下降，继续升高下降）。我们把振动幅值出现极大值时对应的转速称为转子系统的临界转速，这个转速等于转子的固有频率。当转子速度继续升高，振动幅值再次出现极大值时，该振动幅值对应的转速称为二阶临界转速，以此类推我们可以定义转子的三阶临界转速,四阶临界转速。但是实际中由于支承刚度、轴系受力等情况，转子临界转速会与定义值有一定的偏差，比如转轴受到拉力时，临界转速会提高；转轴受到压力时，临界转速会下降。

转子的临界转速一般通过求解其振动频率来得到。转子的固有频率除了与转子结构（和支承结构）参数有关外，它还随转子涡动转速和转子自转转速的变化而变化。在不平衡力驱动下，转子一般作正向同步涡动，当转子涡动频率等于转子振动频率时，转子出现共振，相应振动频率下的转速就称为该转子的临界转速。转子的固有频率除了与转子结构（和支承结构）参数有关外，它还随转子涡动转速和转子自转转速的变化而变化。为确保机器在工作转速范围内不致发生共振，临界转速应适当偏离工作转速10%以上。

临界转速的研究对于旋转机械很重要。在旋转机械中，由于振动而引起很多故障甚至事故，造成了财力物力的损失。有效预防、及时发现、有效解决振动原因能够显著提高设备的运行安全性、可靠性并减少维修费用，带来巨大的经济和社会效益。引起旋转机械振动的原因很多，但是运行在临界转速下的转轴产生的振动破坏性最大。在运行中，要尽快通过临界转速，动力学特性研究指出，转子在越过临界转速后会自动定心，因而可以稳定运转。二、临界转速的分析

根据临界转速的定义可以看出，质心的偏移是临界转速产生的原因。当回转体在临界转速或其附近运行时，本身将出现很大变形并作弓状回旋，引起支承及整个机械的剧烈振动，甚至造成轴承和回转体的破坏，而当转速在这些特定转速的一定范围之外时，运转即趋于平稳。

以图2-1所示竖立单圆盘转轴为例分析临界转速。轴的重量忽略不计，只考虑圆盘的质量m，轴系的刚度为k，而阻尼可忽略，圆盘的几何中心为O，重心为G，偏心距e = O’G。当轴静止时，其轴心线与铅垂线AB 重合；当轴以角速度ω 旋转时，偏心质量将产生离心惯性力2meω，使轴弯曲而到达AO’B的位置，其振幅为OO’。

由图2-1可见，在临界转速下运动时，轴系作两种运动：一种是圆盘绕几何中心的转动；一种是弯曲了的轴AO’B 绕铅锤线AOB的转动，轴的变形呈弓状，因而称为弓状回旋。弓状回旋与轴系的横向振动不同。横向振动时，轴因反复弯曲而产生交变拉压应力；弓状回旋时，轴内不产生或仅产生频率远低于轴转频率的交变拉压应力，但离心惯性力对轴系施加频率等于轴自转频率的交变作用力而使系统发生振动。当不考虑回转效应和工作环境等因素时，回转体的临界转速在数值上与其横向振动的固有频率相同。设某回转体的临界转速为

n c（r/min），其横向振动的固有频率为ωn（rad/s），则有：

n c =（30/π）×ωn

公式表明，凡是能够求出回转体横向振动固有频率的方法，都能用于求解回转体的临界转速。

结论：

第一，回转体在临界转速附近运转时出现的剧烈振动，是一种由不平衡离心惯性力引起的共振现象；

第二，临界转速的大小与轴系偏心量e无关，当不考虑回转效应和工作环境等因素时，回转体的临界转速在数值上与其横向自由振动的固有频率相同。这两点结论虽然是从简单回转体导出的，但也适用于复杂回转体和复杂轴系。

三、参考文献

[1] 徐俊．临界转速计算及其在电动机转子设计中的应用[D]．上海：上海交通大学，2010.