新型密封偏心自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法與減振實(shí)驗(yàn)研究

李 寬，何立東，涂 霆

(北京化工大學(xué) 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029)

新型密封偏心自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法與減振實(shí)驗(yàn)研究

李 寬，何立東，涂 霆

(北京化工大學(xué) 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029)

針對(duì)轉(zhuǎn)子偏心引起的密封流體激振問題，設(shè)計(jì)了一種新型偏心自適應(yīng)調(diào)節(jié)密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可自適應(yīng)地減小轉(zhuǎn)子偏心量，抑制密封流體激振。對(duì)其抑振機(jī)理進(jìn)行探究，得出當(dāng)偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率和轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的激勵(lì)頻率一致時(shí)，其抑振效果最好；隨著兩者差值增大，其抑振效果變?nèi)?。以水作為密封介質(zhì)，測(cè)量了不同彈簧剛度下偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率，并改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，對(duì)其抑振規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)固有頻率隨彈簧剛度增大而增大，但與激勵(lì)頻率差別較大，振動(dòng)降幅只在10%～20%。將偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸于水，測(cè)量其固有頻率，對(duì)其抑振規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明浸在水中時(shí)該結(jié)構(gòu)固有頻率值依然隨彈簧剛度增大而增大，但比在空氣中時(shí)減小了約40%，更加接近激勵(lì)頻率，抑制效果顯著，振動(dòng)降幅最大可達(dá)41.27%。

非接觸密封；密封流體激振；偏心自適應(yīng)調(diào)節(jié)；固有頻率

密封流體激振[1]是導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子劇烈振動(dòng)的重要原因之一，目前針對(duì)密封激振的控制方法研究，有被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩大類。被動(dòng)控制采用不同形式的阻尼密封、阻旋柵(Swirl Brakes)等結(jié)構(gòu)來抑制激振。主動(dòng)控制則運(yùn)用反旋流技術(shù)、可控吸氣技術(shù)和合成射流等技術(shù)控制激振。

阻尼密封是用粗糙靜子面來消耗流體周向流動(dòng)速度，包括蜂窩密封、孔型密封、袋型密封、鋸齒密封、三角形密封、菱窩密封和刷式密封等。其中蜂窩密封和孔型密封的理論相對(duì)成熟，在實(shí)際中都有很大的運(yùn)用與發(fā)展，其余幾種阻尼密封在制造方面和使用性能等方面都存在一些不成熟的地方。1985年，美國(guó)航天飛機(jī)主引擎的高壓液氧渦輪泵中，通過把階梯狀迷宮密封(齒在轉(zhuǎn)子上)更換成為恒定間隙的光滑轉(zhuǎn)子面蜂窩密封后消除了轉(zhuǎn)子的同步振動(dòng)和亞同步振動(dòng)問題[2]?？仔兔芊獾男孤┝吭籆hilds等[3]證明是光滑密封的1/3，且交叉剛度系數(shù)減小了20%。國(guó)內(nèi)外對(duì)孔型密動(dòng)力特性系數(shù)及密封性能有較多理論和實(shí)驗(yàn)研究。Childs等設(shè)計(jì)了一種孔深沿軸向變化的孔型密封，確定了最佳的孔深變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)這種孔深變化的孔型密封有效阻尼系數(shù)比傳統(tǒng)孔型密封大1.6倍以上，且泄漏量小于傳統(tǒng)孔型密封。Nielsen等[4]采用基于CFD(Computational Fluid Dynamics)的非定常擾動(dòng)模型分析和計(jì)算了蜂窩密封和孔型密封在轉(zhuǎn)子軸心隨時(shí)間擾動(dòng)情況下的激振力，并得到了不同激勵(lì)頻率下兩種密封的動(dòng)力特性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)偏心率達(dá)到0.9時(shí)，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性大幅下降，實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果吻合較好，證明了該模型預(yù)測(cè)孔型密封動(dòng)力特性系數(shù)的準(zhǔn)確性。 阻旋柵是一種在密封入口沿周向布置的柵板，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以改變密封入口流體方向，有效降低入口預(yù)旋，減小密封流體激振力。阻旋柵多用于高壓離心壓縮機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)間密封和口環(huán)密封。Da Soghe等[5]應(yīng)用CFD方法建立阻旋柵密封靜力特性求解模型，研究了單一形式阻旋柵對(duì)迷宮密封泄漏量與流場(chǎng)特性的影響。Childs等[6]研究了反向阻旋柵(Negative-Swirl Brake)的有效阻尼系數(shù)和交叉剛度系數(shù)，發(fā)現(xiàn)反向阻旋柵與普通阻旋柵相比有更高的有效阻尼系數(shù)，并且交叉剛度系數(shù)變?yōu)樨?fù)數(shù)，能大大提升轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，且可以應(yīng)用于多種密封場(chǎng)合。

反旋流技術(shù)是在迷宮密封腔內(nèi)導(dǎo)入一股與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的汽流，抵消密封腔氣流的周向運(yùn)動(dòng)，破壞激振漩渦，達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。反旋流技術(shù)在上世紀(jì)90年代初已有應(yīng)用，呂成龍等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)合適的噴射流量和噴射位置才能對(duì)密封流體激振起到抑制作用，從而降低轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)；且噴射流量與轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的大小有著密切關(guān)系，一般情況下，不平衡質(zhì)量越大，噴射流量需越大；由于單噴嘴的噴射流量限制，雙噴嘴減振效果要優(yōu)于單噴嘴。尹德志[8]研究的一種吸氣減振技術(shù)，與反旋流的噴入辦法相反，通過在密封間隙周向高壓的位置吸出流體，以減小壓力不平衡問題。合成射流技術(shù)機(jī)理是利用振動(dòng)膜的振動(dòng)改變腔體壓強(qiáng)，帶動(dòng)主流場(chǎng)流體進(jìn)出孔或狹縫，產(chǎn)生進(jìn)入流場(chǎng)的渦對(duì)或渦環(huán)，起到流動(dòng)控制作用[9]，但它設(shè)計(jì)復(fù)雜，在密封流體激振控制方面的應(yīng)用研究較少。

綜上所述，現(xiàn)如今主要是通過增加靜子面的粗糙度、噴射相反方向的流體等減小流體周向速度的方法來抑制密封流體激振，對(duì)導(dǎo)致激振的另一原因——轉(zhuǎn)子偏心并未改善，密封中的轉(zhuǎn)子依然處于偏心狀態(tài)，仍然會(huì)產(chǎn)生流體激振力。另外，現(xiàn)今密封減振領(lǐng)域?qū)τ谡{(diào)節(jié)和控制密封腔內(nèi)轉(zhuǎn)子偏心的技術(shù)研究也較少，基于此背景，本論文設(shè)計(jì)了一種新型偏心自適應(yīng)調(diào)節(jié)密封結(jié)構(gòu)，以下簡(jiǎn)稱偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)。通過實(shí)驗(yàn)的方法，研究了未安裝與安裝偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)時(shí)轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)情況，分析了本結(jié)構(gòu)對(duì)密封流體激振的抑制機(jī)理。

1 新型偏心自適應(yīng)調(diào)節(jié)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)主要由密封內(nèi)環(huán)、彈簧和密封外環(huán)組成。密封內(nèi)環(huán)是一個(gè)不銹鋼薄壁圓筒，其內(nèi)側(cè)與轉(zhuǎn)子形成密封間隙，外側(cè)套有一個(gè)周向帶孔圓環(huán)，用于連接彈簧一端；彈簧周向均布四個(gè)，其另一端與密封外環(huán)相連；密封外環(huán)為靜子，其周向也打有孔，每隔90°孔內(nèi)旋有一個(gè)尾部帶孔的螺栓，用于連接彈簧的另一端?？赏ㄟ^旋出螺栓來拉緊彈簧，使得傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的密封外環(huán)靜子中增加了一個(gè)可動(dòng)的密封內(nèi)環(huán)，構(gòu)成了偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 偏心自調(diào)密封結(jié)構(gòu)Fig.1 The eccentricity self-adjusting seal structure

偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)旨在解決工業(yè)非接觸密封中由轉(zhuǎn)子偏心引起的強(qiáng)烈流體激振問題，主要特點(diǎn)是在原密封靜子內(nèi)增加一個(gè)可動(dòng)的密封內(nèi)環(huán)(不改變?cè)忻芊忾g隙)，通過周向偶數(shù)個(gè)彈簧連接在密封外環(huán)靜子上，使其能根據(jù)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整密封內(nèi)環(huán)的徑向位置，一方面減小轉(zhuǎn)子偏心量，改善密封間隙周向壓力的不均勻分布情況，減小激振力；另一方面，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)可通過流體傳遞，變?yōu)槊芊鈨?nèi)環(huán)的振動(dòng)，把轉(zhuǎn)子的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)移給密封內(nèi)環(huán)，提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。

2 偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)減振機(jī)理探究

2.1偏心自適應(yīng)調(diào)節(jié)

一般認(rèn)為，傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)生密封流體激振的因素主要有兩方面，即轉(zhuǎn)子的偏心和密封腔流體的周向流動(dòng)。由于軸系因制造、安裝、偏磨或旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)等因素而偏心，導(dǎo)致密封間隙周向不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致周向壓力分布不均，形成高壓區(qū)和低壓區(qū)，如圖2(a)所示，圖中ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻。流體在密封腔中的螺旋形流動(dòng)又使周向壓力分布的變化與密封間隙變化不完全對(duì)應(yīng)，最高壓力區(qū)滯后密封腔最小間隙一定角度，形成激振力。當(dāng)激振力超過一定值時(shí)，就會(huì)使轉(zhuǎn)子強(qiáng)烈振動(dòng)。

基于以上的密封流體激振機(jī)理，本文在傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)的密封靜子中增加一個(gè)密封內(nèi)環(huán)，用周向四個(gè)彈簧將密封內(nèi)環(huán)連接到密封外環(huán)靜子上，如圖2(b)所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心時(shí)，密封腔內(nèi)的不均勻壓力迫使密封內(nèi)環(huán)向轉(zhuǎn)子偏心方向移動(dòng)，使臨近高壓區(qū)的小間隙增大，臨近低壓區(qū)的大間隙減小，周向間隙和周向壓力分布趨于均勻，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子偏心量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，抑制密封流體激振，提高轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般情況下，減小偏心量則可以相應(yīng)地減少泄漏量[10]，故偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)在減小轉(zhuǎn)子偏心量的同時(shí)也有助于密封性能的提升。

(a)傳統(tǒng)密封運(yùn)轉(zhuǎn)模型(b)密封偏心調(diào)節(jié)示意圖

需要注意的是，偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)中密封內(nèi)環(huán)的運(yùn)動(dòng)直接受到其外側(cè)彈簧的影響，從而影響偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的減振效果。故需確定不同彈簧剛度下偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的減振規(guī)律，尋求合適的彈簧剛度。

2.2偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

為確定彈簧剛度對(duì)偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)減振效果的影響規(guī)律，本文進(jìn)一步建立了如圖3所示的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，從動(dòng)力學(xué)角度分析由轉(zhuǎn)子至密封內(nèi)環(huán)的振動(dòng)傳遞率與彈簧剛度的關(guān)系。圖3中：m1為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，m2為密封內(nèi)環(huán)質(zhì)量；k1為密封腔內(nèi)流體的剛度，k為螺旋彈簧的剛度；x1為轉(zhuǎn)子位移，x2為密封內(nèi)環(huán)位移；F1為激勵(lì)力。

圖3 偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Eccentricity self-adjusting structure dynamic model

得到偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程

(1)

設(shè)激振力F1的激勵(lì)頻率為ω，將F1簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧激勵(lì)力|F1|ejω，激勵(lì)力使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的位移為x1=X1ejω，密封內(nèi)環(huán)產(chǎn)生的位移為x2=X2ejω，在不考慮阻尼的情況下，振動(dòng)傳遞系數(shù)為[11]

(2)

式中：ω1為轉(zhuǎn)子的固有頻率;ω2為偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率。由于ω1固定不變，故在此只討論ω2與振動(dòng)傳遞系數(shù)Tf的關(guān)系。由式(2)可知，當(dāng)ω2與激勵(lì)頻率ω越接近，即1-(ω/ω2)2越小，振動(dòng)傳遞系數(shù)Tf越大，振動(dòng)由轉(zhuǎn)子傳遞至密封內(nèi)環(huán)的效果越好，轉(zhuǎn)子越穩(wěn)定。反之，若1-(ω/ω2)2越大，振動(dòng)傳遞系數(shù)Tf越小，則越不利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定。

本模型中，偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率為

(3)

由式(3)可知，ω2的大小可通過改變彈簧剛度k來調(diào)節(jié)，使其與激勵(lì)力頻率ω接近，增大振動(dòng)傳遞系數(shù)Tf，以減小轉(zhuǎn)子振動(dòng)。所以，為了使密封偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的減振效果達(dá)到最好，需根據(jù)具體工況和具體結(jié)構(gòu)確定合適的彈簧剛度k。

3 偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)抑制流體激振實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

為驗(yàn)證理論分析，本文搭建了密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了五種彈簧剛度為1.08 N/mm、2.0 N/mm、3.2 N/mm、6.12 N/mm和9.03 N/mm的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)，以水為密封介質(zhì)，開展了本結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的抑振規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由電機(jī)、不銹鋼薄壁圓筒、盛水容器、偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)、電渦流傳感器、LC8008振動(dòng)信號(hào)分析儀、計(jì)算機(jī)等組成，如圖4(a)所示。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子和密封內(nèi)環(huán)分別是一個(gè)外徑為150 mm和一個(gè)內(nèi)徑為160 mm的不銹鋼薄壁圓筒，二者之間構(gòu)成密封腔。其中密封內(nèi)環(huán)是偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的一部分，偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)與盛水容器固定，轉(zhuǎn)子與電機(jī)主軸通過螺紋連接。當(dāng)密封內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)子同心時(shí)，兩個(gè)薄壁圓筒壁面之間距離即密封間隙為5 mm，密封長(zhǎng)度為70 mm。實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物見圖4(b)。

為模擬轉(zhuǎn)子偏心造成周向壓力分布不均以致激振的工況，將圖4中轉(zhuǎn)子的右側(cè)設(shè)定為最小間隙，用塞尺測(cè)量，使轉(zhuǎn)子偏心量為2 mm，最小密封間隙為3 mm。電機(jī)架上安裝有位移傳感器，用于測(cè)量轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)位移。電渦流傳感器測(cè)出轉(zhuǎn)子振幅后通過LC8008信號(hào)分析儀進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，由計(jì)算機(jī)顯示振動(dòng)數(shù)據(jù)。所用位移傳感器為L(zhǎng)C-18電渦流位移傳感器，其分辨率為1 μm，靈敏度為8 mV/μm，線性電壓范圍為0 V～24 V, 有效測(cè)量范圍為0 μm～1 500 μm。

(a) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

(b) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖圖4 偏心自調(diào)密封結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Eccentricity self-adjusting seal structure test rig

3.2偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)減振規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)理論分析，偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的抑振效果與頻率比ω/ω2的值是否接近1有關(guān)，故實(shí)驗(yàn)測(cè)試了彈簧剛度值k為1.08 N/mm、2.0 N/mm、3.2 N/mm、6.12 N/mm和9.03 N/mm時(shí)偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率ω2。由于轉(zhuǎn)子一般以不平衡振動(dòng)為主，轉(zhuǎn)頻即為激勵(lì)頻率，測(cè)試了轉(zhuǎn)頻ω為3.8 Hz和5.2 Hz時(shí)轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振幅，研究了不同彈簧剛度下偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)振動(dòng)的抑制規(guī)律。

3.2.1 偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)固有頻率測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用敲擊法測(cè)試了五組不同彈簧剛度的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)固有頻率ω2，所使用的測(cè)試儀器為德國(guó)SCHENCK公司的SMARTBALANCER 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀中的撞擊測(cè)試模塊，其加速度傳感器測(cè)量精度為6 000 m/s2(p-p) / ± 1%，可測(cè)頻率范圍為0.5 Hz～40 kHz。測(cè)試工況如圖5所示，密封介質(zhì)為水，密封內(nèi)環(huán)外圍均為空氣。敲擊測(cè)試中的加速度衰減曲線例如圖6所示，測(cè)試所得固有頻率數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率隨彈簧剛度的增大而增大。由式(3)可知，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論計(jì)算。

圖5 偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)安裝示意圖Fig.5 Eccentricity self-adjusting structure installation schematic diagram

圖6 偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)加速度衰減曲線Fig.6 Eccentricity self-adjusting structure acceleration attenuation curve

表1 偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)固有頻率表Tab.1 Eccentricity self-adjusting structure natural frequency

3.2.2 轉(zhuǎn)頻3.8 Hz時(shí)偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)減振規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的原始振動(dòng)和安裝偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后的振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其中原始振動(dòng)為未安裝偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)時(shí)密封系統(tǒng)的振動(dòng)，此時(shí)密封內(nèi)環(huán)外不安裝彈簧，周向用螺栓卡緊，使其固定不動(dòng)，其他實(shí)驗(yàn)條件不變。實(shí)驗(yàn)得到了如表2所示的轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)情況。將表2中數(shù)據(jù)做成曲線圖，如圖7所示。頻率比ω/ω2和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)降幅隨彈簧剛度的變化趨勢(shì)如圖8所示。

表2 轉(zhuǎn)頻為3.8 Hz時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)Tab.2 The vibration data at rotating frequency 3.8 Hz

圖7 轉(zhuǎn)頻為3.8 Hz時(shí)振幅隨彈簧剛度變化曲線Fig.7 Vibration amplitude variation curve along with the spring stiffness at rotating frequency 3.8 Hz

圖8 轉(zhuǎn)頻為3.8 Hz時(shí)ω/ω2和降幅隨彈簧剛度變化趨勢(shì)Fig.8 ω/ω2 and amplitude decrease ratio variation curve along with the spring stiffness at rotating frequency 3.8 Hz

從圖7中可以得知，安裝偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后的系統(tǒng)振幅較未安裝時(shí)更小，偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)能夠起到一定抑制作用。由圖8可進(jìn)一步看出，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)降幅不大，僅維持在10%～15%。這是因?yàn)?，頻率比ω/ω2的值均在0.4以下，即ω和ω2相差較大，使得偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的影響較小，振動(dòng)沒有得到大幅傳遞，不能起到明顯的抑振作用。

3.2.3 轉(zhuǎn)頻5.2 Hz時(shí)偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)減振規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)轉(zhuǎn)子在該轉(zhuǎn)頻下的原始振幅和安裝偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后的振幅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，振動(dòng)數(shù)據(jù)如表3所示。原始振幅和安裝后振幅變化曲線如圖9所示。ω/ω2和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)降幅隨彈簧剛度的變化趨勢(shì)如圖10所示。

從圖9和圖10中可以看出，轉(zhuǎn)頻5.2 Hz時(shí)，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)得到了一定程度的抑制。但頻率比ω/ω2的值在0.55以下，ω和ω2依然相差較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)降幅也只維持在10%～20%，振動(dòng)降幅隨彈簧剛度變化不明顯。

表3 轉(zhuǎn)頻為5.2 Hz時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)Tab.3 Vibration data at rotating frequency 5.2 Hz

圖9 轉(zhuǎn)頻為5.2 Hz時(shí)振幅隨彈簧剛度變化曲線Fig.9 Vibration amplitude variation curve along with spring stiffness at rotating frequency 5.2 Hz

圖10 轉(zhuǎn)頻為5.2 Hz時(shí)ω/ω2和降幅隨彈簧剛度變化趨勢(shì)Fig.10 ω/ω2 and amplitude decrease ratio trend along with the spring stiffness at rotating frequency 5.2 Hz

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)能夠?qū)D(zhuǎn)子密封系統(tǒng)振動(dòng)起到抑制作用，但振動(dòng)降幅不甚明顯，僅維持在10%～20%，振動(dòng)降幅隨彈簧剛度變化不大。其機(jī)理是由于激勵(lì)頻率ω與偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)固有頻率ω2的比值均在0.55以下，1-(ω/ω2)2值較大，振動(dòng)傳遞系數(shù)Tf較小，轉(zhuǎn)子及流體傳遞到密封內(nèi)環(huán)的振動(dòng)較小，故減振效果不佳。

3.3密封偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸于水中時(shí)的減振規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

前文實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)頻有3.8 Hz和5.2 Hz兩種，且偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的密封內(nèi)環(huán)外圍為空氣，其固有頻率遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)頻，兩者差值較大，帶來的減振效果并不明顯。水作為附加質(zhì)量[12]和阻尼元件[13]，對(duì)結(jié)構(gòu)前五階固有頻率的影響因子c[14]一般為0.64～0.8，且會(huì)消耗一定的振動(dòng)能量。故本文進(jìn)一步考慮密封內(nèi)環(huán)外圍加水的影響，將偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸在水中，并增加一組轉(zhuǎn)頻為2.7 Hz的實(shí)驗(yàn)工況，進(jìn)一步研究浸在水中的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)對(duì)2.7 Hz、3.8 Hz和5.2 Hz三種轉(zhuǎn)頻下轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的減振規(guī)律。

3.3.1 密封偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸于水中時(shí)的固有頻率測(cè)試

采用敲擊法，對(duì)浸在水中的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，得到了其固有頻率，實(shí)驗(yàn)工況如圖11所示。將浸于水時(shí)偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率用ω2w表示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。表4中c=ω2w/ω2，為水對(duì)偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)固有頻率的影響因子。

由表4可以看出，在所設(shè)計(jì)的幾組彈簧中，偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率仍然隨彈簧剛度k的增大而增大，但是明顯小于偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)在空氣中時(shí)的固有頻率ω2，水的影響影子c在0.6左右。水作為附加質(zhì)量可以減小結(jié)構(gòu)固有頻率，這一結(jié)論再次得到驗(yàn)證，并且水對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的影響因子與朱驍健等的試驗(yàn)結(jié)果較為接近。

圖11 偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸于水示意圖Fig.11 Eccentricity self-adjusting structure immersed in water schematic diagram

表4 浸于水時(shí)的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)固有頻率Tab.4 Eccentricity self-adjusting structure immersed in water frequency

3.3.2 轉(zhuǎn)頻為2.7 Hz時(shí)浸在水中的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)減振規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)轉(zhuǎn)頻2.7 Hz時(shí)的原始振幅和安裝浸于水的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振幅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如表5所示。振幅隨彈簧剛度的變化如圖12所示。頻率比ω/ω2w與對(duì)應(yīng)的降幅隨彈簧剛度的變化曲線如圖13所示。

表5 轉(zhuǎn)頻為2.7 Hz偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸于水時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)Tab.5 Vibration data at rotating frequency 2.7 Hz when structure immersed in water

圖12 轉(zhuǎn)頻2.7 Hz結(jié)構(gòu)浸于水時(shí)的振幅隨彈簧剛度變化曲線Fig.12 Vibration amplitude variation curve along with spring stiffness at rotating frequency 2.7 Hz when the structure immersed in water

圖13 轉(zhuǎn)頻為2.7 Hz時(shí)ω/ω2w和降幅隨彈簧剛度變化趨勢(shì)Fig.13 ω/ω2w and amplitude decrease ratio trend along with the spring stiffness at rotating frequency 2.7 Hz

由圖12 可以看出，安裝浸于水的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)成功得到抑制，并且隨著彈簧剛度的減小，抑振效果加強(qiáng)。從圖13中可以發(fā)現(xiàn)，隨彈簧剛度減小，激勵(lì)力頻率ω與偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率ω2w的比值逐漸接近0.5，系統(tǒng)的振動(dòng)降幅隨ω/ω2w的增大而增大，最大降幅為27.97%。

這一工況下的頻率比ω/ω2w與轉(zhuǎn)頻為5.2 Hz、偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)密封內(nèi)環(huán)外圍為空氣中時(shí)的幾種頻率比ω/ω2較為接近，但是抑振效果更好，分析認(rèn)為其原因是密封內(nèi)環(huán)外圍的水作為阻尼元件，大大消耗了振動(dòng)能量。

3.3.3 轉(zhuǎn)頻為3.8 Hz時(shí)浸在水中的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)減振規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)該轉(zhuǎn)頻下安裝浸于水的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后不同彈簧剛度下的振幅進(jìn)行測(cè)量，并與其原始振幅進(jìn)行比較，結(jié)果如表6所示。轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振幅變化曲線如圖14所示。頻率比ω/ω2w與降幅隨彈簧剛度的變化趨勢(shì)如圖15所示。

表6 轉(zhuǎn)頻為3.8 Hz偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸于水時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)Tab.6 Vibration data at rotating frequency 3.8 Hz when structure immersed in water

圖14 轉(zhuǎn)頻3.8 Hz結(jié)構(gòu)浸于水時(shí)的振幅隨彈簧剛度變化曲線Fig.14 Vibration amplitude variation curve along with spring stiffness at rotating frequency 3.8 Hz when the structure immersed in water

圖15 轉(zhuǎn)頻為3.8 Hz時(shí)ω/ω2w和降幅隨彈簧剛度變化趨勢(shì)Fig.15 ω/ω2w and amplitude decrease ratio trend along with the spring stiffness at rotating frequency 3.8 Hz

圖14表明，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)得到了明顯抑制，降幅隨彈簧剛度的減小而增大。剛度為1.08 N/mm時(shí)降幅最大，抑振效果最好；而剛度為9.03N/mm時(shí)的振幅接近原始振動(dòng)幅值。由圖15可以看出，隨彈簧剛度減小，ω/ω2w逐漸增大到0.63，更接近1，振動(dòng)降幅也隨之增大，最大為40.03%。ω/ω2w越接近1，1-(ω/ω2)2越小，振動(dòng)傳遞系數(shù)Tf越大，所以減振效果越好，這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合理論分析。

3.3.4 轉(zhuǎn)頻為5.2 Hz時(shí)浸在水中的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)減振規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

同樣對(duì)該轉(zhuǎn)頻下安裝浸于水的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后不同彈簧剛度下的振幅變化進(jìn)行研究，結(jié)果如表7所示。將表7中的振動(dòng)數(shù)據(jù)做成曲線圖，如圖16所示。此時(shí)頻率比ω/ω2w與振動(dòng)降幅隨彈簧剛度的變化趨勢(shì)如圖17所示。

表7 轉(zhuǎn)頻為5.2 Hz偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸于水時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)Tab.7 Vibration data at rotating frequency 5.2 Hz when structure immersed in water

圖16 轉(zhuǎn)頻5.2 Hz結(jié)構(gòu)浸于水時(shí)的振幅隨彈簧剛度變化曲線Fig.16 Vibration amplitude variation curve along with spring stiffness at rotating frequency 5.2 Hz when the structure immersed in water

由圖16可以看出，安裝浸于水的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)得到了大幅抑制，降幅依然隨彈簧剛度的減小而增大。由圖17知，隨彈簧剛度減小，ω/ω2w值逐漸接近1，最大為0.87，振動(dòng)降幅隨之增大，最大為41.27%。原因是彈簧剛度k的減小使得偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率ω2w越小，更為接近激勵(lì)頻率ω，兩者的吻合使該結(jié)構(gòu)的抑振效果達(dá)到最好。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，密封偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸在水中時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)能夠起到顯著的抑制作用，且減振效果隨彈簧剛度的變化較大。當(dāng)彈簧剛度的變化使偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率ω2w越接近激勵(lì)頻率ω，1-(ω/ω2)2值越小，振動(dòng)傳遞系數(shù)Tf越大，振動(dòng)能量傳遞越多，其抑振效果越好；反之，效果減弱。其中轉(zhuǎn)頻為5.2 Hz、彈簧剛度為1.08 N/mm時(shí)，ω/ω2w=0.87，1-(ω/ω2)2最小，振動(dòng)降幅最大，為41.27%，結(jié)果與理論分析一致。

圖17 轉(zhuǎn)頻為5.2 Hz時(shí)ω/ω2w和降幅隨彈簧剛度變化趨勢(shì)Fig.17 ω/ω2w and amplitude decrease ratio trend along with the spring stiffness at rotating frequency 5.2 Hz

4 結(jié) 論

針對(duì)由轉(zhuǎn)子偏心引起的密封流體激振問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型偏心自適應(yīng)調(diào)節(jié)密封結(jié)構(gòu)，對(duì)該結(jié)構(gòu)的減振機(jī)理進(jìn)行了探究，對(duì)其在不同工況下的固有頻率進(jìn)行了測(cè)試，研究了不同彈簧剛度和轉(zhuǎn)頻下該結(jié)構(gòu)的抑振效果，獲得以下結(jié)論：

(1) 所設(shè)計(jì)的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的減振效果與其激勵(lì)頻率和固有頻率的比值ω/ω2有關(guān)，ω/ω2比值越接近1，減振效果越顯著。

(2) 密封內(nèi)環(huán)外圍為空氣時(shí)，偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率ω2隨彈簧剛度k的增大而增大。安裝偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)得到一定抑制。但由于頻率比ω/ω2值與1差距較大，ω/ω2值的變化對(duì)降幅的影響不明顯，降幅只維持在10%～20%。

(3) 偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)浸在水中時(shí)，其固有頻率ω2w隨彈簧剛度k的增大而增大，但均小于在空氣中時(shí)的固有頻率ω2。并且同頻率比時(shí)，浸于水的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)減振效果更好。原因是水作為附加質(zhì)量減小了偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)的固有頻率；作為阻尼元件，增加了振動(dòng)能量的消耗。

(4) 安裝浸于水的偏心自調(diào)結(jié)構(gòu)后，由于ω/ω2w的值較接近1及水阻尼的耗能作用，轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的振動(dòng)得到明顯抑制，振動(dòng)降幅最大達(dá)到41.27%。反之當(dāng)ω/ω2w越遠(yuǎn)離1，振動(dòng)降幅則越小，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論分析。

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Newmethodfortheself-adjustingofsealeccentricityandexperimentalresearchonthesealvibrationcontrol

LI Kuan，HE Lidong，TU Ting

(Diagnosis and Self-recovering Research Center, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Aiming at reducing the seal fluid excitation caused by rotor eccentricity, a new eccentricity self-adjusting seal structure which can decrease the rotor eccentricity was designed and its vibration suppression mechanism was explored. It is concluded by the theoretical analysis that the vibration suppression effect will be the best only when the natural frequency of the designed structure is consistent with the rotor-seal exciting frequency. Using water as the sealing media, the natural frequencies of the designed structure with different spring stiffness were measured respectively. Changing the rotating frequency, the structural vibration suppression effect was experimentally investigated. The results show that the structural frequency increases with the increase of spring stiffness, but is much higher than the rotor-seal exciting frequency. The vibration amplitude reduction ratio is not notable, only between 10%～20%. Then the eccentricity structure was put into the water, its frequency in water was measured. and its vibration suppression effect in water was experimentally researched. The results demonstrate that the structural frequencies in water still increase with the increase of spring stiffness but are about 40% lower than in the air. So, the structural frequency in water is closer to the exciting frequency and the vibration suppression effect in this condition is more obvious. The maximum vibration amplitude reduction ratio reaches 41.27%.

non-contact seal；seal fluid excitation；rotor eccentricity self-adjusting；natural frequency

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.19.008

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(2012CB026000)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助課題(20110010110009)

2016-06-13 修改稿收到日期：2016-08-06

李寬 女，碩士生，1992年生

何立東 男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，1963年生