超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)研究

關(guān)鍵詞：高速離心壓縮機(jī)；超高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；不平衡激勵(lì)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；跨臨界

中圖分類號(hào)：TH113. 1 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 01. 005

0引言

單級(jí)大壓比離心壓縮機(jī)作為工業(yè)領(lǐng)域的核心設(shè)備，對(duì)其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性要求嚴(yán)苛，技術(shù)含量高，目前基本被國(guó)外大型風(fēng)機(jī)企業(yè)壟斷。隨著我國(guó)高端裝備制造業(yè)的快速發(fā)展以及“雙碳目標(biāo)”產(chǎn)生的市場(chǎng)需求，國(guó)產(chǎn)離心壓縮機(jī)向高功率密度、高效率、高可靠性、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，故超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡激勵(lì)研究對(duì)于國(guó)產(chǎn)高端離心壓縮機(jī)的技術(shù)突破意義重大。

單級(jí)大壓比離心壓縮機(jī)離心葉輪轉(zhuǎn)速高，葉輪最大輪緣處的線速度可達(dá)510 m/s，故超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用跨臨界柔性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，其對(duì)不平衡激勵(lì)異常敏感。此外，不平衡激勵(lì)與轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速愈高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)愈劇烈，特別是在跨臨界時(shí)，若不平衡激勵(lì)過(guò)大，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼不足以致發(fā)生轉(zhuǎn)子共振，則超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)劇烈、運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，因轉(zhuǎn)速非常高，易導(dǎo)致離心葉輪剮蹭、軸承失效、轉(zhuǎn)軸彎曲等破壞性的嚴(yán)重后果［1］。因此，對(duì)超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡激勵(lì)研究對(duì)單級(jí)大壓比離心壓縮機(jī)的高速穩(wěn)定性與可靠性具有重要的工程意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性、激勵(lì)與響應(yīng)分析等進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩的成果。董衛(wèi)紅等［2］針對(duì)高速渦輪泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多摩擦學(xué)元件耦合的特點(diǎn)，建立了多摩擦學(xué)元件耦合時(shí)復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的集成動(dòng)力學(xué)模型。鄧旺群等［3］提出了一種細(xì)長(zhǎng)柔性轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡方法，通過(guò)平衡卡箍完成了動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，且平衡卡箍對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速和振動(dòng)特性影響甚微。TIWARI等［4］研究了磁懸浮軸承特性參數(shù)和不平衡質(zhì)量對(duì)柔性磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性的影響。KUPPA 等［5］進(jìn)行了不平衡質(zhì)量和磁懸浮軸承不對(duì)中對(duì)柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障分析。YADAV等［6］對(duì)不平衡質(zhì)量對(duì)高速轉(zhuǎn)子的影響進(jìn)行了深入研究。郭夏夏［7］在現(xiàn)有動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)高速動(dòng)平衡轉(zhuǎn)子的仿真系統(tǒng)，建立了高速動(dòng)平衡轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)旋轉(zhuǎn)模型。岳聰［8］利用高速轉(zhuǎn)子加速起動(dòng)過(guò)程中的振幅響應(yīng)信息，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)平衡方法研究，對(duì)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子模型分別開(kāi)展動(dòng)平衡方法仿真研究及其穩(wěn)定性和適用性分析。張國(guó)淵等［9］對(duì)高速渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行多部件、多物理場(chǎng)耦合信息的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入研究，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。張舒月等［10］建立了磁懸浮冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，并完成了臨界轉(zhuǎn)速和不平衡響應(yīng)的仿真計(jì)算，提出了磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建模和動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法。上述成果對(duì)高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析具有重要指導(dǎo)意義。在此基礎(chǔ)上，跨臨界柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性對(duì)不平衡激勵(lì)更加敏感，工程應(yīng)用中顯現(xiàn)的不平衡激勵(lì)引起的共振問(wèn)題較多，對(duì)超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡激勵(lì)分析與控制可確保超高速跨臨界柔性轉(zhuǎn)子具有良好的動(dòng)力學(xué)特性。

基于超高速跨臨界柔性轉(zhuǎn)子不平衡激勵(lì)響應(yīng)分析的局限，本文針對(duì)單級(jí)大壓比離心壓縮機(jī)超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提出一種可靠的不平衡激勵(lì)響應(yīng)分析計(jì)算方法，同時(shí)考慮滑動(dòng)軸承在額定轉(zhuǎn)速、滿功率狀態(tài)、最高溫度情況下動(dòng)壓油膜的支撐剛度以及阻尼影響［11］［12］33-37，采用集中質(zhì)量法合理簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，采用DEWESoft振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)值跟蹤記錄，并與不平衡響應(yīng)分析結(jié)果對(duì)比分析。該不平衡激勵(lì)響應(yīng)分析與控制方法得到了較好的試驗(yàn)驗(yàn)證，具有重要的工程應(yīng)用意義。

1超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由齒輪軸、離心葉輪、鎖緊螺母、導(dǎo)流罩、密封組件、可傾瓦滑動(dòng)軸承等組成，如圖1所示。

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的密封組件與齒輪軸過(guò)盈配合，離心葉輪與齒輪軸采用過(guò)渡配合，通過(guò)鎖緊螺母將離心葉輪固定在齒輪軸上，導(dǎo)流罩通過(guò)鎖緊螺母固定在齒輪軸上。

因鎖緊螺母與齒輪軸螺紋之間、離心葉輪與轉(zhuǎn)軸之間有間隙，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裝配完成后會(huì)有質(zhì)量不平衡，綜合零部件材質(zhì)不均造成的質(zhì)量不平衡，雖有部件動(dòng)平衡和組件動(dòng)平衡環(huán)節(jié)，可將不平衡質(zhì)量控制在一定范圍內(nèi)，但對(duì)于超高速跨臨界柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言，常規(guī)的雙面動(dòng)平衡無(wú)法有效抑制不平衡激勵(lì)引起的劇烈的振動(dòng)響應(yīng)。

為了準(zhǔn)確有效地控制超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡激勵(lì)的振動(dòng)響應(yīng)，需綜合考慮滑動(dòng)軸承的變支撐剛度、阻尼、不平衡激勵(lì)大小等性能參數(shù)，以便控制計(jì)算分析方法的精確性。

2超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

2. 1超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)計(jì)算模型

將超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并建立Ansys轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析模型［12］33-37，如圖2所示。

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的材料屬性如表1所示。

2. 2滑動(dòng)軸承支撐剛度與阻尼

轉(zhuǎn)子與滑動(dòng)軸承間的受力分析如圖3所示，滑動(dòng)軸承動(dòng)壓油膜向心力F_e和切向的分力F_φ形成支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐力，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定可靠運(yùn)行。F_e和F_φ分別為

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性除本身結(jié)構(gòu)參數(shù)外，滑動(dòng)軸承的支撐剛度與阻尼對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響至關(guān)重要［13］。

式中，F(xiàn)e為動(dòng)壓油膜向心力，N；Fφ為動(dòng)壓油膜切向力，N；l 為滑動(dòng)軸承長(zhǎng)度，mm；φ 為圓柱坐標(biāo)系圓周方向，rad；φ₁為動(dòng)壓油膜起始角度，rad；φ₂為動(dòng)壓油膜截止角度，rad；r 為滑動(dòng)軸承半徑，mm；z 為圓柱坐標(biāo)系長(zhǎng)度方向，mm；p 為動(dòng)壓油膜壓力，Pa。

根據(jù)雷諾邊界條件確定的積分邊界，基于不可壓縮定常流動(dòng)的二維雷諾方程［14-15］，采用Ansys的熱力學(xué)分析模塊求解二維雷諾方程，借助二次編程，采用二分法求解動(dòng)壓油膜的壓力分布p，圖4為滑動(dòng)軸承動(dòng)壓油膜的壓力分布圖，其求解及迭代計(jì)算的流程如圖5所示，進(jìn)而積分求得動(dòng)壓油膜向心力Fe和切向的分力F_φ，有

式中，h 為動(dòng)壓油膜厚度，mm；μ 為潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度，Pa·s；p 為動(dòng)壓油膜壓力，Pa；Ω為轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

根據(jù)超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的載荷、轉(zhuǎn)速等，利用上述計(jì)算分析方法，求解動(dòng)壓油膜的承載力、最小油膜厚度以及支撐剛度與阻尼等關(guān)鍵參數(shù)，以便獲得良好的動(dòng)力學(xué)特性，滑動(dòng)軸承輸入?yún)?shù)如表2所示。

因超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作時(shí)負(fù)載穩(wěn)定，徑向載荷以轉(zhuǎn)子自重為主，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下得到的軸承剛度與阻尼，其偏差為2%～3%，故將滑動(dòng)軸承的動(dòng)剛度與阻尼考慮為滿轉(zhuǎn)速時(shí)的剛度與阻尼，其計(jì)算參數(shù)如表3所示。

動(dòng)壓油膜承載力是由其壓力分布P 積分所得，因此壓力對(duì)位移和速度擾動(dòng)的導(dǎo)數(shù)直接決定了滑動(dòng)軸承動(dòng)壓油膜的動(dòng)力學(xué)特性（動(dòng)壓油膜的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)）。根據(jù)Reynolds邊界條件可知，在動(dòng)壓油膜破裂處φ₂的壓力等于零，即Pφ₂=0。則得到高速滑動(dòng)軸承動(dòng)壓油膜的8個(gè)動(dòng)力學(xué)特性系數(shù)，其剛度和阻尼系數(shù)分別為

2. 3超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用柔性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案，其一階臨界轉(zhuǎn)速需遠(yuǎn)離設(shè)備的工作區(qū)間，且二階臨界轉(zhuǎn)速需遠(yuǎn)離設(shè)備的最高轉(zhuǎn)速，為確保臨界轉(zhuǎn)速在適宜的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，需要在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確地核算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。

本文采用Ansys 中Modal 模態(tài)分析模塊，通過(guò)第2. 1節(jié)建立的超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型，設(shè)置支撐軸承的剛度矩陣與阻尼矩陣，可達(dá)到超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的坎貝爾圖，如圖6所示。

為了得到超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的坎貝爾圖，設(shè)定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速梯度，進(jìn)行求解計(jì)算。

由圖6可知，該超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)共有4個(gè)臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)，且在第4臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)之后已超出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間，故該超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)共有4個(gè)臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)，如表4所示，但由于不平衡質(zhì)量引起的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)渦動(dòng)以正進(jìn)動(dòng)為主，在工程應(yīng)用中忽略反進(jìn)動(dòng)存在的臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)，故該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)只有1個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，即1937.4 rad/s（18510. 2 r/min，額定轉(zhuǎn)速的35. 7%），該臨界轉(zhuǎn)速的振型如圖7所示。

由超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速振型可知，該振型為傘形振動(dòng)，對(duì)懸臂質(zhì)量的變化異常敏感，若要調(diào)整超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，可對(duì)離心葉輪進(jìn)行減重處理。另外，也可修改軸承跨距，匹配滑動(dòng)軸承的支撐剛度與阻尼等，優(yōu)化轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)。

2. 4不平衡響應(yīng)分析

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)因?yàn)檗D(zhuǎn)速高，不平衡質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的影響大，特別是在過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，剩余不平衡質(zhì)量作為激勵(lì)源，會(huì)引起超高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的劇烈振動(dòng)［16］，所以對(duì)該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡質(zhì)量的響應(yīng)分析至關(guān)重要。

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為懸臂結(jié)構(gòu)，根據(jù)API617—2002的規(guī)定，其不平衡響應(yīng)分析時(shí)不平衡質(zhì)量添加在葉輪上，根據(jù)高精密轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度要求和動(dòng)平衡機(jī)的實(shí)際精度，確定超音速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡質(zhì)量。

本文采用Ansys中Harmonic Response諧響應(yīng)分析模塊，對(duì)超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行剩余不平衡質(zhì)量的振動(dòng)響應(yīng)分析，計(jì)算模型如圖8所示。

依據(jù)ISO 1940：2003不平衡等級(jí)分類，測(cè)算不同的不平衡質(zhì)量，如表5所示。選定離心葉輪0. 05 m的半徑處為剩余不平衡質(zhì)量的加重點(diǎn)，添加不平衡質(zhì)量，設(shè)置好滑動(dòng)軸承剛度與阻尼，考慮陀螺效應(yīng)的影響，進(jìn)行分析求解。

為減小計(jì)算量，在坎貝爾圖確定的臨界轉(zhuǎn)速不低于±15%的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，核算該區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)。圖9所示為超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡等級(jí)為G0. 4級(jí)的響應(yīng)分析結(jié)果。由圖9可知，在320 Hz時(shí)，振動(dòng)速度值有明顯的波峰，跨過(guò)該頻率后振動(dòng)速度值隨頻率增加而減小，可判定為臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在不同剩余不平衡質(zhì)量的激勵(lì)下，超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應(yīng)主頻率和幅值匯總?cè)绫?所示。

根據(jù)上述計(jì)算分析結(jié)果，臨界轉(zhuǎn)速不會(huì)因不平衡質(zhì)量的改變而發(fā)生變化，但不平衡質(zhì)量的增加會(huì)導(dǎo)致不平衡響應(yīng)幅值急劇增大，G6. 3級(jí)響應(yīng)幅值相較G0. 4級(jí)大了15. 78倍，故若剩余不平衡質(zhì)量大，在跨臨界轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)產(chǎn)生破壞性的后果。根據(jù)ISO 10816系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高精密齒輪箱的振動(dòng)速度有限值的限定，超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)幅值≤4. 5mm/s，故其動(dòng)平衡等級(jí)要優(yōu)于G1級(jí)。

3超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用跨臨界柔性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，為確保轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平穩(wěn)地跨臨界，需嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剩余不平衡質(zhì)量。超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡對(duì)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響極大，故試驗(yàn)過(guò)程中要保證動(dòng)平衡精度等級(jí)高于G2. 5級(jí)，并據(jù)此對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡。在G0. 4～G2. 5，確定1個(gè)優(yōu)于G1級(jí)剩余不平衡質(zhì)量為0. 008 g、1個(gè)優(yōu)于G2. 5級(jí)的剩余不平衡質(zhì)量為0. 011 g，做完常規(guī)動(dòng)平衡的超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程采用DEWESoft振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的基頻振動(dòng)速度值跟蹤記錄，并與Ansys不平衡質(zhì)量的諧響應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，準(zhǔn)確評(píng)判超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性及動(dòng)平衡精度是否滿足超高速跨臨界柔性轉(zhuǎn)子的剩余不平衡質(zhì)量的要求。

試驗(yàn)系統(tǒng)采用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)柔性膜片聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)增速齒輪箱，經(jīng)2級(jí)增速后，達(dá)到離心葉輪的工作轉(zhuǎn)速。該試驗(yàn)系統(tǒng)采用高速離心風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)平臺(tái)，葉輪進(jìn)氣口通過(guò)進(jìn)口消聲器從進(jìn)風(fēng)廊道進(jìn)氣，出氣口連接試驗(yàn)管道，通過(guò)管道上的閥門(mén)調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行壓力，模擬實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況壓力。通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以改變超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，獲取轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)速度值，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為跨臨界柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，故其臨界轉(zhuǎn)速±15%區(qū)間內(nèi)基頻的振動(dòng)幅值至關(guān)重要。為確保轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能順利跨越臨界轉(zhuǎn)速，特記錄80%一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的基頻振動(dòng)幅值，振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)界面如圖11所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，采用PCB振動(dòng)加速度傳感器，布置在高速軸靠近軸承位置處的垂直、軸向和水平3個(gè)方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由振動(dòng)波形圖和頻譜圖構(gòu)成監(jiān)測(cè)界面，如圖12所示。由此可定位不同轉(zhuǎn)速的振動(dòng)波形圖和相對(duì)應(yīng)的頻譜圖，可從頻譜圖讀出不同轉(zhuǎn)速下超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)基頻的振動(dòng)幅值。

試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)前期計(jì)算結(jié)果，將全轉(zhuǎn)速范圍分為8個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間，利用變頻器調(diào)整永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并由DEWESoft振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的基頻振動(dòng)速度值。

根據(jù)超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，如表7所示，當(dāng)動(dòng)平衡精度優(yōu)于G1級(jí)時(shí)，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動(dòng)速度值均較小，且過(guò)臨界時(shí)振動(dòng)值變化不大，振動(dòng)波形圖未出現(xiàn)波峰，符合柔性轉(zhuǎn)子跨臨界時(shí)的振動(dòng)烈度限制要求。

為對(duì)比不同平衡精度的轉(zhuǎn)子振動(dòng)烈度情況，特更換動(dòng)平衡精度優(yōu)于G2. 5但不滿足G1的超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子，在共振點(diǎn)處振動(dòng)速度值為4. 83 mm/s，超出了標(biāo)準(zhǔn)要求值，且在波形圖中出現(xiàn)較大沖擊峰值，跨過(guò)臨界轉(zhuǎn)速后振動(dòng)速度值恢復(fù)正常后，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

此外，由振動(dòng)沖擊波峰處頻譜圖可知，振動(dòng)能量的主頻率為346. 4 Hz，該頻率值處3個(gè)方向的振動(dòng)值迅速增大，波形圖出現(xiàn)波峰值，跨過(guò)該轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)子振動(dòng)趨于正常，該頻率即為超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實(shí)際一階臨界轉(zhuǎn)速，其與理論計(jì)算值320 Hz 相差7. 62%，結(jié)果偏差較小，對(duì)于工程應(yīng)用有極大的參考意義，證明了計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的相符性。

4結(jié)論

超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對(duì)于不平衡激勵(lì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)異常敏感，一旦動(dòng)平衡精度等級(jí)不夠，在跨臨界時(shí)振動(dòng)速度有效值劇烈增大，振動(dòng)能量會(huì)導(dǎo)致高速轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，產(chǎn)生破壞性的后果。

本文應(yīng)用Ansys轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)諧響應(yīng)分析模塊，研究了超音速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

1）對(duì)于超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其動(dòng)平衡精度等級(jí)需優(yōu)于G1級(jí)，有效控制剩余不平衡質(zhì)量的振動(dòng)響應(yīng)烈度，可確保在跨臨界時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能平穩(wěn)過(guò)渡，避免振動(dòng)劇烈引起的轉(zhuǎn)動(dòng)部件剮蹭。

2）對(duì)于超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不同動(dòng)平衡精度等級(jí)，85%臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)幅值已存在明顯差異。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可通過(guò)監(jiān)測(cè)跨臨界前轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)幅值，評(píng)估其平衡精度是否滿足要求，若剩余不平衡質(zhì)量較大，可據(jù)此進(jìn)行超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的在線動(dòng)平衡。

3）超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速振型，以離心葉輪繞軸承支撐位置的傘形振動(dòng)為主，故要確保氣動(dòng)效率的前提下，預(yù)留足夠的葉間間隙，避免出現(xiàn)葉輪剮蹭。

4）超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)懸臂質(zhì)量異常敏感，為確?？缗R界柔性轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離工作區(qū)間，可對(duì)離心葉輪進(jìn)行質(zhì)量?jī)?yōu)化，配合軸承剛度與阻尼的設(shè)計(jì)，確保一階臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離工作轉(zhuǎn)速區(qū)。

因超高速離心葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，齒輪嚙合區(qū)會(huì)形成高壓油膜，形成對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的輔助支撐，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速略高于計(jì)算值，后續(xù)可對(duì)嚙合油膜剛度對(duì)高速齒輪軸轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響做深入研究。本文具有重大的工程應(yīng)用意義，有助于單級(jí)大壓比離心壓縮機(jī)的研發(fā)。