[其他]具有各向异性刚度的轴承

说明书

本发明涉及到旋转的机械装置，特别是涉及到旋转机械装置中的高速转子的轴承。

例如，用于蒸汽涡轮、燃气涡轮和压缩机中的高速转子，可能受到产生的各种振动力，使机械装置发生故障。这种力的一个激励源是转子的不平衡。转子的不平衡就会产生与转子旋转频率同步的振动。当转子速度通过所谓的临界速度或系统谐振速度的特定的狭窄范围时，这些振动就被加强。在过渡到这些临界速度区域时产生的转子的振动可以进行限制，办法是改善转子的平衡状态，附加阻尼系统，以及减少转子在加速或减速时通过临界速度区的时间。一种相对本身的工作速度没有临界速度的理想平衡转子是可以做出来的，并在显著高于临界速度的情况下工作，而不产生较大的同步振动。

与同步振动相比，次同步振动不因转子的不平衡而产生，而且，其发生不限于在窄的速度范围内。因此，次同步振动通常不能用改善转子的平衡状态来限制，也不能通过特定速度对转子作快速加速或减速来解决。机械装置发生次同步振动的典型表现形式是，当转子速度超过某个临界值时，振动突然地加强。在转子速度增加到临界值时，振动频率通常是转子速度的几分之一，并常常与系统已通过的谐振频率相一致。由于转子的不平衡，总振动中的次同步振动分量的振幅往往超过同步振动分量的振幅。在临界值以上，转子速度再进一步地增加，通常不会改变次同步振动频率，但这种增加的确会使它的振幅增大。因此，开始产生次同步振动时的转子的临界速度，可以作为转子的极限速度，而且可以使转子在低于最佳设计速度下工作。

转子的次同步振动是由不同性质的一些现象所引起，而不是由转子的不平衡所引起。这些现象具有共同的特点：转子在给定的径向方向上的移动将产生两个不同的力，其中之一是作用在转子位移方向上的复原力，另一个是垂直于移动方向的力。后一个力通称为交叉耦合力。

实践经验和理论探讨已经确定了产生这种激起次同步振动的交叉耦合力的一些主要现象。这些现象包括转子热压配合和耦合时的滑动摩擦，转子材料的应力一应变滞后现象，由涡轮和压缩机中的迷宫式密封和不均匀的叶尖间隙等产生的动液轴承状态和气动现象。在一个给定的转子上就可能存在几个这样的交叉耦合力。

尽管产生交叉耦合力的一些原因为一些有经验的转子设计师所知，但通过改善设计来避免所有这些因素，或在设计阶段估测它们的数值，这是不可能的。已经成功地用于减少交叉耦合力的一些措施包括：消除任何地方可能出现的热压配合，减少不能被消除的热压配合的出现机会，放开或允许摩擦滑动，把叶尖间隙的周围偏差减到最小，以及采用产生交叉耦合力机会最小的润滑油膜轴承设计。支点式推力轴颈轴承被广泛地用来替换圆柱形内径轴承，这是由于支点式推力轴颈轴承能够使轴承上产生的交叉耦合力减至最小。

尽管采用了这些熟知的设计步骤，但转子的破坏性的次同步振动依然存在，在许多高速旋转的机械装置中仍然是一个严重的问题。为减少交叉耦合力的不稳定作用而采用的进一步设计，很清楚是符合需要的。通常，在第一次试验揭示以前，在给定的新的机械装置中的次同步振动不稳定性问题是不会被怀疑的。对一个未知的次同步振动情况的出现就特别需要有一个能采用的简单的解决方案，即为减小不稳定力无需对转子或定子进行改装。

1963年，W.凯林博格（Kellenberger）在《勃朗保弗利电气公司评论》（50    The    BroWn    Boveri    Rev.）1963年11月/12月第11/12期合刊的第756～766页上的一篇文章中提出了一种方法，可把交叉耦合力的作用减到最小，这种方法是在水平方向和垂直方向使用不同的刚度来支撑转子。

另外一些作者也提出在一个支撑轴承方面使用各向异性的可能性，但是从来没有人提出实现这一设想的任何具体方案，例如J.C.尼古拉斯等人在机械工程师协会特种出版物（ASME    Spec。）1978年出版的《润滑油膜轴承系统的设计和最佳化概论》（Topics    in    Fluid-Film    Bearing    Systew    Design    and    Optimiz    ation）的第55～78页上发表了题为“支点式推力轴承特性对高速转子轴承系统稳定性的影响”（“The    Influence    of    Til    ting    Pad    Bearing    Characferistics    On    The    Sta    bility    Of    High    Speed    Rotor-Bearing    System”）的文章即如此。