[发明专利]旋转机械转子自适应连续移频调谐质量阻尼器

说明书

技术领域

本发明涉及旋转机械中用的一种减振装置，主要用于控制风机、压缩机、汽轮机等旋转机械转子的振动问题，属于振动控制技术领域，尤其涉及旋转机械转子自适应连续移频调谐质量阻尼器。

技术背景

旋转机械是工业部门中应用最为广泛的机械设备，如航空发动机、压缩机、汽轮机、燃气轮机等，在航空航天、能源、石化等工业领域发挥着重要作用。转子系统作为旋转机械的核心部件，其振动是不可避免的。由于转子系统的振动大小是决定旋转机械产品性能可靠性的重要因素，因而如何减小转子系统的振动，提高转子寿命，保证机械设备安全可靠运行成为旋转机械的研究中亟待解决的重要环节。旋转机械产生振动的原因有很多，主要是由于转子及其零部件存在不平衡量、动静件之间的碰摩、气流激振、轴系不对中、轴承油膜涡动等导致转子在旋转过程中产生振动，及过临界转速时转子由于变形而产生的振动。

调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper,简称TMD）,也被称为动力吸振器,由辅助质量、弹簧以及阻尼所组成,属于抑制共振的一种应用普遍的减振装置。具有结构简单，性能稳定，且易于实现工程应用等优点，已广泛应用于建筑结构、道路桥梁、交通工具（舰船、飞机、汽车）、工业机械等诸多领域。

TMD是以一个小的振动系统作用于被控结构，当其自振频率与被控结构的某一阶固有频率或激振力一致时，其减振效果非常明显。TMD的减振控制机理：当主结构在外激励作用下产生振动时，带动TMD系统一起振动，TMD系统产生的惯性力反作用到主振系上，调谐这个惯性力，使其对主振系的振动产生调谐作用，振动能量从主系统转移到子系统，从而达到减少主振系振动的目的。要想最大限度发挥TMD的减振作用，要求其固有频率尽可能与主振系的自振频率一致，否则TMD的减振效果就会降低，而旋转机械转子在整个运转过程中具有振动频率成分多样且变化频繁的特点。例如，某汽轮机组，工作转速约为3000r/min，一阶临界转速约为1800r/min，转子过临界时振动对应临界转速下的频率30Hz；转子稳定工作时振动对应工作转速下的频率50Hz；工作转速下轴系不对中振动会产生2倍频率100Hz振动成分；轴承油膜涡动引起的半频成分25Hz；出现动静件碰摩引起其他2倍、3倍等高倍频成分等。即使在稳定的工作转速下工作，其转速也并非严格固定不变，难以保证转速始终维持3000r/min不变。以上种种造成转子系统频率的变化和波动，因此就要求TMD系统的固有频率必须能够跟随转子系统频率的变化而相应进行调整，保持与转子系统振动频率相一致，这样才能避免减振效果因为发生失谐而急剧恶化。

现有TMD一般通过调整弹簧刚度或变化调谐质量来实现调整TMD固有频率。目前用于静止设备或结构的TMD变频装置有以下几种：机械移频式动力吸振器，通过电机驱动螺杆改变两弹性杆之间跨距从而改变调谐质量子系统的刚度，实现频率的变化，并申请专利（CN1978939A）；通过在弹簧端部设置刚度调节装置调节弹簧刚度实现TMD频率的调整，并申请专利（200810082654.8）；专利（CN201747858）中将多个质量铁块用螺栓连接，通过质量铁块数量的变化实现频率变化；由多套弹簧一质量块组成的敏感弹簧-质量系统，不同频率下相应的弹簧一质量响应，从而改变TMD频率，但目前的TMD变频装置大多在离散频率点上进行调整，无法实现频率的实时在线连续调控。

对于旋转机械中使用的TMD装置主要有以下几种：将TMD减振器应用于纺织机械高速卷绕机，并申请发明专利（CN202048137U），该减振器可以减少卷绕机运转时筒管的振动响应，但只对应工作转速下的频率有减振作用，不适应转子系统的频率变化；通过控制电磁力改变电磁悬浮动力吸振器的刚度从而改变其频率，以应对转子系统频率的变化来实现轴系纵向振动的控制，并申请专利（CN201078433Y）。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种旋转机械转子自适应连续移频调谐质量阻尼器，针对旋转机械转子工作过程中频率成分多样且特征主频的出现随机性较强等特点，通过在线实时连续调节刚度,使TMD子系统的频率始终与转子主系统频率保持一致，以满足目前旋转机械转子对多种频率成分振动期望形成连续实时抑振的需求。这种笼式结构调谐质量阻尼器具有减振效果明显、结构紧凑、所需安装空间小、可靠性高、刚度调整范围大等突出优点，可以克服TMD需要大刚度时难以使用弹簧的问题。