旋转失速、喘振

旋转失速是指由于气体介质的容积流量偏小，在离心式（及轴流式）压缩机的叶轮或扩压器流道中所发生的气流脉动现象。

当压缩机容积流量降低、偏离设计工况运行时，叶轮入口处气体的绝对速度就会降低，引起气体进入叶轮通道后的相对速度与设计工况不一致，产生偏离而冲向叶片工作面，原来在非工作面上就存在的气流脱离区因更缺乏主流的推动而扩大，形成涡流团而阻塞叶片间的气流通道。脱离团使流入该叶道的气体受阻，只能改变方向流入相邻的叶道。流入旋转方向前方叶道的气流冲向叶片非工作面，使原有脱离区消失；流向后方叶道的气流冲向工作面，使非工作面处的脱离区扩大成脱离团而阻塞叶道。这样，脱离团在叶轮中便产生了移动。脱离团的移动方向始终与叶轮旋转方向相反，但又随着叶轮一起转动，因此从绝对坐标系上来看，其旋转速度低于叶轮转速，所以称之为旋转失速，又称为旋转脱离。旋转失速现象实际上是喘振的前兆。

旋转失速既可以发生在某一级的某几个叶轮流道中，也可以同时发生在某几级的某几个流道中；既可以发生在旋转的叶轮中，也可以发生在固定元件、如扩压器中。显然，压缩机发生旋转失速时，气体的出口压力以及转子的振动会伴随着脱离强度的不同而产生程度不同的脉动。旋转失速所引起的振动为亚异步气流激振，其所产生的振动频率小于工频，叶轮失速的频率大约在0.5~0.8转速频率的范围内，扩压器失速的频率大约在0.1~0.25转速频率的范围内。

喘振是严重失速和管网相互作用的结果。当气体脱离团充满整个叶轮流道时，气体的流动状况极为恶劣，会造成压缩机的出口压力降低，此时管网的气体倒流入压缩机中，使流量短时得到满足，压力重新升高，流向管网。管网压力恢复后，压缩机的流量又再次减小，管网中的气体再次倒流。如此周而复始，压缩机与管网一起产生了周期性振荡现象，即为喘振。

喘振的特点十分明显，进口流量及出口压力发生大幅度波动、机组产生强烈的振动、伴有间歇性的气流吼叫声，生产企业时有发生，早已为人们所熟知。喘振的振动频率很低，大约为0.5~20Hz 。

20. 半速涡动、油膜振荡

半速涡动，即通常所说的油膜涡动。

油膜涡动是由径向滑动轴承油膜力所产生的一种涡动。当转子轴頸在动压滑动轴承中稳定运转时，轴承的油膜力R与载荷W相互平衡，转子轴心处于某一平衡位置O1。若转子受到扰动离开平衡位置移动到O2点，变化后的油膜力R′与载荷W的合力F不再为零、共线。合力F可分解成径向与切向上的二个分力，径向分力Fr与轴颈的位移方向相反，力图把轴颈推回到原平衡位置O1处，是一种弹性恢复力；而切向分力Fu与轴颈位移方向相垂直，它有推动轴颈绕平衡位置O1继续旋绕，即产生涡动的趋势，这种涡动就称为油膜涡动，Fu称涡动力。

如果轴颈受到的涡动力小于油膜阻尼力，则轴心涡动所形成的轴心轨迹是收敛的，涡动会减小；如果涡动力等于油膜阻尼力，则轴心轨迹不再扩大并成为封闭图形，涡动是稳定的；如果涡动力超过阻尼力，则轴心轨迹是发散的，涡动是不稳定的。涡动的转向与转子旋转方向相同时，为正进动；反之，为反进动。

理论推算表明，油膜涡动的旋转频率Ω等于转子旋转频率ω的一半，即Ω＝ω/2，因此油膜涡动理论上又称为半速涡动。实际中，油膜涡动的振动频率约为0.42~0.48转速频率，即Ω＝（0.42~0.48）ω，另据介绍也有个别大于0.5倍频的。

伴随着转子旋转频率ω（即转速n）的不断上升，油膜涡动的涡动频率Ω也不断上升，当转速n上升到转子第一临界转速 nk1的二倍附近时，也就是说当油膜涡动的频率等于转子轴承系统的固有频率时，即Ω＝ωk1时，转子轴承系统将发生强烈的共振，这就是所说的油膜振荡。油膜振荡发生后，即使转速继续上升，但涡动频率却不再按涡动比（Ω/ω）不变的规律上升，仍为ωk1 ，也就是紧紧地咬住转子的固有频率—第一临界转速—不再改变。

轴承的油膜可视为弹性体，具有一定的刚度和阻尼。油膜刚度系数为转子单位位移变化所引起的油膜力的变化，有四个刚度系数 Kxx=ΔFx/Δx, Kyx=ΔFy/Δx, Kyy=ΔFy/Δy, Kxy=ΔFx/Δy；油膜阻尼系数为转子单位速度变化所引起的油膜力的变化，也有四个阻尼系数 Cxx=ΔFx/Δvx, Cyx=ΔFy/Δvx, Cyy=ΔFy/Δvy, Cxy=ΔFx/Δvy。其中，系数中第一个下标表示力的方向，第二个下标表示位移或速度的方向。Kxx、Kyy称为径向刚度Kyx、Kxy称为交叉刚度，不难看出，交叉刚度是引起油膜涡动、乃至油膜振荡的根本原因。

油膜涡动及油膜振荡是一种自激振动，也就是说，维持振动的能量是由转子轴承系统（含润滑油）在自身旋转中产生的，它可以不断地提供极大的能量，而与外界无关。所以，油膜振荡还具有严重性、突发性、有时会发出间断吼叫声等特点。

对于大机组使用较多的可倾瓦轴承，理论计算表明，在忽略瓦块质量和支点摩擦力的情况下，可倾瓦轴承的交叉刚度为零，不可能产生油膜涡动及油膜振荡。因为其瓦块可以自由摇摆，油膜力能自动调整到通过轴心，从而与载荷共线，消除了切向油膜分力，从根本上铲除了涡动的推动力。但是，由于在实际使用中往往会出现某些与设计条件不符的情况，如支点有摩擦力、轴承紧力不当、润滑油粘度过大等等，所以可倾瓦轴承也有可能发生油膜振荡。至于其它类型的轴承，如圆筒瓦、椭圆瓦、多油楔、多油叶等轴承，只要是属于高速轻载，都有可能发生油膜涡动及油膜振荡。