При балансировках роторов турбин Р-100 на заводском разгонно-балансировочном сооружении (РБС) на номинальной частоте вращения всегда наблюдался непрерывный рост оборотной вибрации, который препятствовал выполнению балансировки.

Это явление долгое время оставалось непонятным. Для его изучения было выполнено специальное исследование, в результате которого обнаружено явление неустойчивого теплового прогиба консольного участка ротора под действием некоторого начального дисбаланса.  

Вначале непосредственными измерениями было подтверждено появление прогиба. После достижения высокой вибрации на наиболее неблагоприятной частоте вращения (около 2500 об/мин) ротор быстро останавливали и измеряли бой консоли, при этом величина боя достигала 1 мм, через достаточное время этот бой исчезал.

Аналитические исследования выявили природу этого явления. Физический смысл неустойчивого теплового прогиба состоит в следующем. Под действием начального дисбаланса консольного участка возникает эксцентриситет оси соседней цапфы (шейки). Непосредственно за резонансом направление эксцентриситета направлено противоположно направлению дисбаланса в соответствии с известными свойствами колебаний упругомассивной системы. "Бьющая точка" поверхности цапфы нагревается относительно больше остальной поверхности, что приводит к тепловому прогибу консоли и увеличению ее дисбаланса. Процесс развивается во времени, и вибрация достигает весьма высоких значений. Получено качественное совпадение аналитических исследований и эксперимента. При аналитическом рассмотрении в линейной постановке вибрация в неустойчивой области растет неограниченно, практически за счет нелинейности она стабилизируется при достаточно высоких значениях. На рисунке представлены схема ротора и экспериментальные данные измерений относительного изменения боя цапфы и конца консольного участка в зависимости от частоты вращения.

В эксперименте собственная частота колебаний консоли составила 36,7 Гц, максимальные значения теплового прогиба обнаружены примерно при 44 Гц, на номинальной частоте вращения 50 Гц прогиб консольного участка также увеличивался более чем в 1,5 раза.

Выяснено, что существует достаточно узкая область за резонансом, где наблюдается явление неустойчивого прогиба, во всех остальных случаях тепловой прогиб имеет устойчивый характер, а его величины чаще всего относительно малы.

Значение этого исследования выходит далеко за пределы рассматриваемого эпизода. Выяснено, что все роторы в подшипниках скольжения, имеющие дисбаланс, в дополнение к упругому прогибу всегда приобретают тепловой прогиб. Это впоследствии нашло непосредственное экспериментальное подтверждение: при быстром изменении дисбаланса в плоскости муфты посредством опорожнения балансировочных ампул вибрация вначале сразу меняется на определенную величину, а затем в течение 15-30 мин плавно по экспоненте приходит к новому значению.

Существенный тепловой прогиб ротора в сечениях цапф зависит от формы и состояния расточки вкладыша подшипника. Опыт показывает, что при существенных отклонениях формы расточки, в частности при малых зазорах, по этой причине может возникнуть повышенная вибрация.

А.С.Гольдин