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作者简介:

姚本春(1989-),男,讲师,博士,研究方向为井下工具设计和旋转机械动力学。E-mail:yaobenchun@163.com。

通信作者:

姚本春(1989-),男,讲师,博士,研究方向为井下工具设计和旋转机械动力学。E-mail:yaobenchun@163.com。

中图分类号:TE 921

文献标识码:A

文章编号:1673-5005(2024)02-0186-08

DOI:10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.021

参考文献 1
WANG J,FENG L,STEVE M,et al.China’s unconventional oil:a review of its resources and outlook for longterm production [J].Energy,2015,82:31-42.
参考文献 2
曲海乐,王智明,肖俊远.井下发电机涡轮研究概况 [J].现代制造技术与装备,2010(3):6-7,16.QU Haile,WANG Zhiming,XIAO Junyuan.Research overview of downhole generator turbine [J].Modern Manufacturing Technology and Equipment,2010(3):6-7,16.
参考文献 3
荆宝德,王智明,曲海乐,等.随钻测井用井下发电机系统的涡轮设计[J].光学精密工程,2012,20(3):616-624.JING Baode,WANG Zhiming,QU Haile,et al.Turbine design of downhole generator system for logging while drilling [J].Optical Precision Engineering,2012,20(3):616-624.
参考文献 4
AHMAD T J,ARSALAN M,BLACK M J,et al.Piezoelectric based flow power harvesting for downhole environment[R].SPE-176777-MS,2015.
参考文献 5
李方韬,薛启龙,王晋,等.钻井液固相对井下涡轮发电机性能影响[J].机械科学与技术,2021,40(2):193-197.LI Fangtao,XUE Qilong,WANG Jin,et al.Effect of drilling fluid solid phase on the performance of downhole turbine generator[J].Mechanical Science and Technology,2021,40(2):193-197.
参考文献 6
董子龙,董世民,具自强.螺杆泵采油杆柱受径向力激励的横向振动[J].中国石油大学学报(自然科学版),2023,47(1):156-163.DONG Zilong,DONG Shimin,JU Ziqiang.Transverse vibration driven by radial force of sucker rod string in screw pump production system[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2023,47(1):156-163.
参考文献 7
李中,王国荣,方达科,等.高产气井油管柱双重非线性流致振动模型研究[J].西南石油大学学报(自然科学版),2022,44(2):148-158.LI Zhong,WANG Guorong,FANG Dake,et al.Bi-nonlinear fluid-induced vibration model of tubing string in high-yield gas well[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition),2022,44(2):148-158.
参考文献 8
兰凯,刘香峰.钻柱恶性振动识别与抑制技术研究进展[J].吉林大学学报(地球科学版),2017,49(1):203-214.LAN Kai,LIU Xiangfeng.Research progress in identification and suppression of malignant vibration of drill string[J].Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2017,49(1):203-214.
参考文献 9
YAN W,HE L,ZHU G,et al.Experimental study on vibration suppression in a rotor system under base excitation using an integral squeeze film damper [J].High Technology Letters,2020,26(4):349-359.
参考文献 10
CHEN X,GAN X,REN G.Dynamic modeling and nonlinear analysis of a rotor system supported by squeeze film damper with variable static eccentricity under aircraft turning maneuver[J].Journal of Sound and Vibration,2020,485:11551.
参考文献 11
SONI T,DAS A S,DUTT J K.Active vibration control of ship mounted flexible rotor-shaft-bearing system during seakeeping [J].Journal of Sound and Vibration,2019,467:115046.
参考文献 12
ERTAS B,CERNY V,KIM J,et al.Stabilizing a 46 MW multistage utility steam turbine using integral squeeze film bearing support dampers [J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power:Transactions of the ASME,2015,137:052506.
参考文献 13
李典来,姚垒,余磊,等.挤压油膜阻尼器及其在船用汽轮机上的应用展望[J].机电设备,2019,36(3):1-5,13.LI Dianlai,YAO Lei,YU Lei,et al.Squeeze film damper and its application prospect in marine steam turbine[J].Electromechanical Equipment,2019,36(3):1-5,13.
参考文献 14
陈会征,陈予恕.航空发动机转子一种振动跳跃问题及其工程控制的分岔分析[J].航空动力学报,2013,28(12):2781-2789.CHEN Huizheng,CHEN Yushu.A vibration jump problem of aeroengine rotor and bifurcation analysis of its engineering control[J].Journal of Aerodynamics,2013,28(12):2781-2789.
参考文献 15
马艳红,陆宏伟,朱海雄,等.弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证[J].航空学报,2013,34(6):1301-1308.MA Yanhong,LU Hongwei,ZHU Haixiong,et al.Stiffness design and test verification of elastic ring metal rubber support structure[J].Journal of Aeronautics,2013,34(6):1301-1308.
参考文献 16
陈钊,何立东,路凯华.挤压油膜阻尼器非线性振动机理及结构创新综述[J].机电工程,2019,36(4):343-351.CHEN Zhao,HE Lidong,LU Kaihua.Overview of nonlinear vibration mechanism and structural innovation of squeeze film damper [J].Electromechanical Engineering,2019,36(4):343-351.
参考文献 17
万方腾,何立东,李志炜,等.整体式挤压油膜阻尼器抑制转子不平衡振动研究[J].化学工程与装备,2019(8):1-4,43.WAN Fangteng,HE Lidong,LI Zhiwei,et al.Study on suppression of rotor unbalance vibration by integral squeeze film damper[J].Chemical Engineering and Equipment,2019(8):1-4,43.
参考文献 18
万方腾,何立东,范文强,等.整体式挤压油膜阻尼器减振双盘悬臂转子系统研究[J].机电工程,2019,36(12):1266-1270,1281.WAN Fangteng,HE Lidong,FAN Wenqiang,et al.Research on vibration reduction double disk cantilever rotor system with integral squeeze film damper[J].Electromechanical Engineering,2019,36(12):1266-1270,1281.
参考文献 19
YAO B,TIAN Z,ZHAN X,et al.Study on rotor-bearing system vibration of downhole turbine generator under drill-string excitation[J].Energies,2024,17:1176.
参考文献 20
路凯华,何立东,闫伟,等.整体式挤压油膜阻尼器在齿轮箱中的应用[J].振动、测试与诊断,2020,40(4):765-775.LU Kaihua,HE Lidong,YAN Wei,et al.Application of integral squeeze film damper in gearbox[J].Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis,2020,40(4):765-775.
参考文献 21
崔颖,王清智,王永亮,等.非同心型挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(7):978-984.CUI Ying,WANG Qingzhi,WANG Yongliang,et al.Numerical simulation on cavitatin flow field characteristics of nonconcentric squeeze film damper[J].Journal of Harbin Engineering University,2020,41(7):978-984.
参考文献 22
刘海洋,马佳,王森,等.特斯拉阀单向导通性研究 [J].物理与工程,2020,30(1):120-124.LIU Haiyang,MA Jia,WANG Sen,et al.Study on one-way conductivity of Tesla valve [J].Physics and Engineering,2020,30(1):120-124.
参考文献 23
周润中,乔宇杰,张钰翔,等.特斯拉阀性能的仿真研究[J].物理实验,2020,40(9):44-50.ZHOU Runzhong,QIAO Yujie,ZHANG Yuxiang,et al.Simulation study on performance of Tesla valve[J].Physical Experiment,2020,40(9):44-50.
参考文献 24
任璞,龙威.特斯拉阀流场特性及空化形成机理数值分析[J].西南大学学报(自然科学版),2021,43(8):161-166.REN Pu,LONG Wei.Numerical analysis of flow field characteristics and cavitation formation mechanism of Tesla valve[J].Journal of Southwest University(Natural Science Edition),2021,43(8):161-166.
参考文献 25
崔颖,李婷,江齐,等.基于两相流模型的挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟[J].航空动力学报,2019,34(8):1781-1787.CUI Ying,LI Ting,JIANG Qi,et al.Numerical simulation of cavitation flow field characteristics of squeeze film damper based on two-phase flow model[J].Journal of Aerodynamics,2019,34(8):1781-1787.
参考文献 26
张力豪,何立东,陈钊,等.整体式弹性环挤压油膜阻尼器结构设计与转子过临界实验研究[J].振动与冲击,2019,38(18):72-78,108.ZHANG Lihao,HE Lidong,CHEN Zhao,et al.Structural design of integral elastic ring squeeze film damper and experimental study on rotor supercritical[J].Vibration and Impact,2019,38(18):72-78,108.
参考文献 27
BRIEND Y,DAKEL M,CHATELET E,et al.Effect of multi-frequency parametric excitations on the dynamics of on-board rotor-bearing systems [J].Mechanism and Machine Theory,2020,145:103660.
参考文献 28
李思琪,田胜雷,李丽,等.简谐振动冲击钻井技术破岩机制及钻进效果[J].中国石油大学学报(自然科学版),2021,45(4):67-73.LI Siqi,TIAN Shenglei,LI Li,et al.Rock fragmentation mechanism and drilling performance of harmonic vibration-impact drilling technique[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2021,45(4):67-73.
目录contents

    摘要

    提出一种新型阻尼器以减小基础激励下发电机的轴承力,该阻尼器由周向油膜的挤压效应与端面节流流道的节流效应协同产生阻尼,端面节流流道采用特斯拉阀结构,具有一定单向导通性,既可产生正向阻尼,又可减小油液反流阻力,缓解油膜空化问题;采用内置密封储油腔,整体结构紧凑。对阻尼器结构进行设计,采用数值方法研究阻尼特性及减振性能。结果表明:阻尼系数总体上具有一定非线性,但在低速低频区具有良好的线性度;阻尼器显著减小基础摆动产生的惯性载荷,与未安装阻尼器的对照组相比,径向轴承力下降至 53. 51%,支撑刚性下降至 0. 038 倍,轴系径向振动位移和速度增长至 14. 63 倍,但二者之积仍小于 1,说明支撑刚性下降导致的轴系振动位移增长趋势被抑制,轴系得以有效减振。

    Abstract

    A new type of damper was proposed to reduce the bearing force of the generator under the basic excitation, in which the damping is generated by the squeeze film effect of the circumferential oil film and the throttling effect of the end throttling flow channel. The end throttling flow channel adopted the Tesla valve structure, which has a certain one-way conductivity. It can not only generate forward flow damping, but also reduce the oil reflux resistance and alleviate the cavitation of oil film. Meanwhile, the damper employed a built-in sealed oil storage chamber, and made the overall structure compact. A damper model was designed and numerical simulation was carried out to study the damping characteristics and the vibration reduction performance. It shows that the damping coefficient is generally nonlinear, but the damping force has good linearity in the low speed and low frequency region. The damper significantly reduces the inertial load generated by the base swing. Compared with the control group without the damper, the radial bearing force decreases to 53. 51 %, the support stiffness decreases to 0. 038 times, and the radial vibration displacement and speed of the shafting increase to 14. 63 times. However,the product of the two is still less than 1, indicating that the growth trend of the shafting vibration displacement caused by the decrease of the support stiffness is suppressed, and the shafting can be effectively reduced.

  • 中国浅层油气资源开发水平逼近峰值[1],而深层油气资源的开发对先进的井下钻井、采油和测量等用电设备的依赖性很强。井下涡轮发电机是安装在钻具内,通过流体冲击涡轮转动、进而驱动发电机发电的能量转换装备[2-5],在深层油气资源开发中发挥重要的井下原位供电作用。然而井下涡轮发电机的寿命与井下供电需求间存在较大矛盾。井下工具往往工作于高振动性环境[6-7],井下涡轮发电机的轴承-转子系统(简称轴系)在井下复杂的水力激励、基础激励的作用下,产生复杂的振动行为,轴承也由此产生动载荷[8],引发了发电机的寿命问题。目前井下涡轮发电机轴系振动调控方法主要是采用磁力耦合体对外部激励进行隔离,这些措施对阻隔涡轮上的水力激励有一定作用,但对基础激励的作用有限。挤压油膜阻尼器( squeeze film damper,SFD)能有效降低基础激励引起的旋转机械轴系振动[9],在航空发动机[10]、船舶[11]、燃气轮机[12] 等减振领域已取得了良好的应用效果,在井下涡轮发电机轴系减振方面具有较大的应用潜力。 SFD 结构已发展出多种类型,如多孔挤压油膜阻尼器(PSFD)、动静压挤压油膜阻尼器(HSFD)、弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ ER)、整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)等。 PSFD 与传统 SFD 区别在于其外环为多孔结构,以渗透滑油来改善阻尼器在大偏心率时的非线性特性; HSFD 将双承载区结构的周向供油槽划分为若干独立油腔[13-14],可通过油槽中的节流阀显著改善油膜力的高度非线性特性。马艳红等[15] 设计研究弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ ER),弹性环结构提供主要支撑刚度,金属橡胶提供小部分刚度和全部阻尼,用以吸收转子系统振动能量。陈钊等[16] 和万方腾等[17-18]进行 ISFD 对转子系统不平衡振动的研究,结果表明转子系统不平衡响应大小和转子系统模态刚度与 ISFD 支承刚度的比值有关,且低刚度 ISFD 减振效果更有效。然而 SFD 小型化及其在小型旋转机械轴系减振方面的应用、油膜非线性和油膜空化依然是待解决的难题。针对井下涡轮发电机轴系减振,笔者提出一种新型 SFD [19],通过巧妙设计内部流道结构,减轻油膜的空化现象,使得油膜实现大范围振动调控作用,且整体结构依然紧凑。采用 CFD 方法研究 SFD 的阻尼特性,建立数值模型分析阻尼器对井下涡轮发电机轴系的减振效果。

  • 1 SFD 结构设计

  • 井下涡轮发电机机体外径受到工具外部尺寸的限制,转子结构需设计为细长杆状(图1( a)),其简化的动力学结构见图1(b)。

  • 图1 井下涡轮发电机结构及简化动力学结构

  • Fig.1 Schematic diagram of downhole alternator and simplified dynamic structure

  • 常规 SFD 是利用流体在两个相对运动平行板之间的流动阻滞效应形成阻尼的轴系支承装置,能有效抑制机械的旋转振动,提高其性能和工作可靠性,其阻尼产生机制可用图2 阐明。动板接近静板时驱动油液(此处的“油液”是对一般黏性工作介质的泛称)流动,根据黏性流体层流理论可知,动板受到的反力 Frδ˙/δ3。该关系式说明常规 SFD 存在以下问题:①油膜产生的阻尼力不仅与动板运动速度δ˙呈线性关系,还与两板间距 δ 的三次方成反比关系,导致油膜里高度非线性,使得转子振动行为复杂化; ②为了得到强化的挤压油膜效应,δ 需取小量,导致动板振幅增大后,SFD 调控能力迅速下降[20]; ③油膜在高频振动的扩张阶段会受到因 δ 取小量而产生的较大的吸油摩阻,这是油膜空化现象的根源[21],为了维持油膜阻尼性能,SFD 常与一套高压供油装置配合工作,整体尺寸大,应用复杂。

  • 解决问题①和②方法是改变 SFD 的阻尼产生机制,解决问题③的方法是设计正反向流动异性的流动通道。本文中提出的 SFD 结构主要由改良的 ISFD 和配油结构复合而成(以下简称 TSFD),其整体结构见图3。 TSFD 的阻尼由周向油膜的挤压油膜效应和节流流道的节流效应协同产生。内置 ISFD 的周向油膜由若干独立子油膜组成,相邻子油膜之间用 S 形弹簧分隔。配油盘一侧铣出若干组沟槽,与密封垫配合形成若干个节流流道和一个储油腔。

  • 图2 SFD 阻尼产生机制

  • Fig.2 Damping generation mechanism for conventional SFD

  • 图3 TSFD 整体结构构思

  • Fig.3 General formulation of TSFD

  • 节流流道的构想来源于特斯拉阀[22-24],该结构的正向流动和反向流动阻力差异悬殊,该特性被称为单向导通性。节流流道顶部通过弧形过油孔与周向油膜连通,周向油膜受压时,油液正向流动,流动路径是周向油膜→过油孔→节流流道→储油腔,周向油膜扩张时,油液反向流动。油液正向流动时,流道结构对油液产生显著摩阻; 油液反向流动时,油液流动顺畅,受到的阻滞小于正向流动。 TSFD 在油膜挤压阶段的节流阻尼主要取材于油液正向流动摩阻,由于 TSFD 减轻了对周向挤压油膜阻尼的依赖,在不牺牲阻尼特性的前提下可采用更厚的周向油膜,因此 SFD 可在更大的振幅范围内发挥减振作用,由此解决问题①和②。油液反向流动的低阻滞特性有助于缓解油膜在扩张过程中的空化现象,增强油膜稳定性,由此解决问题③。较低的吸油摩阻还使得周向油膜可依靠自吸作用从储油腔吸入油液,从而省去高压供油装置,为 TSFD 的小型化设计提供了可能。

  • 内置 ISFD 的内环与轴承的外圈配合,轴系的振动位移传递到 TSFD 的动环。动环与套筒、配油盘之间的轴向接触面精密加工,形成低摩擦滑动副,周向油膜泄漏出的少量油液可润滑摩擦副,泄漏出的油液被两个弹性橡胶瓣膜收集,通过内环上的轴向回油孔和配油盘上的回油孔流入储油腔。因此 TSFD 中的油液在组件内部实现了自循环,不会泄漏到外部环境中。

  • 井下涡轮发电机的尺寸对 TSFD 的结构参数引入了几何约束。结合 TSFD 的整体构想,针对适用于 174.63 mm 电机设计 TSFD 数字样机及其轴系动力学结构(图4)。数字样机的外径为 55 mm,高度为 20 mm,轴承孔直径为 30 mm,周向油膜厚度为 1 mm,节流流道沟槽宽度、深度均为 1 mm。 TSFD 与轴承、工具壳体之间的装配关系见文献[20]

  • 图4 TSFD 数字样机及 TSFD 调控下的轴系动力学结构

  • Fig.4 TSFD prototype and dynamic structure of rotor-bearing system with TSFD

  • 2 TSFD 阻尼特性

  • 基于特斯拉阀的节流流道是 TSFD 引入的新结构,其中的介质流动特性是 TSFD 发挥功能的关键。

  • 2.1 节流流道的流动特性

  • 根据 TSFD 的结构紧凑性要求,设计了如图5 所示的小尺度节流流道几何模型。节流流道的单向导通性可用单向导通率 D = pf / pr 进行表征,其中 pf 为正向流动的压力差; pr 为反向流动时的压力差。深井和超深井中温度高(最高超过 150℃)且变化范围宽,绝大多数工作介质在此温度下黏度都远低于室温,TSFD 的工作介质应根据实际井温进行选配。值得注意的是,节流流道中的流动动力学特性仅与流动雷诺数相关,与介质的化学成分无关,为适应高温井况,选择黏度较低的 L-HL10 工业液压油(其 40℃ 时的运动黏度中心值 ν40 = 10. 0 mm 2 / s)作为参考工作介质研究 40℃ 时节流流道流动特性。

  • 图5 节流流道几何结构与尺寸

  • Fig.5 Geometry and dimensions of throttling passage

  • 采用四面体非结构化网格对流域进行剖分,共约 80 万网格单元。进口速度 vin 均匀恒定且 |vin| = 3.5 m / s,方向垂直于边界; 出口边界设为标准大气压条件; 其他壁面设为无滑移条件,利用 Fluent 软件对节流流道中的流动进行数值模拟。计算得沿厚度方向的中间剖面上压力分布如图6 所示,正、反向流动的进出口压力差存在差异,此时 D= 1.34,且 pr 接近空化临界值 0. 04 MPa [25],说明所提出的节流流道在工作介质无空化的前提下具有良好的单向导通性。

  • 图6 中间剖面上压力分布

  • Fig.6 Pressure distribution at middle section

  • 2.2 TSFD 的整体阻尼特性

  • TSFD 的整体阻尼特性可用动板运动时受到的介质反力和运动速度进行综合表征。从 TSFD 中提取的完整流体域如图7(a)所示,为提高计算效率,选图7(b)所示的 1 / 6 油膜模型为研究对象,静板与动板之间所夹空间承载周向油膜,其余为端面油膜和储油腔的一部分。对端面油膜和周向油膜结构进行简化,忽略储油腔中不同油膜间的流动干扰。由于动板按照给定的规律产生刚性运动,导致流域几何尺寸发生改变,为此采用 Fluent 软件中的动网格技术实时更新计算网格。

  • 图7 TSFD 流体域几何模型

  • Fig.7 Fluid domain geometry model of TSFD

  • 由于 TSFD 用于调控轴系振动,考察动板简谐振动时的阻尼特性。令动板的运动类型为径向余弦简谐运动,振速 v = Acos(2πft),其中 A 为动板振速幅值,f 为动板振动频率,并令动板的初始位移为零。根据张力豪等[26]的转子径向振动速度范围,幅值 A 在[0.2,30](单位为 mm / s)内取值,f 在[12.5,200](单位为 Hz)区间内取值,在(Af)张成的参数空间中选取若干离散点,进行 TSFD 的阻尼特性计算。

  • 不同算例对应的 Af 不同,动板的运动情况各异,为便于不同参数计算结果之间的比较,取动板处于零位移时监测动板受到的瞬时径向力( 记为 F)。动板正(负)向振动速度在此处也取最大值,记两种情况下径向力分别为 F1 和-F2。根据几何关系,可得 TSFD 内圈总的受力 p = 2( F1 + F2); 再根据经典阻尼系数 C 的定义 p = CV 得,C = p / V

  • 变参数计算结果如图8 所示。总体上看,CA 呈正相关关系,与 f 的关系较复杂,体现了 TSFD 阻尼力的非线性。当节流流道未表现单向导通性时(黏性主导流动),TSFD 的阻尼由挤压油膜效应和节流流道的节流效应协同产生,动板振动频率越高,整体流动变化越快,惯性力表现越显著,油液的运动阻力随之上升,因此当 A 较小时,Cf 的增加缓慢增加。在高振速条件下,TSFD 的阻尼主要由节流效应产生,流动已由惯性力主导,动板运动行程随 f 的增高而下降,参与流动的流体区域变小,引起阻尼作用下降,因此当 A 较大时,C 在低频区随 f 的增加较快,而在高频区其随 f 的增加较慢。

  • 实际应用中,井下涡轮发电机轴系振动速度往往较低,因此图8 中的曲线簇的左侧部分有工程实用价值。在该区域 Cf 近似呈线性关系,且曲线斜率较低,表明 TSFD 产生的阻尼力将具有良好的线性度,该特性可避免常规 SFD 作用时由强非线性阻尼力诱发的双稳态跳跃问题。

  • 图8 TSFD 阻尼系数与速度幅值和频率的关系

  • Fig.8 Relationship between TSFD damping coefficient and velocity amplitude and frequency

  • 3 TSFD 轴系减振性能

  • 建立轴系动力学模型,采用数值方法研究 TSFD 对井下涡轮发电机轴系的减振性能。根据图4(b),忽略发电机的电磁力和涡轮的水力激励,将发电机转子简化为阶梯转轴,建立如图9 所示的轴系动力学简化模型。采用十二自由度铁木申科梁单元对轴系进行离散,得到五节点四单元数值计算模型,其中,滚动轴承分别安装在节点③和节点⑤处,忽略轴承阻尼,将其简化为弹簧元件。 TSFD 安装于节点⑤ 处,用弹簧-阻尼元件进行表征。此处的横向振动刚度为原轴承刚度和 TSFD 径向刚度的合成,为两弹簧元件串联后与阻尼元件并联。根据 Briend [27] 等论文中的理论,建立拉格朗日动力学框架下的离散系统动力学方程:

  • Mr(t)δ¨r+Cr(t)δ˙r+Kr(t)δr=Fr(t).
    (1)
  • 式中,MrtCrtKrt分别为轴系的质量、阻尼和刚度矩阵; δ¨rδ˙rδr 分别为节点的加速度、速度和位移列阵; Frt)为轴系的外力项,这里包括重力、轴承力和 TSFD 产生的力。

  • 假定 TSFD 的刚度和阻尼各项同性,其径向刚度取为 2.277×10 6 N/ m,阻尼由图8 中的计算结果通过插值得到。轴承采用线性轴承模型,前轴承和后轴承的径向刚度 kbe1kbe2 分别取为 9. 0×10 7N/ m、 6. 0×10 7N/ m。转轴单元 1、2 的截面积 Sesh1 = Sesh2 = 3.14×10-4 m 2; 惯性矩 Ieshix = Ieshiz = 7.85×10-9 m 4i = 1,2); 长度 l esh1 = l esh2 = 0. 055 m。转轴单元 3、4 的截面积 Sesh3 = Sesh4 = 7.24×10-5 m 2; 惯性矩 Ieshix = Ieshiz = 4.10×10-10 m 4i = 3,4); 长度 l esh3 = l esh4 = 0.11 m。各单元的密度 ρeshi = 7.85×10 3 kg / m 3,弹性模量 Eeshi = 210 GPa,泊松比 veshi = 0.31,剪切弹性模量 Geshi = 80.15 GPa,截面平均剪切修正系数 keshix = keshiz = 0.9(i = 1,2,3,4)。钻杆引起的工具壳体振动含有丰富的频率成分[28],其真实振动形式十分复杂。考虑到 TSFD 对基础振动的调控效能,采用简单的转轴运动形式,令基础的运动为绕 O 点的定点摆动,摆动角为 α = 0.1sin(25πt),角速度方向沿 z 轴正向; 转轴的自旋速度设定为 3 000 r/ min。以节点⑤ 处无 TSFD 的情况作为对照组,基础的支撑刚性远比 TSFD 大,因此将对照组称为“刚性支撑”组。采用纽马克数值积分方法求解轴系在两种情况下的横向振动响应。

  • 图9 TSFD 调控下的轴系动力学模型

  • Fig.9 Numerical model of rotor-bearing system under TSFD regulation

  • 节点⑤处的振动速度和振动位移显著上升(图10)。与刚性支撑的对照组相比,节点⑤的 x 向振动速度增长至 14.63 倍,给 TSFD 充分发挥阻尼效应奠定了基础。 TSFD 减振组的振动位移与振动速度增长倍数相等,支撑刚度下降至 0. 038 倍,不过二者之积为 0.56(小于 1),这意味着 TSFD 抑制了支撑刚性下降导致的振动位移增长趋势。虽然轴系旋转振动振幅被放大,但在当前条件下,其振幅依然在 1 μm 量级,而发电机径向气隙约 1 mm,因此 TSFD 的引入对发电机定子和转子碰摩故障的促进作用十分有限。

  • 图10 节点⑤x 向振动位移和振动速度

  • Fig.10 Vibration displacement and vibration velocity at node 5 in x direction

  • 节点⑤横向振动轴承力的计算结果见图11。图11(a)显示,TSFD 对减小节点⑤处的 x 方向轴承力有显著作用,力幅值下降至 53.51%,该方向轴承力来源于基础摆动产生的惯性载荷。

  • 图11 节点⑤横向振动轴承力

  • Fig.11 Bearing force at node ⑤

  • 图11( b)两条曲线基本重合,说明 TSFD 对节点⑤处的 z 向轴承力的影响较小。z 向轴承力来源于转轴自旋而产生的陀螺力,在式(1)中转轴的自旋在 Crt)中贡献了对角元为零的反对称陀螺阻尼阵。各向同性的 TSFD 所产生的阻尼效应可等效为在 Crt)中附加一个对角阵,由此可见,TSFD 并未对陀螺作用引起的轴承反力产生直接调控作用。事实上 z 向轴承力产生的根源是科里奥利力,其主要取决于转轴的自旋速度和基础的运动速度,而在上述两个算例计算中,上面两个物理量保持一致,这就是 z 向轴承力几乎不受 TSFD 影响的原因。在 x z两个方向轴承力的差异说明,TSFD 仅在基础运动产生的惯性力激励方面发挥有效的减振作用。若减小陀螺效应引起的轴承反力,可取的方法是减小发电机的工作转速、减小转轴的转动惯量等,例如采用无槽绕组设计轻量化的发电机转子。

  • 注意到 x 向轴承力比 z 向轴承力大近一个数量级,所以 TSFD 显著减小了总轴承力。节点③处轴承的结构尺寸比节点⑤处的轴承大,节点⑤处安装的轴承是发电机轴系的薄弱环节,可以推断,在节点 ⑤处安装的 TSFD 对提高井下涡轮发电机整机的寿命大有裨益。

  • 4 结论

  • (1)提出新型挤压油膜阻尼器 TSFD,通过在结构上引入特斯拉阀结构的节流流道,可降低油膜非线性、降低行程敏感度以及降低吸油摩阻,TSFD 整体结构紧凑,无需高压供油装置,适用于井下涡轮发电机轴系减振。

  • (2)TSFD 在振动频率保持不变的情况下,其阻尼系数随振速幅值的增加而增加,在低频区,阻尼系数随振速的增加较快; 在高频区,阻尼系数随振速的增加增长较慢; 在低频低速工作段,TSFD 产生的阻尼力具有良好的线性度。

  • (3)TSFD 具有良好的减振性能,其减振机制是通过抑制基础激励惯性力引起的轴承力,但陀螺效应产生的轴承力几乎不受 TSFD 影响。与未安装 TSFD 的对照组相比,径向轴承力下降至 53.51%; 支撑刚度下降至 0. 038 倍,同时,轴系振动位移和速度放大至 14.63 倍,二者之积为 0.56,仍小于 1。因此 TSFD 抑制了支撑刚性下降导致的轴系振动位移增长趋势,TSFD 实现对轴系的有效减振。

  • 参考文献

    • [1] WANG J,FENG L,STEVE M,et al.China’s unconventional oil:a review of its resources and outlook for longterm production [J].Energy,2015,82:31-42.

    • [2] 曲海乐,王智明,肖俊远.井下发电机涡轮研究概况 [J].现代制造技术与装备,2010(3):6-7,16.QU Haile,WANG Zhiming,XIAO Junyuan.Research overview of downhole generator turbine [J].Modern Manufacturing Technology and Equipment,2010(3):6-7,16.

    • [3] 荆宝德,王智明,曲海乐,等.随钻测井用井下发电机系统的涡轮设计[J].光学精密工程,2012,20(3):616-624.JING Baode,WANG Zhiming,QU Haile,et al.Turbine design of downhole generator system for logging while drilling [J].Optical Precision Engineering,2012,20(3):616-624.

    • [4] AHMAD T J,ARSALAN M,BLACK M J,et al.Piezoelectric based flow power harvesting for downhole environment[R].SPE-176777-MS,2015.

    • [5] 李方韬,薛启龙,王晋,等.钻井液固相对井下涡轮发电机性能影响[J].机械科学与技术,2021,40(2):193-197.LI Fangtao,XUE Qilong,WANG Jin,et al.Effect of drilling fluid solid phase on the performance of downhole turbine generator[J].Mechanical Science and Technology,2021,40(2):193-197.

    • [6] 董子龙,董世民,具自强.螺杆泵采油杆柱受径向力激励的横向振动[J].中国石油大学学报(自然科学版),2023,47(1):156-163.DONG Zilong,DONG Shimin,JU Ziqiang.Transverse vibration driven by radial force of sucker rod string in screw pump production system[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2023,47(1):156-163.

    • [7] 李中,王国荣,方达科,等.高产气井油管柱双重非线性流致振动模型研究[J].西南石油大学学报(自然科学版),2022,44(2):148-158.LI Zhong,WANG Guorong,FANG Dake,et al.Bi-nonlinear fluid-induced vibration model of tubing string in high-yield gas well[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition),2022,44(2):148-158.

    • [8] 兰凯,刘香峰.钻柱恶性振动识别与抑制技术研究进展[J].吉林大学学报(地球科学版),2017,49(1):203-214.LAN Kai,LIU Xiangfeng.Research progress in identification and suppression of malignant vibration of drill string[J].Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2017,49(1):203-214.

    • [9] YAN W,HE L,ZHU G,et al.Experimental study on vibration suppression in a rotor system under base excitation using an integral squeeze film damper [J].High Technology Letters,2020,26(4):349-359.

    • [10] CHEN X,GAN X,REN G.Dynamic modeling and nonlinear analysis of a rotor system supported by squeeze film damper with variable static eccentricity under aircraft turning maneuver[J].Journal of Sound and Vibration,2020,485:11551.

    • [11] SONI T,DAS A S,DUTT J K.Active vibration control of ship mounted flexible rotor-shaft-bearing system during seakeeping [J].Journal of Sound and Vibration,2019,467:115046.

    • [12] ERTAS B,CERNY V,KIM J,et al.Stabilizing a 46 MW multistage utility steam turbine using integral squeeze film bearing support dampers [J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power:Transactions of the ASME,2015,137:052506.

    • [13] 李典来,姚垒,余磊,等.挤压油膜阻尼器及其在船用汽轮机上的应用展望[J].机电设备,2019,36(3):1-5,13.LI Dianlai,YAO Lei,YU Lei,et al.Squeeze film damper and its application prospect in marine steam turbine[J].Electromechanical Equipment,2019,36(3):1-5,13.

    • [14] 陈会征,陈予恕.航空发动机转子一种振动跳跃问题及其工程控制的分岔分析[J].航空动力学报,2013,28(12):2781-2789.CHEN Huizheng,CHEN Yushu.A vibration jump problem of aeroengine rotor and bifurcation analysis of its engineering control[J].Journal of Aerodynamics,2013,28(12):2781-2789.

    • [15] 马艳红,陆宏伟,朱海雄,等.弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证[J].航空学报,2013,34(6):1301-1308.MA Yanhong,LU Hongwei,ZHU Haixiong,et al.Stiffness design and test verification of elastic ring metal rubber support structure[J].Journal of Aeronautics,2013,34(6):1301-1308.

    • [16] 陈钊,何立东,路凯华.挤压油膜阻尼器非线性振动机理及结构创新综述[J].机电工程,2019,36(4):343-351.CHEN Zhao,HE Lidong,LU Kaihua.Overview of nonlinear vibration mechanism and structural innovation of squeeze film damper [J].Electromechanical Engineering,2019,36(4):343-351.

    • [17] 万方腾,何立东,李志炜,等.整体式挤压油膜阻尼器抑制转子不平衡振动研究[J].化学工程与装备,2019(8):1-4,43.WAN Fangteng,HE Lidong,LI Zhiwei,et al.Study on suppression of rotor unbalance vibration by integral squeeze film damper[J].Chemical Engineering and Equipment,2019(8):1-4,43.

    • [18] 万方腾,何立东,范文强,等.整体式挤压油膜阻尼器减振双盘悬臂转子系统研究[J].机电工程,2019,36(12):1266-1270,1281.WAN Fangteng,HE Lidong,FAN Wenqiang,et al.Research on vibration reduction double disk cantilever rotor system with integral squeeze film damper[J].Electromechanical Engineering,2019,36(12):1266-1270,1281.

    • [19] YAO B,TIAN Z,ZHAN X,et al.Study on rotor-bearing system vibration of downhole turbine generator under drill-string excitation[J].Energies,2024,17:1176.

    • [20] 路凯华,何立东,闫伟,等.整体式挤压油膜阻尼器在齿轮箱中的应用[J].振动、测试与诊断,2020,40(4):765-775.LU Kaihua,HE Lidong,YAN Wei,et al.Application of integral squeeze film damper in gearbox[J].Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis,2020,40(4):765-775.

    • [21] 崔颖,王清智,王永亮,等.非同心型挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(7):978-984.CUI Ying,WANG Qingzhi,WANG Yongliang,et al.Numerical simulation on cavitatin flow field characteristics of nonconcentric squeeze film damper[J].Journal of Harbin Engineering University,2020,41(7):978-984.

    • [22] 刘海洋,马佳,王森,等.特斯拉阀单向导通性研究 [J].物理与工程,2020,30(1):120-124.LIU Haiyang,MA Jia,WANG Sen,et al.Study on one-way conductivity of Tesla valve [J].Physics and Engineering,2020,30(1):120-124.

    • [23] 周润中,乔宇杰,张钰翔,等.特斯拉阀性能的仿真研究[J].物理实验,2020,40(9):44-50.ZHOU Runzhong,QIAO Yujie,ZHANG Yuxiang,et al.Simulation study on performance of Tesla valve[J].Physical Experiment,2020,40(9):44-50.

    • [24] 任璞,龙威.特斯拉阀流场特性及空化形成机理数值分析[J].西南大学学报(自然科学版),2021,43(8):161-166.REN Pu,LONG Wei.Numerical analysis of flow field characteristics and cavitation formation mechanism of Tesla valve[J].Journal of Southwest University(Natural Science Edition),2021,43(8):161-166.

    • [25] 崔颖,李婷,江齐,等.基于两相流模型的挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟[J].航空动力学报,2019,34(8):1781-1787.CUI Ying,LI Ting,JIANG Qi,et al.Numerical simulation of cavitation flow field characteristics of squeeze film damper based on two-phase flow model[J].Journal of Aerodynamics,2019,34(8):1781-1787.

    • [26] 张力豪,何立东,陈钊,等.整体式弹性环挤压油膜阻尼器结构设计与转子过临界实验研究[J].振动与冲击,2019,38(18):72-78,108.ZHANG Lihao,HE Lidong,CHEN Zhao,et al.Structural design of integral elastic ring squeeze film damper and experimental study on rotor supercritical[J].Vibration and Impact,2019,38(18):72-78,108.

    • [27] BRIEND Y,DAKEL M,CHATELET E,et al.Effect of multi-frequency parametric excitations on the dynamics of on-board rotor-bearing systems [J].Mechanism and Machine Theory,2020,145:103660.

    • [28] 李思琪,田胜雷,李丽,等.简谐振动冲击钻井技术破岩机制及钻进效果[J].中国石油大学学报(自然科学版),2021,45(4):67-73.LI Siqi,TIAN Shenglei,LI Li,et al.Rock fragmentation mechanism and drilling performance of harmonic vibration-impact drilling technique[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2021,45(4):67-73.

  • 参考文献

    • [1] WANG J,FENG L,STEVE M,et al.China’s unconventional oil:a review of its resources and outlook for longterm production [J].Energy,2015,82:31-42.

    • [2] 曲海乐,王智明,肖俊远.井下发电机涡轮研究概况 [J].现代制造技术与装备,2010(3):6-7,16.QU Haile,WANG Zhiming,XIAO Junyuan.Research overview of downhole generator turbine [J].Modern Manufacturing Technology and Equipment,2010(3):6-7,16.

    • [3] 荆宝德,王智明,曲海乐,等.随钻测井用井下发电机系统的涡轮设计[J].光学精密工程,2012,20(3):616-624.JING Baode,WANG Zhiming,QU Haile,et al.Turbine design of downhole generator system for logging while drilling [J].Optical Precision Engineering,2012,20(3):616-624.

    • [4] AHMAD T J,ARSALAN M,BLACK M J,et al.Piezoelectric based flow power harvesting for downhole environment[R].SPE-176777-MS,2015.

    • [5] 李方韬,薛启龙,王晋,等.钻井液固相对井下涡轮发电机性能影响[J].机械科学与技术,2021,40(2):193-197.LI Fangtao,XUE Qilong,WANG Jin,et al.Effect of drilling fluid solid phase on the performance of downhole turbine generator[J].Mechanical Science and Technology,2021,40(2):193-197.

    • [6] 董子龙,董世民,具自强.螺杆泵采油杆柱受径向力激励的横向振动[J].中国石油大学学报(自然科学版),2023,47(1):156-163.DONG Zilong,DONG Shimin,JU Ziqiang.Transverse vibration driven by radial force of sucker rod string in screw pump production system[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2023,47(1):156-163.

    • [7] 李中,王国荣,方达科,等.高产气井油管柱双重非线性流致振动模型研究[J].西南石油大学学报(自然科学版),2022,44(2):148-158.LI Zhong,WANG Guorong,FANG Dake,et al.Bi-nonlinear fluid-induced vibration model of tubing string in high-yield gas well[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition),2022,44(2):148-158.

    • [8] 兰凯,刘香峰.钻柱恶性振动识别与抑制技术研究进展[J].吉林大学学报(地球科学版),2017,49(1):203-214.LAN Kai,LIU Xiangfeng.Research progress in identification and suppression of malignant vibration of drill string[J].Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2017,49(1):203-214.

    • [9] YAN W,HE L,ZHU G,et al.Experimental study on vibration suppression in a rotor system under base excitation using an integral squeeze film damper [J].High Technology Letters,2020,26(4):349-359.

    • [10] CHEN X,GAN X,REN G.Dynamic modeling and nonlinear analysis of a rotor system supported by squeeze film damper with variable static eccentricity under aircraft turning maneuver[J].Journal of Sound and Vibration,2020,485:11551.

    • [11] SONI T,DAS A S,DUTT J K.Active vibration control of ship mounted flexible rotor-shaft-bearing system during seakeeping [J].Journal of Sound and Vibration,2019,467:115046.

    • [12] ERTAS B,CERNY V,KIM J,et al.Stabilizing a 46 MW multistage utility steam turbine using integral squeeze film bearing support dampers [J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power:Transactions of the ASME,2015,137:052506.

    • [13] 李典来,姚垒,余磊,等.挤压油膜阻尼器及其在船用汽轮机上的应用展望[J].机电设备,2019,36(3):1-5,13.LI Dianlai,YAO Lei,YU Lei,et al.Squeeze film damper and its application prospect in marine steam turbine[J].Electromechanical Equipment,2019,36(3):1-5,13.

    • [14] 陈会征,陈予恕.航空发动机转子一种振动跳跃问题及其工程控制的分岔分析[J].航空动力学报,2013,28(12):2781-2789.CHEN Huizheng,CHEN Yushu.A vibration jump problem of aeroengine rotor and bifurcation analysis of its engineering control[J].Journal of Aerodynamics,2013,28(12):2781-2789.

    • [15] 马艳红,陆宏伟,朱海雄,等.弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证[J].航空学报,2013,34(6):1301-1308.MA Yanhong,LU Hongwei,ZHU Haixiong,et al.Stiffness design and test verification of elastic ring metal rubber support structure[J].Journal of Aeronautics,2013,34(6):1301-1308.

    • [16] 陈钊,何立东,路凯华.挤压油膜阻尼器非线性振动机理及结构创新综述[J].机电工程,2019,36(4):343-351.CHEN Zhao,HE Lidong,LU Kaihua.Overview of nonlinear vibration mechanism and structural innovation of squeeze film damper [J].Electromechanical Engineering,2019,36(4):343-351.

    • [17] 万方腾,何立东,李志炜,等.整体式挤压油膜阻尼器抑制转子不平衡振动研究[J].化学工程与装备,2019(8):1-4,43.WAN Fangteng,HE Lidong,LI Zhiwei,et al.Study on suppression of rotor unbalance vibration by integral squeeze film damper[J].Chemical Engineering and Equipment,2019(8):1-4,43.

    • [18] 万方腾,何立东,范文强,等.整体式挤压油膜阻尼器减振双盘悬臂转子系统研究[J].机电工程,2019,36(12):1266-1270,1281.WAN Fangteng,HE Lidong,FAN Wenqiang,et al.Research on vibration reduction double disk cantilever rotor system with integral squeeze film damper[J].Electromechanical Engineering,2019,36(12):1266-1270,1281.

    • [19] YAO B,TIAN Z,ZHAN X,et al.Study on rotor-bearing system vibration of downhole turbine generator under drill-string excitation[J].Energies,2024,17:1176.

    • [20] 路凯华,何立东,闫伟,等.整体式挤压油膜阻尼器在齿轮箱中的应用[J].振动、测试与诊断,2020,40(4):765-775.LU Kaihua,HE Lidong,YAN Wei,et al.Application of integral squeeze film damper in gearbox[J].Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis,2020,40(4):765-775.

    • [21] 崔颖,王清智,王永亮,等.非同心型挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(7):978-984.CUI Ying,WANG Qingzhi,WANG Yongliang,et al.Numerical simulation on cavitatin flow field characteristics of nonconcentric squeeze film damper[J].Journal of Harbin Engineering University,2020,41(7):978-984.

    • [22] 刘海洋,马佳,王森,等.特斯拉阀单向导通性研究 [J].物理与工程,2020,30(1):120-124.LIU Haiyang,MA Jia,WANG Sen,et al.Study on one-way conductivity of Tesla valve [J].Physics and Engineering,2020,30(1):120-124.

    • [23] 周润中,乔宇杰,张钰翔,等.特斯拉阀性能的仿真研究[J].物理实验,2020,40(9):44-50.ZHOU Runzhong,QIAO Yujie,ZHANG Yuxiang,et al.Simulation study on performance of Tesla valve[J].Physical Experiment,2020,40(9):44-50.

    • [24] 任璞,龙威.特斯拉阀流场特性及空化形成机理数值分析[J].西南大学学报(自然科学版),2021,43(8):161-166.REN Pu,LONG Wei.Numerical analysis of flow field characteristics and cavitation formation mechanism of Tesla valve[J].Journal of Southwest University(Natural Science Edition),2021,43(8):161-166.

    • [25] 崔颖,李婷,江齐,等.基于两相流模型的挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟[J].航空动力学报,2019,34(8):1781-1787.CUI Ying,LI Ting,JIANG Qi,et al.Numerical simulation of cavitation flow field characteristics of squeeze film damper based on two-phase flow model[J].Journal of Aerodynamics,2019,34(8):1781-1787.

    • [26] 张力豪,何立东,陈钊,等.整体式弹性环挤压油膜阻尼器结构设计与转子过临界实验研究[J].振动与冲击,2019,38(18):72-78,108.ZHANG Lihao,HE Lidong,CHEN Zhao,et al.Structural design of integral elastic ring squeeze film damper and experimental study on rotor supercritical[J].Vibration and Impact,2019,38(18):72-78,108.

    • [27] BRIEND Y,DAKEL M,CHATELET E,et al.Effect of multi-frequency parametric excitations on the dynamics of on-board rotor-bearing systems [J].Mechanism and Machine Theory,2020,145:103660.

    • [28] 李思琪,田胜雷,李丽,等.简谐振动冲击钻井技术破岩机制及钻进效果[J].中国石油大学学报(自然科学版),2021,45(4):67-73.LI Siqi,TIAN Shenglei,LI Li,et al.Rock fragmentation mechanism and drilling performance of harmonic vibration-impact drilling technique[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2021,45(4):67-73.

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