超超临界锅炉给水泵转子动力学的有限元分析研究.docxVIP

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超超临界锅炉给水泵转子动力学的有限元分析研究

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超超临界锅炉给水泵转子动力学的有限元分析研究

超（超）临界锅炉给水泵转子的临界转速是锅炉给水泵转子设计中一个重要的参数。通过ANSYS12.0Worbench平台，求得转子在刚性支撑、弹性支撑以及“湿态”工况下的临界转速，以对比密封水膜和轴承油膜等因素对转子动力学分析的影响。同时该文对转子单独在重力作用下进行分析，得到转子的应力和应变值以避免转子在装配过程中带来不必要的误差。

临界转速；锅炉给水泵；转子；模态分析；ANSYS有限元分析

【作者简介】郑昱（1960—）女，高工，副总工程师，主持泵类、偶合器等产品的研发设计工作；

徐晓峰（1975—）男，中级工程师，从事产品设计工作；

张江涛（1982—）男，硕士研究生，从事电力设备结构校核工作。

近年来高速旋转机械向着高转速、大功率、柔性转子方向发展，转子动力学的研究就变得非常重要。在电力行业，锅炉给水泵转子虽经很好地动平衡，但当转子升速到某个转速时，还会发生剧烈的振动。给水泵发生剧烈振动时，会加速密封环、节流衬套、平衡鼓、轴承等零件的磨损，严重时还会引起被迫停机事故。为了使泵的工作转速偏离临界转速多少以及是否能平稳地、安全可靠地运行，在ANSYS软件中对转子进行有限元动力学分析就是求固有频率近而得到临界转速的大小。我公司自行研发的超超临界百万锅炉给水泵的转子动力学分析就是基于Workbench平台求得不同工况下转子的临界转速，分析不同因素对临界转速的影响对转子动力学这一复杂繁冗的过程进行探索研究。

转子的动平衡试验是在空气下进行的，转子平衡转速要选择远离空气中的一阶临界转速。对百万锅炉给水泵转子在刚性和弹性支撑下进行模态分析就是了解其各阶振动频率、振幅，指导做动平衡试验，并为在“湿态”的分析做基础。“湿态”下的临界转速计算的目的就是为了验算已选定的泵轴转速是否能避开“湿态”下转子本身的固有振动频率，在合理的转速范围内，以保证泵能安全可靠地运行。

1.百万锅炉给水泵转子分析的理论模型

图1锅炉给水泵转子分析模型

上海电力修造总厂有限公司研制的1000MW机组超超临界锅炉给水泵的筒体式泵转子由叶轮、主轴、平衡鼓、推力盘、夹紧环、弹性卡环、密封轴套以及半分环等组成，二维示意模型见图1。实测转子各零件的质量如下表1，转子的总质量为776.74Kg，这与三维建模得到的质量以及在主轴上的重心一致。

表1实测转子各零件的质量

百万锅炉给水泵转子部件是卧式的，而密封环位于两个轴承之间，因此必然对整个转子部件的振动有很大影响。就动特性而言，密封环的作用于滑动轴承类似，但作用机理不同，密封间隙力的产生主要是靠密封间隙两端很高的压差所引起的轴向流动。由于密封环内水的粘度小，轴向压差大，相对间隙大，使得流动沿轴向和圆周方向均为湍流状态，对振动的影响也是显著的。接下来介绍主要影响因素及软件求解的数学模型：

A.轴承动力特性系数

百万锅炉多级泵的轴承多为流体动压润滑轴承，计算主要是通过求解Reynolds方程得到：

式中，R、、z为柱坐标；h为油膜厚度；为润滑油粘度；p为油膜压力；为轴颈转速；t为时间。首先用五点差分格式将其转化成一组代数方程，再利用超松弛迭代法求出各节点上的油膜压力值，对这些压力值进行数值积分求得油膜力；在转子静平衡位置上分别附加位移扰动和速度扰动就可算出轴承的∞个动力系数。在基础刚性较好的情况下，轴承及基础也可简化为质量-弹簧-阻尼器模型。在此认为轴承座及基础的等效质量和等效静刚度系数为，与地相连接。计算得到油膜的动力特性系数矩阵值[2]（单位统一是：N/m，C表示阻尼矩阵，K表示刚度矩阵）：

B.密封动力特性系数

百万锅炉多级泵每级叶轮的密封部位、平衡鼓、迷宫密封等处都有一定的间隙。通过这些间隙的压力水，产生水动力，起着支撑的作用，增强了转子的刚度，提高了水泵转子的临界转速。水动力刚度系数K与密封环形式有关，槽形密封水动力刚度系数计算公式为：

—摩擦系数，≈0.04；l—密封间隙长度，cm；—密封环入口损失系数，；—密封长度上的槽数；—单面径向间隙，cm；—沟槽入口损失系数，=0.3；通过公式求得FK6A40中密封间隙各处的刚度值，进口端盖磨损环：341268.7N/mm；导叶衬套：286358.1N/mm；泵壳磨损环：469152.6N/mm；平衡鼓：845296.3N/mm；迷宫密封19751.62N/mm。

C.泵振动模态模型[4]

计算系统无阻尼自由振动频率和振型归结起来是一个求解特征值的问题。在无外力及忽略阻尼的情况下，转子振动系统在笛卡尔坐标系下的运动微分方程的一般形式简化为:

式中，—分别为系统的整体