核電站用離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算分析

1、 核電站用離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算分析核電產(chǎn)業(yè)是關(guān)系我國(guó)國(guó)防安全、能源安全與大國(guó)國(guó)際地位的戰(zhàn)略性、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也是極具發(fā)展前景的新興產(chǎn)業(yè)，在國(guó)家科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略中占有十分重要的地位。在目前國(guó)家大力倡導(dǎo)的核電站關(guān)鍵設(shè)備及其主要輔助設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的前提下，大型國(guó)產(chǎn)化離心式冷水機(jī)組將被應(yīng)用于核電站的冷卻設(shè)備。國(guó)家科技重大專項(xiàng)專題“核電站主要輔助設(shè)備自主設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究”下的子課題“MS01 水冷離心式冷水機(jī)組研制”任務(wù)書中第3.7項(xiàng)要求：“工作轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)高于最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速的20%”。本文主要介紹核電站用離心式冷水機(jī)組中的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速可靠性的計(jì)算分析。離心式壓縮機(jī)是典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，

2、一般來說，轉(zhuǎn)子和軸承決定著旋轉(zhuǎn)機(jī)械的壽命，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，輕則使轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇，重則會(huì)造成事故。為確保機(jī)器在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不發(fā)生共振，工作轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)偏離臨界轉(zhuǎn)速，即研制任務(wù)書中要求的工作轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)高于最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速的20%。離心式壓縮機(jī)根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)共有兩種形式：定頻齒輪驅(qū)動(dòng)和變頻直接驅(qū)動(dòng)，為本文主要通過DyRoBe'S轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軟件分別模擬計(jì)算校核轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。DyRoBe'S軟件計(jì)算原理DyRoBe'S軟件主要是通過有限元的計(jì)算方法來分析計(jì)算固定瓦軸承、曲面軸承、可傾瓦軸承等軸承，通過解非定常的雷諾方程式(如下式所

3、示)，得到油膜中壓力的分布，然后進(jìn)一步求得該軸承的靜特性參數(shù)(如靜平衡位置、承載能力、摩擦功耗、潤(rùn)滑油流量、溫升等)和動(dòng)力特性系數(shù)。 式中：x為軸向坐標(biāo)，y為圓周向坐標(biāo)，h為油膜厚度， 為潤(rùn)滑油粘度， 為軸向紊流流量系數(shù)， 為圓周向紊流流量系數(shù)。 軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的齊次方程如下所示： 將式(2)變換為廣義特征問題方程，如下所示： 式中，x為特征向量，v為其特征值式(3)的各階特征值 ，其虛部 表示渦動(dòng)角速度，對(duì)應(yīng)的渦動(dòng)速度為 。同期渦動(dòng)(渦動(dòng)速度等于工作速度)直線與各界渦動(dòng)速度曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速稱為阻尼臨界轉(zhuǎn)速。 DyRoBe'S軟件計(jì)算轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速首先，分別建立兩

4、種類型離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軸承和轉(zhuǎn)子的模型，在DyRoBe'Sbearing 中輸入軸承軸徑、寬度、預(yù)載荷、承載力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，計(jì)算出軸承的動(dòng)態(tài)特性，再通過DyRoBe'Srotor中各個(gè)參數(shù)設(shè)置及輸入，建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模型如圖1、2所示： 不管是變頻直接驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)還是定頻齒輪驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速均為8000rpm，通過DyRoBe'S軟件計(jì)算分析，兩種離心式壓縮機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速分別為12039rpm和10222rpm。 通過模擬分析計(jì)算結(jié)果可以看出兩種轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速分別是額定轉(zhuǎn)速的1.5倍和1.28倍，均大于任務(wù)書要求的高于最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速的20%，及大于1

5、.2倍額定轉(zhuǎn)速要求。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性除了要看臨界轉(zhuǎn)速外，還需要保證軸承的剛度系數(shù)在103106N/mm、承載能力大于軸承所受的作用力。變頻直接驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)前后軸承僅承受整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重力，因此軸承受到的作用力是朝下的，其受力分布圖如圖5、6所示。 由以上分析結(jié)構(gòu)可知，變頻離心壓縮機(jī)軸承剛度系數(shù)最小值為3.26×104N/mm，剛度系數(shù)最大值為7.746×104N/mm，均處于103106 N/mm這一區(qū)間;軸承可承受的載荷為269.72kg，即2643.3N，是實(shí)際承受載荷316N的8.36倍，即安全系數(shù)可達(dá)8.36。軸承設(shè)計(jì)是安全可靠的。定頻齒輪驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)由于需

6、要通過齒輪來增速，在承受轉(zhuǎn)子自身重力之外，還需承受齒輪嚙合帶來的軸向力、徑向力和周向力，所有作用力綜合起來軸承受力是斜向上的，其受力分布圖如圖7、8所示： 由以上分析結(jié)構(gòu)可知，定頻離心壓縮機(jī)軸承剛度系數(shù)最小值為5.72×103N/mm，剛度系數(shù)最大值為2.286×105N/mm，均處于103106 N/mm這一區(qū)間;軸承可承受的載荷為1821kg，即17845.8N，是實(shí)際承受載荷3508.4N 的5.06倍，即安全系數(shù)可達(dá)5.06。軸承設(shè)計(jì)是安全可靠的。通過以上理論分析可知，不管是從轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，還是軸承的剛度系數(shù)、承載力，整個(gè)軸系都是安全可靠的。3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為驗(yàn)證理論

7、計(jì)算的可靠性，需通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為避免整個(gè)轉(zhuǎn)子發(fā)生共振從而損壞壓縮機(jī)，實(shí)驗(yàn)時(shí)將在明細(xì)工況下測(cè)得各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過與標(biāo)準(zhǔn)要求(所有點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)不得大于0.03mm)來判斷整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性。 其中：點(diǎn)為壓縮機(jī)正面左支腳;點(diǎn)為壓縮機(jī)背面左支腳;點(diǎn)為壓縮機(jī)正面右支腳;點(diǎn)為壓縮機(jī)背面右支腳;點(diǎn)為電機(jī)與箱體水平;點(diǎn)為電機(jī)與箱體垂直;點(diǎn)為電機(jī)后蓋水平;點(diǎn)為電機(jī)后蓋垂直;點(diǎn)為電機(jī)尾端軸向;點(diǎn)為電機(jī)底部支撐。 通過以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，所有點(diǎn)振動(dòng)均在標(biāo)準(zhǔn)要求以下，亦可從側(cè)面證明軸系是安全可靠的。4 結(jié)論作為核電站用離心式冷水機(jī)組，通過DyRoBe'S軟件模擬分析，不管是變頻直接驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)還是定頻齒輪驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)，其轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于研制任務(wù)書要求工作轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速