核電站用離心式壓縮機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算分析

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

2、一般來說，轉(zhuǎn)子和軸承決定著旋轉(zhuǎn)機械的壽命，當旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下運行時，輕則使轉(zhuǎn)子振動加劇，重則會造成事故。為確保機器在工作轉(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)高于最大運行轉(zhuǎn)速的20%。離心式壓縮機根據(jù)電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)共有兩種形式：定頻齒輪驅(qū)動和變頻直接驅(qū)動，為本文主要通過DyRoBeS轉(zhuǎn)子動力學(xué)軟件分別模擬計算校核轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，并通過實驗進行驗證。DyRoBeS軟件計算原理DyRoBeS軟件主要是通過有限元的計算方法來分析計算固定瓦軸承、曲面軸承、可傾瓦軸承等軸承，通過解非定常的雷諾方程式(如下式所示)，得到油膜中壓力的分布，然

3、后進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、潤滑油流量、溫升等)和動力特性系數(shù)。 式中：x為軸向坐標，y為圓周向坐標，h為油膜厚度， 為潤滑油粘度， 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)運動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 表示渦動角速度，對應(yīng)的渦動速度為 。同期渦動(渦動速度等于工作速度)直線與各界渦動速度曲線的交點對應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速稱為阻尼臨界轉(zhuǎn)速。 DyRoBeS軟件計算轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速首先，分別建立兩種類型離心式壓縮機轉(zhuǎn)子動力學(xué)軸承和轉(zhuǎn)子的

4、模型，在DyRoBeSbearing 中輸入軸承軸徑、寬度、預(yù)載荷、承載力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，計算出軸承的動態(tài)特性，再通過DyRoBeSrotor中各個參數(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)動離心式壓縮機還是定頻齒輪驅(qū)動離心式壓縮機，其額定轉(zhuǎn)速均為8000rpm，通過DyRoBeS軟件計算分析，兩種離心式壓縮機的一階臨界轉(zhuǎn)速分別為12039rpm和10222rpm。 通過模擬分析計算結(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行轉(zhuǎn)速的20%，及大于1.2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

5、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)動離心壓縮機前后軸承僅承受整個轉(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，變頻離心壓縮機軸承剛度系數(shù)最小值為3.26104N/mm，剛度系數(shù)最大值為7.746104N/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，是實際承受載荷316N的8.36倍，即安全系數(shù)可達8.36。軸承設(shè)計是安全可靠的。定頻齒輪驅(qū)動離心壓縮機由于需要通過齒輪來增速，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

6、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，定頻離心壓縮機軸承剛度系數(shù)最小值為5.72103N/mm，剛度系數(shù)最大值為2.286105N/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，是實際承受載荷3508.4N 的5.06倍，即安全系數(shù)可達5.06。軸承設(shè)計是安全可靠的。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，整個軸系都是安全可靠的。3 實驗驗證為驗證理論計算的可靠性，需通過實驗驗證，為避免整個轉(zhuǎn)子發(fā)生共振從而損壞壓縮機，實驗時將在明細工況下測得各個測試點的振動數(shù)據(jù)，通過與標準要求(所有點振動數(shù)據(jù)不得大于0.03mm)來判斷整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性。 其中：點為壓縮機正面左支腳;點為壓縮機背面左支腳;點為壓縮機正面右支腳;點為壓縮機背面右支腳;點為電機與箱體水平;點為電機與箱體垂直;點為電機后蓋水平;點為電機后蓋垂直;點為電機尾端軸向;點為電機底部支撐。 通過以上實驗驗證可知，所有點振動均在標準要求以下，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組，通過DyRoBeS軟件模擬分析，不管是變頻直接驅(qū)動離心式壓縮機還是定頻齒輪驅(qū)動離心式壓縮機，其轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速遠大于研制任務(wù)書要求工作轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)高于