|
胡以耀，代 珣,，張澄東,，張 輝 (中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 212013) 摘 要：為了研究對(duì)稱和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多級(jí)鍋爐給水泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速,，應(yīng)用ANSYS軟件中的Workbench組件對(duì)給水泵主要轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算,，獲得了轉(zhuǎn)子部件的臨界轉(zhuǎn)速，結(jié)果表明,，非對(duì)稱布置的葉輪導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)會(huì)降低轉(zhuǎn)子部件的臨界轉(zhuǎn)速,，但仍然大于泵運(yùn)行時(shí)的額定轉(zhuǎn)速的安全運(yùn)行范圍,。所采用的針對(duì)某型鍋爐給水泵的臨界轉(zhuǎn)速的研究方法，可為同類給水泵產(chǎn)品轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究提供參考,。 關(guān)鍵詞：鍋爐給水泵,；臨界轉(zhuǎn)速；數(shù)值計(jì)算,；非對(duì)稱布置 對(duì)于鍋爐給水泵而言,，轉(zhuǎn)子部件的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于泵運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速是保證整個(gè)給水泵機(jī)組運(yùn)行可靠性和使用壽命的重要前提[1]。對(duì)于泵的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言,，不同布置的轉(zhuǎn)子部件(對(duì)稱和非對(duì)稱),，軸沿著徑向方向的振幅會(huì)有明顯不同，為保證泵的正常運(yùn)行,，泵的臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)大于轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速的25%,。 本文以某型高溫高壓鍋爐給水泵為研究對(duì)象。給水泵以徑向滑動(dòng)軸承為支承,，這樣的長(zhǎng)軸在高速運(yùn)行中,，一旦臨界轉(zhuǎn)速過小，泵軸就會(huì)成為柔性軸,，從而導(dǎo)致泵軸抱死,，造成停機(jī)過程中葉輪與導(dǎo)葉碰撞，直接損壞導(dǎo)葉,，這種情況對(duì)于泵組的安全運(yùn)行是極其不利的[2],。 本文應(yīng)用ANSYS軟件中的Workbench組件，通過數(shù)值計(jì)算的方法,， 在保證準(zhǔn)確原則的前提下簡(jiǎn)化模型,，計(jì)算轉(zhuǎn)子部件在對(duì)稱布置和非對(duì)稱布置下的臨界轉(zhuǎn)速，可為類似給水泵產(chǎn)品轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究提供參考,。 1 給水泵結(jié)構(gòu)某型多級(jí)給水泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,。運(yùn)行中，泵體水平放置,，流體通過吸入室進(jìn)入進(jìn)口段葉輪,，經(jīng)首級(jí)葉輪后進(jìn)入徑向?qū)~，出流進(jìn)入第2級(jí)葉輪,、導(dǎo)葉……,，當(dāng)流體從進(jìn)口段末級(jí)導(dǎo)葉出流后進(jìn)入中間過渡段時(shí)，通過分流段以及中間過渡段進(jìn)入吐出段,，過渡到出口段首級(jí)葉輪,、導(dǎo)葉……，直至末級(jí)導(dǎo)葉出口進(jìn)入分流段,，再通過中間過渡段經(jīng)吐出段進(jìn)入出水殼,，經(jīng)出口法蘭流出[3],。  圖1 某型給水泵結(jié)構(gòu)示意圖 2 給水泵臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算方法[4]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，給水泵的第1臨界轉(zhuǎn)速的近似公式為：  式中,，d為最大軸徑,；l為軸承的間距；G為轉(zhuǎn)子總質(zhì)量,；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),，對(duì)沿著長(zhǎng)度方向近似為等直徑的軸，取k=8.1,。該經(jīng)驗(yàn)公式適用于多級(jí)泵的臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算,。假定軸上的葉輪質(zhì)量分布均勻，則級(jí)數(shù)越多,，計(jì)算越準(zhǔn)確,。該公式不適用于填料函密封的泵。 對(duì)于多級(jí)泵而言,，若級(jí)數(shù)過多,，用鄧克萊公式則更加準(zhǔn)確，即：  式中,， 3 數(shù)值計(jì)算方法3.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 某型給水泵20級(jí)葉輪，選擇葉輪導(dǎo)葉結(jié)構(gòu),，導(dǎo)葉外部有泵殼,。給水泵為臥式運(yùn)行，主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：運(yùn)行溫度170 ℃,，流量Q=200 t/h,，出口壓力P出=20.3 MPa，總揚(yáng)程H=2 050 m,，轉(zhuǎn)速n=2 985 r/min,，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=82.8。 3.2 計(jì)算區(qū)域 給水泵轉(zhuǎn)子部件三維模型如圖2和圖3所示,，包括泵軸,、鍵、葉輪和軸套等部件,，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，不宜直接采用Workbench建模,。本文應(yīng)用UG三維軟件對(duì)其各部件進(jìn)行簡(jiǎn)化實(shí)體建模，然后對(duì)其各部件進(jìn)行組裝,。建模時(shí)選取的是泵體上的轉(zhuǎn)子部件,，并沒有選取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件，這樣可以降低模型網(wǎng)格的數(shù)量,，減少計(jì)算時(shí)間,，且并不影響對(duì)泵體的轉(zhuǎn)子部件的準(zhǔn)確計(jì)算。  圖2 對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件三維模型  圖3 非對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件三維模型 3.3 約束條件 本泵模擬時(shí)假設(shè)為臥式結(jié)構(gòu),，因此重力加速度選擇為軟件中默認(rèn)的加速度9.806 6 m/s2,，方向豎直向下，轉(zhuǎn)速為2 985 r/min,?？紤]到轉(zhuǎn)子部件受到預(yù)應(yīng)力的作用會(huì)發(fā)生一定的形變，材料屬性選擇彈性體,，Workbench中對(duì)分析對(duì)象賦予的材料屬性默認(rèn)是結(jié)構(gòu)鋼,，針對(duì)本研究中葉輪、泵軸和軸鍵的材料屬性不同,，設(shè)置材料的彈性模量,、泊松比、密度,、抗剪切模量,、屈服強(qiáng)度和張力強(qiáng)度，同時(shí)默認(rèn)求解前6階模態(tài),，振型設(shè)置為前6階模態(tài)對(duì)應(yīng)的振型,，具體荷載約束設(shè)置如圖4和圖5所示。  圖4 對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件的荷載約束  圖5 非對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件的荷載約束 3.4 模擬特性分析 通過后處理器提取對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件前6階的固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振型,，結(jié)果如圖6所示,。在第1、2階模態(tài)中,，振動(dòng)方向分別沿著X或Y方向,，在振動(dòng)中產(chǎn)生一個(gè)最大撓度波形，泵軸已經(jīng)變成柔性軸,，葉輪等轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生橫向位移,，轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)撞擊導(dǎo)葉、泵體等其他部件,，產(chǎn)生嚴(yán)重零件磨損,，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件無(wú)法正常運(yùn)行，整泵無(wú)法工作；第3,、4階模態(tài)轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生徑向振動(dòng),，同第1、2階模態(tài)振型相似,，同樣會(huì)導(dǎo)致整泵無(wú)法工作,；第5階模態(tài)顯示在進(jìn)口段轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生軸向振動(dòng)，振動(dòng)方向分別沿著Z方向,，轉(zhuǎn)子部件徑向未發(fā)生較大變形,，但軸向變形會(huì)使葉輪軸套等轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生軸向偏移，同時(shí)軸套及葉輪輪轂會(huì)發(fā)生擠壓變形,，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)降低軸套使用壽命,，間接降低整泵使用壽命；第6階模態(tài)轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生軸向振動(dòng),，與第5階模態(tài)振型相似,，振動(dòng)方向沿著Z方向，軸套及葉輪輪轂之間發(fā)生擠壓變形,，影響泵的使用壽命,。   圖6 對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件前6階振型圖 對(duì)比對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件模態(tài)振型圖，非對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件振型圖的前6階模態(tài)振型有所不同,，具體結(jié)果如圖7所示,。從非對(duì)稱布置的振型圖中可以看出，第1,、2階模態(tài)轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生徑向振動(dòng),，無(wú)撓度變形。與對(duì)稱布置比較,，第1階模態(tài)出口段出現(xiàn)較大撓度,，因?yàn)楸幂S出口段的兩支點(diǎn)間距增加,，且預(yù)應(yīng)力加載在葉輪上,，出口段葉輪增加，因此更容易出現(xiàn)較大撓度變形,，它的危害和對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件相似,，會(huì)帶動(dòng)葉輪等轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生橫向位移，轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)撞擊導(dǎo)葉,、泵體等其他部件,，產(chǎn)生嚴(yán)重零件磨損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件無(wú)法正常運(yùn)行,，整泵無(wú)法工作,；第3階模態(tài)顯示在出口段轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生軸向振動(dòng)，振動(dòng)方向分別沿著Z方向，轉(zhuǎn)子部件徑向未發(fā)生較大變形,，但軸向變形會(huì)使葉輪軸套等轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生軸向偏移,，同時(shí)軸套及葉輪輪轂會(huì)發(fā)生擠壓變形，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)降低軸套使用壽命,，間接降低整泵使用壽命,；第4～6階模態(tài)顯示在出口段轉(zhuǎn)子部件產(chǎn)生徑向振動(dòng)，振動(dòng)方向分別沿著X或Y方向,，同第1,、2階模態(tài)振型相似，在振動(dòng)中產(chǎn)生一個(gè)最大撓度波形,，泵軸變成柔性軸,，轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)撞擊導(dǎo)葉、泵體等其他部件,，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件無(wú)法正常運(yùn)行,，整泵無(wú)法工作。
圖7 非對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件前6階振型圖 從給水泵對(duì)稱布置和非對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件的振型圖可以看出,，發(fā)生徑向振動(dòng)的振型對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)子部件達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振型,。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5-6]，每個(gè)臨界轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)2種振型,，因此其對(duì)應(yīng)的固有頻率也有2個(gè),。結(jié)合臨界轉(zhuǎn)速的定義及振型圖，可以看出對(duì)稱布置和非對(duì)稱布置轉(zhuǎn)子部件對(duì)應(yīng)臨界轉(zhuǎn)速的固有頻率,。具體見表1,。 表1 給水泵轉(zhuǎn)子部件固有頻率 模態(tài)固有頻率/Hz對(duì)稱非對(duì)稱158.938.6158.9539.1271.7114.7271.8115.73166.8118.63166.9119.6 從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)稱布置的給水泵轉(zhuǎn)子部件的固有頻率較高,，是因?yàn)榉菍?duì)稱布置的支點(diǎn)距離增加,，載荷增加，轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜不平衡程度升高,。根據(jù)轉(zhuǎn)子部件的臨界轉(zhuǎn)速與固有頻率成對(duì)應(yīng)關(guān)系,，可以得到轉(zhuǎn)子部件的臨界轉(zhuǎn)速(見表2)。 表2 給水泵轉(zhuǎn)子部件臨界轉(zhuǎn)速 模態(tài)臨界轉(zhuǎn)速/r·min-1對(duì)稱非對(duì)稱13534231613537234624302688224308694231000871163100147176 從表2中的數(shù)據(jù)可以看出,，對(duì)稱布置和非對(duì)稱布置的轉(zhuǎn)子部件第1臨界轉(zhuǎn)速均大于泵的額定轉(zhuǎn)速,，因此，泵在運(yùn)行過程中泵軸始終處于剛性軸狀態(tài),，不會(huì)出現(xiàn)過度的撓度變形,。 4 結(jié)語(yǔ)通過ANSYS軟件中的Workbench組件對(duì)某型給水泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)稱布置和非對(duì)稱布置的轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行對(duì)比分析，得到了2種轉(zhuǎn)子部件的形式,，前3階臨界轉(zhuǎn)速值全部滿足安全要求,。對(duì)稱布置和非對(duì)稱布置的轉(zhuǎn)子部件第1臨界轉(zhuǎn)速均大于泵的額定轉(zhuǎn)速,，因此，泵在運(yùn)行過程中泵軸始終處于剛性軸狀態(tài),，不會(huì)出現(xiàn)過度的撓度變形,。 參考文獻(xiàn)： [1] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京:宇航出版社,1995. [2] 郭志強(qiáng),吳文健,滿亞輝,等. 基于ANSYS有限元方法對(duì)相變材料相變過程的分析[J]. 新技術(shù)新工藝, 2017, 11(4):87-89. [3] 周培顯. 基于Pro/E曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真及分析[J]. 新技術(shù)新工藝, 2012, 2(1):26-28. [4] 王美,宋廣彬,張學(xué)軍. 對(duì)現(xiàn)代機(jī)械制造企業(yè)工藝技術(shù)工作的研究[J]. 新技術(shù)新工藝, 2011, 2(1):83-88. [5] 王瑞金. 磁流體技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 新技術(shù)新工藝, 2011, 10(3):15-18. [6] 金向紅,金有海,王建軍,等. 氣液旋流分離技術(shù)的研究[J]. 新技術(shù)新工藝, 2007, 2(1):85-88. 責(zé)任編輯 鄭練 Critical Speed Analysis of Boiler Feed Water Pump Based on Finite Element Method HU Yiyao, DAI Xun, ZHANG Chengdong, ZHANG Hui (Power China SPEM Limited Company, Shanghai 212013, China) Abstract：In order to study the critical speed of symmetrical and non-symmetrical multi-stage boiler feed pump rotor system, the critical speed of feed pump main rotor is calculated by Workbench component of ANSYS. The critical rotational speed of the rotor part is obtained by the above numerical calculation. It can be seen that the asymmetric arrangement of the impeller guide vane structure reduces the critical speed of the rotor part but still exceeds the safe operating range of the rated speed when the pump is running. The research method of critical speed for a certain type of boiler feed water pump can be used as reference for the research of the same kind of feed pump product rotor system. Key words：boiler feed pump, critical speed, numerical calculation, asymmetrical arrangement 中圖分類號(hào)：TH 31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 作者簡(jiǎn)介：胡以耀(1984-)，男,，工程師,，主要從事火電及新能源設(shè)備等方面的研究。 收稿日期：2017-03-06 |
|
|
為轉(zhuǎn)子部件的總臨界轉(zhuǎn)速,；
為軸的臨界轉(zhuǎn)速,；n
