楊 勇 周紅兵 鄧賢輝 謝 強(qiáng)

(1.駐江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室 上海 201913)(2.中國(guó)人民解放軍91370部隊(duì) 福州 350015)

某船舶大功率高壓轉(zhuǎn)子建模及模態(tài)分析*

楊 勇1周紅兵1鄧賢輝1謝 強(qiáng)2

(1.駐江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室 上海 201913)(2.中國(guó)人民解放軍91370部隊(duì) 福州 350015)

針對(duì)某船舶大功率高壓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)其轉(zhuǎn)子在合理的簡(jiǎn)化處理基礎(chǔ)上,通過(guò)UG和ANSYS軟件建立其有限元分析模型。通過(guò)有限元數(shù)值分析軟件對(duì)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行模態(tài)求解,得到了轉(zhuǎn)子的前五階固有頻率和振型。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子工作的可靠性,并為高壓轉(zhuǎn)子的其它動(dòng)力學(xué)分析提供模型,為進(jìn)一步船舶機(jī)組振動(dòng)的故障診斷奠定基礎(chǔ)。

有限元模型; 模態(tài)求解; 轉(zhuǎn)子; 動(dòng)力學(xué)分析

Class Number TH455

1 引言

船舶大功率高壓轉(zhuǎn)子作為船舶的核心部件,其工作環(huán)境十分惡劣,并且長(zhǎng)期處于高溫介質(zhì)中高速旋轉(zhuǎn)。它承受著由轉(zhuǎn)子本身和葉片質(zhì)量的離心力引起的應(yīng)力、溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力、傳遞作用在葉片上的氣流力產(chǎn)生的扭矩、工質(zhì)的壓力和自身重量產(chǎn)生的彎矩等,任何設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等方面的失誤,都可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子部件的斷裂而引起重大事故[1～3]。振動(dòng)是船舶機(jī)組發(fā)生故障時(shí)最為普遍的現(xiàn)象[4]。

為了研究某型船舶大功率轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性,本文通過(guò)對(duì)船舶高壓轉(zhuǎn)子的有限元建模,使用數(shù)值仿真方法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。計(jì)算得到轉(zhuǎn)子的固有頻率和振型和臨界轉(zhuǎn)速,通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子工作的可靠性,并為高壓轉(zhuǎn)子的進(jìn)一步動(dòng)力學(xué)分析打下了基礎(chǔ)。

2 大功率高壓轉(zhuǎn)子的實(shí)體建模

通過(guò)對(duì)大功率汽輪機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子模型的簡(jiǎn)化處理,并利用軟件UG建立高壓轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型。首先,進(jìn)行高壓轉(zhuǎn)子的實(shí)體建模,繪制經(jīng)簡(jiǎn)化后的汽輪機(jī)剖面草圖如圖1所示。

圖1 高壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子剖面圖

通過(guò)對(duì)剖面草圖的旋轉(zhuǎn)操作,最終得到簡(jiǎn)化后的高壓轉(zhuǎn)子三維實(shí)體模型,如圖2所示。

圖2 高壓轉(zhuǎn)子三維實(shí)體模型

通過(guò)UG與ANSYS的接口技術(shù),把UG建立的實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中生成轉(zhuǎn)子的有限元分析模型如圖3所示。最后得到汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的有限元模型,為后續(xù)的轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性分析提供了比較精確的分析模型。

圖3 高壓轉(zhuǎn)子有限元網(wǎng)格模型

3 高壓轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,以獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等重要信息,在動(dòng)力學(xué)分析中是一個(gè)必不可少的步驟。通過(guò)模態(tài)分析,可以幫助人們認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的振動(dòng)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)。在很多場(chǎng)合,模態(tài)分析都起著舉足輕重的作用,譬如結(jié)構(gòu)都必須避免共振,通過(guò)模態(tài)分析之后就可以了解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動(dòng)形式,并對(duì)此采取必要的措施,從而避免在使用中由于共振因素造成不必要的損失[5]。

3.1 有限元前處理

設(shè)置材料參數(shù):楊氏模量E=2×1011N/m2,泊松比μ=0.3,密度ρ=7850kg/m3。在實(shí)際中,高壓轉(zhuǎn)子工作環(huán)境十分惡劣、轉(zhuǎn)速快,由于計(jì)算機(jī)條件有限,本文采用ANSYS中的手動(dòng)劃分網(wǎng)格來(lái)控制網(wǎng)格的數(shù)量和大小,劃分網(wǎng)格后高壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)共有420983個(gè)單元,78715個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分網(wǎng)格后轉(zhuǎn)子模型如圖4所示。為了模擬真實(shí)轉(zhuǎn)子的兩端支承,軸承支承系統(tǒng)被簡(jiǎn)化為彈簧-阻尼支承。在ANSYS中可以用COMBIN14單元來(lái)表示,該單元具有一維、二維和三維應(yīng)用中的軸向或扭轉(zhuǎn)的性能。

圖4 高壓轉(zhuǎn)子有限元網(wǎng)格模型

3.2 加載求解

在ANSYS中定義分析類(lèi)型為模態(tài)分析,并設(shè)置相應(yīng)的分析類(lèi)型,包括分析所要提取的模態(tài)階數(shù),以及需要擴(kuò)展的階數(shù),然后對(duì)其進(jìn)行加載求解[6～8]。本文中對(duì)轉(zhuǎn)子模型支承部件的自由度約束,根據(jù)轉(zhuǎn)子實(shí)際工作時(shí)的情況,對(duì)轉(zhuǎn)子施加的位移約束包括:用于模擬支承結(jié)構(gòu)的彈簧單元,在外節(jié)點(diǎn)處施加所有三個(gè)方向的零位移約束；彈簧單元的內(nèi)端是與轉(zhuǎn)軸通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連接的,根據(jù)徑向和軸向軸承分別約束相應(yīng)的自由度。

圖5 轉(zhuǎn)子的固有頻率

圖6 轉(zhuǎn)子第一階振型

執(zhí)行求解程序并經(jīng)模態(tài)擴(kuò)展后求解的結(jié)果被寫(xiě)入到結(jié)果文件中,其中包含有固有頻率、已擴(kuò)展模態(tài)的振型以及相應(yīng)的盈利分布等信息。給出了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子ANSYS求解得到的前五階固有頻率如圖5所示。振型是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所固有的振動(dòng)表現(xiàn)形態(tài),振型的動(dòng)畫(huà)顯示及分析是模態(tài)分析中最廣泛,最基本的應(yīng)用。分別提取了高低壓轉(zhuǎn)子的前五階振型,高低壓轉(zhuǎn)子的振型圖見(jiàn)圖6～圖10所示。

圖8 轉(zhuǎn)子第三階振型

圖9 轉(zhuǎn)子第四階振型

3.3 結(jié)果分析

從圖5可以看出,船舶高壓轉(zhuǎn)子第一、二階頻率分別為72.199Hz和284.27Hz。兩者相差較大,而高階頻率之間相差較小,雖然機(jī)組的工作頻率較大,但不會(huì)超過(guò)300Hz,由于工作頻率會(huì)處于前兩階頻率之間,因此,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)的過(guò)程中必然經(jīng)過(guò)第一階臨界轉(zhuǎn)速,通過(guò)模態(tài)分析得到的前兩階頻率為保證轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定運(yùn)行提供了理論依據(jù),一般處于轉(zhuǎn)速15%區(qū)域內(nèi)工作時(shí)轉(zhuǎn)子發(fā)生故障的可能性減小[9]。

圖10 轉(zhuǎn)子第五階振型

根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速與固有頻率的關(guān)系得到高壓轉(zhuǎn)子的一、二階臨界轉(zhuǎn)速為4331.94r/min和17056.2r/min。由已有的該船用發(fā)電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的相關(guān)運(yùn)行參數(shù),可知轉(zhuǎn)子在1.0工況下的工作轉(zhuǎn)速在4331.94r/min和17056.2r/min之間,且工作轉(zhuǎn)速偏離其臨界轉(zhuǎn)速的裕度大于30%,滿(mǎn)足相關(guān)文獻(xiàn)[10]關(guān)于轉(zhuǎn)速偏離臨界轉(zhuǎn)速裕度的要求。

但是大功率汽輪機(jī)組在運(yùn)行的過(guò)程中,轉(zhuǎn)速?gòu)?r/min上升到工作轉(zhuǎn)速的,該汽輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速大概為6800r/min,啟動(dòng)的過(guò)程中必然會(huì)經(jīng)過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速4331.94r/min,發(fā)生共振是不可避免的。因此,如何很好的控制機(jī)組經(jīng)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速來(lái)保證轉(zhuǎn)子振幅不至于過(guò)大將是非常重要的。

由圖6～圖10可以看出,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的模態(tài)振型比較復(fù)雜,包含有彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及輪盤(pán)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某船用高壓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)工作特點(diǎn),采用三維實(shí)體建模軟件UG和ANSYS有限元分析軟件建立了轉(zhuǎn)子的有限元分析模型。利用數(shù)值仿真軟件計(jì)算了轉(zhuǎn)子的前五階模態(tài),得到了轉(zhuǎn)子的前兩階臨界轉(zhuǎn)速及振型。計(jì)算結(jié)果表明:

1) 通過(guò)模態(tài)分析得到的前兩階頻率為保證轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定運(yùn)行提供了理論依據(jù),轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有良好的剛度。

2) 轉(zhuǎn)子在1.0工況下的工作轉(zhuǎn)速在4331.94r/min和17056.2r/min之間,且工作轉(zhuǎn)速偏離其臨界轉(zhuǎn)速的裕度大于30%,滿(mǎn)足文獻(xiàn)關(guān)于轉(zhuǎn)速偏離臨界轉(zhuǎn)速裕度的規(guī)定。

3) 機(jī)組啟動(dòng)的過(guò)程中必然會(huì)經(jīng)過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速4331.94r/min,發(fā)生共振是不可避免的,如何很好的控制轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速來(lái)保證轉(zhuǎn)子振幅不至于過(guò)大將是非常重要的。

本文通過(guò)對(duì)船舶大功率高壓轉(zhuǎn)子的建模及模態(tài)分析,可以為進(jìn)一步轉(zhuǎn)子的其它動(dòng)力學(xué)分析提供理論模型,為進(jìn)一步船舶機(jī)組振動(dòng)的故障診斷奠定基礎(chǔ)。

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Modeling and Modal Analysis of the High Pressure Rotor of the Ship

YANG Yong1ZHOU Hongbing1DENG Xianhui1XIE Qiang2

(1. Navy Representative Office in Shanghai Jiangnan Shipy(Group) Co. Ltd, Shanghai 201913) (2. No. 91370 Troops of PLA, Fuzhou 350015)

Based on the structural feature of a ship power high-pressure rotor, the finite element model of a ship power high-pressure rotor was built on the basis of reasonable simplified processing through UG and ANSYS software. The modal analysis of the rotor was done through finite element numerical analysis software. The rotor of the top 5 order natural frequency and vibration mode was obtained. Through the analysis of calculation results verified the reliability of the rotor, and provide other high-pressure rotor dynamics analysis model, in order to further lay the foundation for ship vibration fault diagnosis.

finite element modal, modal analysis, rotor, rotor dynamics analysis

2014年6月10日,

2014年7月13日

楊勇,男,碩士,工程師,研究方向:船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

TH455

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.025