李宏波，蔣 楠，張治平，劉 華( 珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070 )

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

李宏波，蔣 楠，張治平，劉 華
( 珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070 )

核電站用離心式壓縮機(jī)對(duì)機(jī)組可靠性要求非常高，在研制任務(wù)書中明確要求轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速需大于最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速的20%，并且壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)需小于0.03mm。需對(duì)變頻直接驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)和定頻齒輪驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)均進(jìn)行模擬分析，并輔以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的安全可靠。

核電；離心壓縮機(jī)；滑動(dòng)軸承；DyRoBe′S；臨界轉(zhuǎn)速

0 引言

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，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。

1 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)。

(1)

式中：

x —軸向坐標(biāo)；

y —圓周向坐標(biāo)；

h —油膜厚度；

μ —潤(rùn)滑油粘度；

Gx—軸向紊流流量系數(shù)；

Gy—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：

(2)

將式(2)變換為廣義特征問題方程，如下所示：

(3)

式中：x為特征向量；v為其特征值。

式(3)的各階特征值：

vi=ui±jωi(i=1，2，…)，

其虛部ωi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。

2 DyRoBe′S軟件計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軸承和轉(zhuǎn)子的模型，在DyRoBe′S—bearing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′S—rotor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、圖2所示。

圖1 變頻直接驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子模型

圖2 定頻齒輪驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子模型

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8000r/min，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12039r/min和10222r/min(如圖3、圖4所示)。

圖3 變頻離心式壓縮機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速

圖4 定頻離心式壓縮機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速

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1.2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103～106N/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5、圖6所示：

圖5 變頻離心壓縮機(jī)前軸承受力分布圖

圖6 變頻離心壓縮機(jī)后軸承受力分布圖

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3.26X104N/mm，剛度系數(shù)最大值為7.746X104N/mm，均處于103～106N/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、圖8所示。

圖7 定頻離心壓縮機(jī)前軸承受力分布圖

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5.72X103N/mm，剛度系數(shù)最大值為2.286X105N/mm，均處于103～106N/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。

圖8 定頻離心壓縮機(jī)后軸承受力分布圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論計(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：

①點(diǎn)為壓縮機(jī)正面左支腳；

②點(diǎn)為壓縮機(jī)背面左支腳；

③點(diǎn)為壓縮機(jī)正面右支腳；

④點(diǎn)為壓縮機(jī)背面右支腳；

⑤點(diǎn)為電機(jī)與箱體水平；

⑥點(diǎn)為電機(jī)與箱體垂直；

⑦點(diǎn)為電機(jī)后蓋水平；

⑧點(diǎn)為電機(jī)后蓋垂直；

⑨點(diǎn)為電機(jī)尾端軸向；

⑩點(diǎn)為電機(jī)底部支撐。

圖9 壓縮機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表1 壓縮機(jī)名義工況振動(dòng)數(shù)值(振幅，單位：mm)

測(cè)點(diǎn)①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩變頻0.0110.0090.0180.0120.0170.0130.0090.0200.0160.009定頻0.0250.0230.0250.0230.0130.0250.0150.0140.0190.023

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)速應(yīng)高于最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速的20%，通過實(shí)驗(yàn)旁證壓縮機(jī)在運(yùn)行中一直都是運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)數(shù)值并未超過標(biāo)準(zhǔn)要求，并未發(fā)生共振的現(xiàn)象。因此核電站用離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子作為剛性轉(zhuǎn)子，不管是定頻齒輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，還是變頻直接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，都是安全可靠的。

[1] 鐘一諤，何衍宗，王正，等.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1987：69-97

[2] 聞邦椿，顧家柳，夏松波，等.高等轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)—理論、技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：81-86

[3] 韓天，史琳，張慶海.基于有限元的軸承參數(shù)變化對(duì)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子固有特性的影響研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2013，37(11)：14-17

[4] 鐘瑞興，張治平，蔣楠.離心壓縮機(jī)滑動(dòng)軸承性能影響因素分析與試驗(yàn)研究[J].制冷技術(shù)，2015，35(5)：31-35

[5] 徐龍祥.高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994

TheAnalyse of Centrifugal Compressor to Rotor Critical Speed on the Nuclear Power Station

LI Hongbo，JIANG Nan，ZHANG Zhiping，LIU Hua

( GREE Electric Appliances Inc.，Zhuhai，Guangdong，519070，China )

The demand of dependability on the nuclear power station is very high if it uses centrifugal compressor.There is a clear request in the manufactural task list which is the first rotor critical speed must exceed twenty percent of crowning circulate speed ，and the swing of compressor must less than 0.03 millimeter.It needs us carry through some simulation and analyse to the frequency conversion direct-driven compressor and ration gear-driven compressor ，and carry through some experiment to validate dependability of the result further more.

Nuclear power；Centrifugal compressor；Journal bearing；DyRoBe′S；Critical Speed，

2016-9-25

國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題(2014ZX06004004-005)

李宏波(1979-)，男，工程師，碩士。研究方向：離心式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)。Email：lihongbo79@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-038-05

TB652文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.007