|
胡以耀，代 珣，张澄东，张 辉 (中国电建集团上海能源装备有限公司，上海 212013) 摘 要：为了研究对称和非对称结构的多级锅炉给水泵转子系统的临界转速，应用ANSYS软件中的Workbench组件对给水泵主要转子部件进行临界转速的计算，获得了转子部件的临界转速，结果表明，非对称布置的叶轮导叶结构会降低转子部件的临界转速，但仍然大于泵运行时的额定转速的安全运行范围。所采用的针对某型锅炉给水泵的临界转速的研究方法，可为同类给水泵产品转子系统的研究提供参考。 关键词：锅炉给水泵；临界转速；数值计算；非对称布置 对于锅炉给水泵而言，转子部件的临界转速远大于泵运行的最大转速是保证整个给水泵机组运行可靠性和使用寿命的重要前提[1]。对于泵的转子系统而言，不同布置的转子部件(对称和非对称)，轴沿着径向方向的振幅会有明显不同，为保证泵的正常运行，泵的临界转速应大于转子最高转速的25%。 本文以某型高温高压锅炉给水泵为研究对象。给水泵以径向滑动轴承为支承，这样的长轴在高速运行中，一旦临界转速过小，泵轴就会成为柔性轴，从而导致泵轴抱死，造成停机过程中叶轮与导叶碰撞，直接损坏导叶，这种情况对于泵组的安全运行是极其不利的[2]。 本文应用ANSYS软件中的Workbench组件，通过数值计算的方法， 在保证准确原则的前提下简化模型，计算转子部件在对称布置和非对称布置下的临界转速，可为类似给水泵产品转子系统的研究提供参考。 1 给水泵结构某型多级给水泵结构示意图如图1所示。运行中，泵体水平放置，流体通过吸入室进入进口段叶轮，经首级叶轮后进入径向导叶，出流进入第2级叶轮、导叶……，当流体从进口段末级导叶出流后进入中间过渡段时，通过分流段以及中间过渡段进入吐出段，过渡到出口段首级叶轮、导叶……，直至末级导叶出口进入分流段，再通过中间过渡段经吐出段进入出水壳，经出口法兰流出[3]。  图1 某型给水泵结构示意图 2 给水泵临界转速计算方法[4]根据经验总结，给水泵的第1临界转速的近似公式为：  式中，d为最大轴径；l为轴承的间距；G为转子总质量；k为经验系数，对沿着长度方向近似为等直径的轴，取k=8.1。该经验公式适用于多级泵的临界转速的计算。假定轴上的叶轮质量分布均匀，则级数越多，计算越准确。该公式不适用于填料函密封的泵。 对于多级泵而言，若级数过多，用邓克莱公式则更加准确，即：  式中， 3 数值计算方法3.1 设计参数 某型给水泵20级叶轮，选择叶轮导叶结构，导叶外部有泵壳。给水泵为卧式运行，主要设计参数为：运行温度170 ℃，流量Q=200 t/h，出口压力P出=20.3 MPa，总扬程H=2 050 m，转速n=2 985 r/min，比转数ns=82.8。 3.2 计算区域 给水泵转子部件三维模型如图2和图3所示，包括泵轴、键、叶轮和轴套等部件，整体结构复杂，不宜直接采用Workbench建模。本文应用UG三维软件对其各部件进行简化实体建模，然后对其各部件进行组装。建模时选取的是泵体上的转子部件，并没有选取电动机转子部件，这样可以降低模型网格的数量，减少计算时间，且并不影响对泵体的转子部件的准确计算。  图2 对称布置转子部件三维模型  图3 非对称布置转子部件三维模型 3.3 约束条件 本泵模拟时假设为卧式结构，因此重力加速度选择为软件中默认的加速度9.806 6 m/s2，方向竖直向下，转速为2 985 r/min。考虑到转子部件受到预应力的作用会发生一定的形变，材料属性选择弹性体，Workbench中对分析对象赋予的材料属性默认是结构钢，针对本研究中叶轮、泵轴和轴键的材料属性不同，设置材料的弹性模量、泊松比、密度、抗剪切模量、屈服强度和张力强度，同时默认求解前6阶模态，振型设置为前6阶模态对应的振型，具体荷载约束设置如图4和图5所示。  图4 对称布置转子部件的荷载约束  图5 非对称布置转子部件的荷载约束 3.4 模拟特性分析 通过后处理器提取对称布置转子部件前6阶的固有频率及其对应的振型，结果如图6所示。在第1、2阶模态中，振动方向分别沿着X或Y方向，在振动中产生一个最大挠度波形，泵轴已经变成柔性轴，叶轮等转子部件产生横向位移，转动中会撞击导叶、泵体等其他部件，产生严重零件磨损，导致转子部件无法正常运行，整泵无法工作；第3、4阶模态转子部件产生径向振动，同第1、2阶模态振型相似，同样会导致整泵无法工作；第5阶模态显示在进口段转子部件产生轴向振动，振动方向分别沿着Z方向，转子部件径向未发生较大变形，但轴向变形会使叶轮轴套等转子部件产生轴向偏移，同时轴套及叶轮轮毂会发生挤压变形，长期运行会降低轴套使用寿命，间接降低整泵使用寿命；第6阶模态转子部件产生轴向振动，与第5阶模态振型相似，振动方向沿着Z方向，轴套及叶轮轮毂之间发生挤压变形，影响泵的使用寿命。   图6 对称布置转子部件前6阶振型图 对比对称布置转子部件模态振型图，非对称布置转子部件振型图的前6阶模态振型有所不同，具体结果如图7所示。从非对称布置的振型图中可以看出，第1、2阶模态转子部件产生径向振动，无挠度变形。与对称布置比较，第1阶模态出口段出现较大挠度，因为泵轴出口段的两支点间距增加，且预应力加载在叶轮上，出口段叶轮增加，因此更容易出现较大挠度变形，它的危害和对称布置转子部件相似，会带动叶轮等转子部件产生横向位移，转动中会撞击导叶、泵体等其他部件，产生严重零件磨损，导致转子部件无法正常运行，整泵无法工作；第3阶模态显示在出口段转子部件产生轴向振动，振动方向分别沿着Z方向，转子部件径向未发生较大变形，但轴向变形会使叶轮轴套等转子部件产生轴向偏移，同时轴套及叶轮轮毂会发生挤压变形，长期运行会降低轴套使用寿命，间接降低整泵使用寿命；第4～6阶模态显示在出口段转子部件产生径向振动，振动方向分别沿着X或Y方向，同第1、2阶模态振型相似，在振动中产生一个最大挠度波形，泵轴变成柔性轴，转动中会撞击导叶、泵体等其他部件，导致转子部件无法正常运行，整泵无法工作。
图7 非对称布置转子部件前6阶振型图 从给水泵对称布置和非对称布置转子部件的振型图可以看出，发生径向振动的振型对应的是转子部件达到临界转速时的振型。根据相关文献[5-6]，每个临界转速对应2种振型，因此其对应的固有频率也有2个。结合临界转速的定义及振型图，可以看出对称布置和非对称布置转子部件对应临界转速的固有频率。具体见表1。 表1 给水泵转子部件固有频率 模态固有频率/Hz对称非对称158.938.6158.9539.1271.7114.7271.8115.73166.8118.63166.9119.6 从表1中的数据可以看出，对称布置的给水泵转子部件的固有频率较高，是因为非对称布置的支点距离增加，载荷增加，转子的动静不平衡程度升高。根据转子部件的临界转速与固有频率成对应关系，可以得到转子部件的临界转速(见表2)。 表2 给水泵转子部件临界转速 模态临界转速/r·min-1对称非对称13534231613537234624302688224308694231000871163100147176 从表2中的数据可以看出，对称布置和非对称布置的转子部件第1临界转速均大于泵的额定转速，因此，泵在运行过程中泵轴始终处于刚性轴状态，不会出现过度的挠度变形。 4 结语通过ANSYS软件中的Workbench组件对某型给水泵转子系统进行对称布置和非对称布置的转子部件进行对比分析，得到了2种转子部件的形式，前3阶临界转速值全部满足安全要求。对称布置和非对称布置的转子部件第1临界转速均大于泵的额定转速，因此，泵在运行过程中泵轴始终处于刚性轴状态，不会出现过度的挠度变形。 参考文献： [1] 关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,1995. [2] 郭志强,吴文健,满亚辉,等. 基于ANSYS有限元方法对相变材料相变过程的分析[J]. 新技术新工艺, 2017, 11(4):87-89. [3] 周培显. 基于Pro/E曲柄滑块机构的运动仿真及分析[J]. 新技术新工艺, 2012, 2(1):26-28. [4] 王美,宋广彬,张学军. 对现代机械制造企业工艺技术工作的研究[J]. 新技术新工艺, 2011, 2(1):83-88. [5] 王瑞金. 磁流体技术的应用与发展[J]. 新技术新工艺, 2011, 10(3):15-18. [6] 金向红,金有海,王建军,等. 气液旋流分离技术的研究[J]. 新技术新工艺, 2007, 2(1):85-88. 责任编辑 郑练 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 中图分类号：TH 31 文献标志码：A 作者简介：胡以耀(1984-)，男，工程师，主要从事火电及新能源设备等方面的研究。 收稿日期：2017-03-06 |
|
|
为转子部件的总临界转速；
为轴的临界转速；n
