氫渦輪泵轉(zhuǎn)子軸系動(dòng)力學(xué)模型

基于實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子軸系建模方法，利用DyRoBeS大型動(dòng)力學(xué)分析軟件建立氫渦輪泵轉(zhuǎn)子軸系動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，并分析其轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性，包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速、振型、穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性等。DyRoBeS作為一款面向工程的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件，建模方便快捷，具有豐富的功能和可靠的計(jì)算精度，能夠很大程度上提高計(jì)算效率，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于氫渦輪泵轉(zhuǎn)子軸系結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為建立能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際情況的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)算模型，建模時(shí)需要對(duì)轉(zhuǎn)子軸系進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。

建模準(zhǔn)則

根據(jù)氫渦輪泵轉(zhuǎn)子軸系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在建立轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型時(shí)采用以下幾點(diǎn)建模細(xì)則：

(1) 轉(zhuǎn)子軸上的軸套和葉輪輪轂等對(duì)轉(zhuǎn)子模態(tài)，尤其是高階模態(tài)有很大影響，考慮到轉(zhuǎn)子軸套和葉輪輪轂等對(duì)轉(zhuǎn)子剛度的加強(qiáng)作用，將軸套與葉輪輪轂等部件全部建立，采用實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子軸系模型修正方法進(jìn)行建模，轉(zhuǎn)子軸套和軸承內(nèi)圈厚度取實(shí)際尺寸的0.5倍，質(zhì)量不變，葉輪輪轂厚度不變，質(zhì)量忽略；

(2) 為進(jìn)行氫渦輪泵各密封位置密封動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響分析，在模型一級(jí)葉輪前后凸肩迷宮密封位置、級(jí)間密封位置、二級(jí)葉輪前后凸肩迷宮密封位置以及渦輪端三道氣流密封位置處建立節(jié)點(diǎn)，方便密封動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的施加；

(3) 計(jì)算模型采用兩支點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)，支承位置僅考慮徑向支承剛度和阻尼，并假設(shè)工作時(shí)支承結(jié)構(gòu)參數(shù)不發(fā)生變化；

(4) 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中圓弧位置近似采用錐形有限元模型，對(duì)螺釘?shù)炔糠中×慵M(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中倒角等微小的局部結(jié)構(gòu)；

根據(jù)建模細(xì)則在DyRoBeS動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。模型節(jié)點(diǎn)的劃分如圖3-19所示，轉(zhuǎn)子軸一共劃分為86個(gè)單元。其中18、33、54、73、76節(jié)點(diǎn)處為輪盤集中質(zhì)量施加點(diǎn)；30、38、48、52、56、68、70、73、74、76節(jié)點(diǎn)處為密封節(jié)點(diǎn)位置；40、44、60、64節(jié)點(diǎn)位置為轉(zhuǎn)子軸承節(jié)點(diǎn)位置，本次分析中采用兩支點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，兩節(jié)點(diǎn)位置為42節(jié)點(diǎn)和62節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)建模細(xì)則在DyRoBeS中建立的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型如圖3-20所示，其中a-e分別表示誘導(dǎo)輪、一級(jí)和二級(jí)葉輪以及一級(jí)和二級(jí)渦輪盤集中質(zhì)量，用圓圈表示；A-H表示轉(zhuǎn)子各密封節(jié)點(diǎn)位置，用彈簧表示；1和2分別表示計(jì)算模型支承位置，用彈簧支承表示；轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡可選去重平面位于兩級(jí)葉輪以及兩級(jí)渦輪盤位置，即b、c、d、e.

氫渦輪泵動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型參數(shù)

 (1) 計(jì)算模型材料及性能參數(shù)

氫渦輪泵動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型各部件材料及性能參數(shù)如表3-4所示。

 

(2) 計(jì)算模型支承參數(shù)

氫渦輪泵動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型采用兩支承結(jié)構(gòu)，渦輪端和泵端鼠籠彈性支承按等剛度考慮，等效剛度根據(jù)氫渦輪泵轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)位置支承剛度取為7*107N/m；支承位置金屬橡膠阻尼器對(duì)氫渦輪泵轉(zhuǎn)子軸系穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，計(jì)算模型阻尼值取為2N.s/mm。

(3) 集中質(zhì)量

氫渦輪泵動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型誘導(dǎo)輪、兩級(jí)葉輪和兩級(jí)渦輪集中質(zhì)量如表3-5所示。

表3-5氫渦輪泵動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型輪盤集中質(zhì)量

(4) 不平衡量施加位置及大小

在分析氫渦輪泵轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)時(shí)需在一級(jí)葉輪、二級(jí)葉輪、一級(jí)渦輪和二級(jí)渦輪位置分別施加一定大小，相位角為0°的的不平衡量。由于氫渦輪泵轉(zhuǎn)子加工質(zhì)量和裝配精度較高，且己做過低速動(dòng)平衡試驗(yàn)，動(dòng)平衡精度滿足GB/T9239-1988G1級(jí)，故計(jì)算模型不平衡量施加大小取5g·mm。

 氫渦輪泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算

臨界轉(zhuǎn)速及振型

根據(jù)建模準(zhǔn)則以及模型參數(shù)建立的不考慮氫渦輪泵轉(zhuǎn)子各密封位置動(dòng)態(tài)特性影響的氫渦輪泵動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型如圖3-21所示，對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析得到氫渦輪泵前三階臨界轉(zhuǎn)速、相對(duì)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的裕度以及對(duì)數(shù)衰減率如表3-6所示，轉(zhuǎn)子各階振型如圖3-20至3-22所示。

       氫渦輪泵轉(zhuǎn)子常溫狀態(tài)下運(yùn)行轉(zhuǎn)速為68000rpm。由計(jì)算所得數(shù)據(jù)可知轉(zhuǎn)子在運(yùn)行轉(zhuǎn)速內(nèi)跨過兩階臨界轉(zhuǎn)速，運(yùn)行轉(zhuǎn)速介于二階和三階臨界轉(zhuǎn)速之間，二階臨界轉(zhuǎn)速與三階臨界轉(zhuǎn)速和運(yùn)行轉(zhuǎn)速的裕度分別為37.3％和37.5％，可知?dú)錅u輪泵轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速選取較為合理。由氫渦輪泵轉(zhuǎn)子前三階臨界轉(zhuǎn)速下的對(duì)數(shù)衰減率可知在現(xiàn)有支承參數(shù)下轉(zhuǎn)子可穩(wěn)定運(yùn)行，其中二階臨界轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性較好。

由氫渦輪泵轉(zhuǎn)子振型圖可知轉(zhuǎn)子一階和二階振型為剛性振型，三階為彎曲振型，說明氫渦輪泵轉(zhuǎn)子剛性較大，其中一階振型是由靜不平衡引起，二階振型由力偶不平衡引起，故后期轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡可初步采用雙平面動(dòng)平衡方法。