高速多级空气透平膨胀机转子动力学研究.pdf

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1、174化工机械2016年高速多级空气透平膨胀机转子动力学研究+季伟“孙郁张武(中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所))摘要对一种新型多级同轴空气透平膨胀机进行了转子动力学研究，利用ANSYS建立了转子轴承系统临界转速的理论计算模型，使用半联轴器等效了减速器高速轴的影响，并通过大量升速实验验证了计算结果。研究结果显示该空气透平额定转速位于一阶和二阶临界转速之间，其实际一阶临界转速为18600r／rain，理论计算结果和实验结果误差为2．9％；计算了不同轴承刚度下转予轴承系统的固有频率，并通过转子振型图分析了一阶和二阶临界转速下最大振幅处的

2、位置，为转子的设计提供了理论依据。关键词空气透平膨胀机临界转速轴承刚度转子振型中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254石094(2016)02-0174-04近年来透平膨胀机被广泛应用于低温制冷、能量回收、空气分离及天然气液化等领域。由于透平膨胀机功率越来越大，转速越来越高，转子越来越柔，一旦转子设计不合理，设备发生故障，所引起的事故损失往往是巨大的¨。1。在空气透平膨胀机设计过程中，由于工质比焓降较大，气体流速非常高，为了达到较高的绝热效率，透平转子也必须具有较高的工作转速。因此，转子的稳定性是高速空气透平膨胀机设计的关键。为了保

3、证空气透平的平稳运行，其设计转动频率与转子轴承系统横向振动的各阶固有频率不能相等，通常应小于二阶固有频率。当空气透平的设计转动频率接近转子轴承系统的一阶或二阶固有频率时，临界转速敏感转子会产生强烈的振动和噪声，进而引起高速转子失稳，严重时甚至会造成转子轴承系统损毁H”-。在压缩空气储能技术中，用于发电的高速透平膨胀机是核心设备。然而，目前该储能技术的研究多集中在流程优化、数值计算及热力学仿真等方面，鲜有关于透平膨胀机设计的报道¨’9。。笔者基于国内首套500kW压缩空气储能示范装置，设计了新型多级同轴高速空气透平膨胀机，并对其转子轴承系统的临界转

4、速进行了理论和实验研究。1理论计算模型1．1转子轴承系统基本结构介绍压缩空气储能系统分为储能阶段和释能阶段。在释能发电阶段，高压空气经过节流后进入空气透平膨胀机实现接近绝热的膨胀做功过程，高速透平通过连接减速器降低转速，进而驱动发电机发电。为了提高发电功率，同时使结构简单紧凑，易于调试，该空气透平采用了多级同轴径流式结构，转速为30000r／min。同时，由于空气级间回热流道的布置，转子轴系较长。空气透平主轴通过挠性膜片式联轴器与减速器高速轴连接，属于高速多跨轴系。图l是该空气透平的转子轴承系统结构示意图，主要包括主轴、各级叶轮、轴套、轴端锁母、

5、止推轴承、支撑轴承及半联轴器等结构。主轴是一根阶梯轴，为转子的旋转基体，主轴通过两个可倾瓦轴承实现径向定位，并通过止推轴承实现轴向定位。叶轮是实现高压空气绝热膨胀做功的主要部件，其轴向位置由轴套和轴端锁母固定。由于透平设计阶段减速器结构未知，因此取半联轴器·中国科学院低温工程学重点实验室开放课题资助项目(YOAS011104)。}_季伟，男，1987年10月生。研究实习员。北京市，100190。第43卷第2期化工机械175等效减速器高速轴对透平转子的影响建立计算模型。rL——————，黧芯§＼一心午⋯扩⋯I-I辐日一l卜⋯十一●■■I。导。＼一N

6、阡fF‘丁辛目‘7I／．图1转子轴承系统结构示意图1．2理论计算模型从力学角度来看，计算临界转速就是求解一个机械系统的特征值。一般一个旋转机械系统的运动微分方程如下‘⋯+：肘j+(C+G)z+(K+S)z=F(1)式中C——阻尼矩阵；，——广义外力；G——陀螺矩阵；K——刚度矩阵的对称部分；M——系统的质量矩阵；

7、S——刚度矩阵的不对称部分；。——广义坐标矢量。各矩阵一般都是转速山的函数，求解较困难，因此最常用的方法是传递矩阵法和有限元法‘1。”。。笔者利用ANSYS对转子轴承系统进行三维建模，计算临界转速并与实验结果对比。图2是转子轴承系统的有

8、限元模型。其中，主轴、轴套、叶轮、轴端锁母和半联轴器均采用solidl85单元，通过8个节点来构造三维固体结构。轴承采用combin214弹簧阻尼单元，允许在平面内两个垂直方向定义刚度和阻尼特性，模拟轴承的油膜特性。主轴、轴套、轴端锁母和半联轴器使用合金钢，密度为7800kg／m3，泊松比为0．3，弹性模量为200GPa；叶轮材料采用锻铝，密度为2800kg／m3，泊松比为0．3，弹性模量为70MPa；轴承刚度取105～10“N／m，油膜阻尼取20kN·s／m。同时，为了简化模型的建立，避免网格划分困难，提高计算效率，在ANSYS建模过程中对转子

9、进行了如下简化：忽略诸如键槽、倒角、圆角、测速齿及甩油槽等结构细节；使用圆盘对各级叶轮进行等效，保证质量、转动惯量和重心位置一致。图2转