某船舶大功率高壓轉子建模及模態(tài)分析*

楊 勇 周紅兵 鄧賢輝 謝 強

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

某船舶大功率高壓轉子建模及模態(tài)分析*

楊 勇1周紅兵1鄧賢輝1謝 強2

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

針對某船舶大功率高壓轉子的結構特點,對其轉子在合理的簡化處理基礎上,通過UG和ANSYS軟件建立其有限元分析模型。通過有限元數(shù)值分析軟件對轉子模型進行模態(tài)求解,得到了轉子的前五階固有頻率和振型。通過對計算結果的分析驗證了轉子工作的可靠性,并為高壓轉子的其它動力學分析提供模型,為進一步船舶機組振動的故障診斷奠定基礎。

有限元模型; 模態(tài)求解; 轉子; 動力學分析

Class Number TH455

1 引言

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

為了研究某型船舶大功率轉子的振動特性,本文通過對船舶高壓轉子的有限元建模,使用數(shù)值仿真方法對其進行動力學分析。計算得到轉子的固有頻率和振型和臨界轉速,通過對計算結果的分析驗證了轉子工作的可靠性,并為高壓轉子的進一步動力學分析打下了基礎。

2 大功率高壓轉子的實體建模

通過對大功率汽輪機組高壓轉子模型的簡化處理,并利用軟件UG建立高壓轉子的實體模型。首先,進行高壓轉子的實體建模,繪制經簡化后的汽輪機剖面草圖如圖1所示。

圖1 高壓汽輪機轉子剖面圖

通過對剖面草圖的旋轉操作,最終得到簡化后的高壓轉子三維實體模型,如圖2所示。

圖2 高壓轉子三維實體模型

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

圖3 高壓轉子有限元網格模型

3 高壓轉子的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于計算結構的振動特性,以獲取結構的固有頻率和振型等重要信息,在動力學分析中是一個必不可少的步驟。通過模態(tài)分析,可以幫助人們認識結構的振動特性,對結構進行合理的振動評價和設計。在很多場合,模態(tài)分析都起著舉足輕重的作用,譬如結構都必須避免共振,通過模態(tài)分析之后就可以了解結構的固有頻率和振動形式,并對此采取必要的措施,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。在實際中,高壓轉子工作環(huán)境十分惡劣、轉速快,由于計算機條件有限,本文采用ANSYS中的手動劃分網格來控制網格的數(shù)量和大小,劃分網格后高壓轉子系統(tǒng)共有420983個單元,78715個節(jié)點。劃分網格后轉子模型如圖4所示。為了模擬真實轉子的兩端支承,軸承支承系統(tǒng)被簡化為彈簧-阻尼支承。在ANSYS中可以用COMBIN14單元來表示,該單元具有一維、二維和三維應用中的軸向或扭轉的性能。

圖4 高壓轉子有限元網格模型

3.2 加載求解

在ANSYS中定義分析類型為模態(tài)分析,并設置相應的分析類型,包括分析所要提取的模態(tài)階數(shù),以及需要擴展的階數(shù),然后對其進行加載求解[6～8]。本文中對轉子模型支承部件的自由度約束,根據轉子實際工作時的情況,對轉子施加的位移約束包括:用于模擬支承結構的彈簧單元,在外節(jié)點處施加所有三個方向的零位移約束；彈簧單元的內端是與轉軸通過節(jié)點相連接的,根據徑向和軸向軸承分別約束相應的自由度。

圖5 轉子的固有頻率

圖6 轉子第一階振型

執(zhí)行求解程序并經模態(tài)擴展后求解的結果被寫入到結果文件中,其中包含有固有頻率、已擴展模態(tài)的振型以及相應的盈利分布等信息。給出了汽輪機轉子ANSYS求解得到的前五階固有頻率如圖5所示。振型是轉子系統(tǒng)結構所固有的振動表現(xiàn)形態(tài),振型的動畫顯示及分析是模態(tài)分析中最廣泛,最基本的應用。分別提取了高低壓轉子的前五階振型,高低壓轉子的振型圖見圖6～圖10所示。

圖8 轉子第三階振型

圖9 轉子第四階振型

3.3 結果分析

從圖5可以看出,船舶高壓轉子第一、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,雖然機組的工作頻率較大,但不會超過300Hz,由于工作頻率會處于前兩階頻率之間,因此,汽輪機轉子在啟動的過程中必然經過第一階臨界轉速,通過模態(tài)分析得到的前兩階頻率為保證轉子能夠穩(wěn)定運行提供了理論依據,一般處于轉速15%區(qū)域內工作時轉子發(fā)生故障的可能性減小[9]。

圖10 轉子第五階振型

根據臨界轉速與固有頻率的關系得到高壓轉子的一、二階臨界轉速為4331.94r/min和17056.2r/min。由已有的該船用發(fā)電汽輪機轉子的相關運行參數(shù),可知轉子在1.0工況下的工作轉速在4331.94r/min和17056.2r/min之間,且工作轉速偏離其臨界轉速的裕度大于30%,滿足相關文獻[10]關于轉速偏離臨界轉速裕度的要求。

但是大功率汽輪機組在運行的過程中,轉速從0r/min上升到工作轉速的,該汽輪機工作轉速大概為6800r/min,啟動的過程中必然會經過一階臨界轉速4331.94r/min,發(fā)生共振是不可避免的。因此,如何很好的控制機組經過臨界轉速來保證轉子振幅不至于過大將是非常重要的。

由圖6～圖10可以看出,汽輪機轉子的模態(tài)振型比較復雜,包含有彎曲振動、扭轉振動以及輪盤的扭轉振動。

4 結語

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

1) 通過模態(tài)分析得到的前兩階頻率為保證轉子能夠穩(wěn)定運行提供了理論依據,轉子結構具有良好的剛度。

2) 轉子在1.0工況下的工作轉速在4331.94r/min和17056.2r/min之間,且工作轉速偏離其臨界轉速的裕度大于30%,滿足文獻關于轉速偏離臨界轉速裕度的規(guī)定。

3) 機組啟動的過程中必然會經過一階臨界轉速4331.94r/min,發(fā)生共振是不可避免的,如何很好的控制轉子經過臨界轉速來保證轉子振幅不至于過大將是非常重要的。

本文通過對船舶大功率高壓轉子的建模及模態(tài)分析,可以為進一步轉子的其它動力學分析提供理論模型,為進一步船舶機組振動的故障診斷奠定基礎。

[1] 趙常興.汽輪機組技術手冊[M].北京:中國電力出版社,2007.

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[10] 趙長興.汽輪機組技術手冊[M].北京:中國電力出版社,2007.

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:船舶與海洋結構物設計制造。

TH455

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.025