PX 裝置用二甲苯塔底泵轉子動力特性分析及熱變形預測

劉建新

（中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

國內外學者在轉子動力系統動力特性取得了一定成果，而在轉子系統平穩運動及高溫高壓條件動靜件間熱變形量控制等方面不夠深入。本文采用理論分析和數值模擬相結合方法開展泵轉子臨界轉速、轉子系統不平衡度以及在高溫高壓極端工況口環間隙熱變形等相關研究，對指導二甲苯塔底泵設計具有重要學術價值，并具有重要的工業意義。

1 模型建立

二甲苯塔底泵為BB2 型，其參數：流量3096m3/h，揚程154m，轉速1485r/min，電機功率1000kW。兩雙吸葉輪采用交錯布置方式，葉輪外徑745mm，葉片寬度66mm，葉片數5 片。

2 邊界條件

轉子動力系統計算有限元分析中單元類型對分析結果有很大影響，查尋得單元類型為高階三維10 節點SOLD187 固體結構單元，該單元通過10 個節點來定義，每個節點有3個沿著X，Y，Z 方向的平移自由度，具有很好的二階位移模式可很好地模擬不規則圖形。泵軸材料20Cr13，彈性模量206GPa，泊松比3.0，比重8.9。

為更好地獲得高溫高壓條件動靜間隙分布，需對其進行熱變形分析，在部件接觸面、口環位置進行網格加密處理。考慮計算機計算能力和準確性，最終網格單元總數為406 萬，節點數為536 萬。本文采用熱-固耦合有限元分析方法，依托ANSYS Workbench 工作平臺。在流固接觸面施加溫度載荷（temperature）。在泵體、托架、泵蓋等外部與空氣接觸面存在熱對流現象，故在與空氣接觸的表面施加熱對流（convection）載荷。為防止泵進口產生汽化，計算時保證工藝等流程可靠運行，泵進口壓力為1.479MPa，介質溫度為300℃。

3 結果分析

3.1 轉子動力特性分析

（1）臨界轉速。根據泵運行條件和約束條件，借助有限元分析方法，獲得了轉子系統的1 階臨界轉速及變形圖，如圖1 所示。

圖1 轉子系統臨界轉速及變形圖

從圖1 看出一階固有頻率73.875Hz，一階臨界轉速4432.5r/min，而軸實際運行轉速1485r/min。根據旋轉機械設計要求，臨界轉速與實際運行轉速比為2.98，遠大于規定的1.4 倍，故PX 泵軸臨界轉速的設計滿足要求。

（2）轉子系統不平衡響應分析。轉子系統不平衡響應分析，可以預測可能存在的不平衡響應特性，在設計階段予以避免，保證泵運行的穩定性和安全性。根據上述分析結果，設定研究角速度范圍，為便于分析定義入口左側為葉輪1，右側為葉輪2。假定葉輪1 處分別存在質量為0.001kg、偏心距為0.001m 的不平衡量1，結果如圖2 所示。

圖2 中可以看出，葉輪在臨界轉速附近存在較大不平衡位移響應，且兩處響應都在二階臨界轉速時候較大，葉輪1處最大位移響應-4.4～-4.0mm，葉輪2 處最大正位移響應4.0～4.5mm。兩葉輪處不平衡響應偏差較小且不平衡響應位于二階臨界轉速附近。

根據上述結果，在兩葉輪處同時施加0.5N，設置分析類型，并指定激振頻率范圍為50～600Hz，分4000 個子步求解，葉輪唯一響應和軸承支反力響應如圖3 所示。

圖2 存在不平衡量1 葉輪1、2 處位移響應圖

圖3 同向施加不平衡量葉輪1 和2 位移響應圖和支反力響應圖

由圖3（a）可以看出，葉輪在一階臨界轉速附近存在較大不平衡位移響應，葉輪1 處最大位移響應1.2mm，葉輪2處最大位移響應1.5mm。由圖3（b）可看出，軸承在臨界轉速附近存在較大支反力響應，軸承1 在二階臨界轉速附近支反力較小，在三階臨界轉速附近支反力最大達400N。軸承2在一階臨界轉速附近支反力最大達3950N。

3.2 熱變形及熱應力分布

圖4 為300℃時，驅動端泵體口環和葉輪口環及非驅動端泵體口環和葉輪口環變形示意圖。可以看出，無論是驅動端還是非驅動端處泵體口環，其變形量都大于相應葉輪口環變形量，且泵體口環和葉輪口環變形量最大位置相對應。

圖4 動靜間口環變形示意圖

模擬得出，非驅動端泵體口環最大變形量1.472mm，葉輪口環最大變形量1.295mm，非驅動端口環相對變形量0.177mm；驅動端泵體口環最大變形量1.474mm，葉輪口環最大變形量1.291mm，驅動端口環相對變形量0.184mm；考慮加工、高溫和安全運轉的因數，參考API610 運轉間隙推薦表，最終確定泵體口環和葉輪口環間隙為0.5mm。

4 結語

二甲苯塔底泵轉子系統平穩運行和高溫高壓條件下動靜部件熱變形量控制是設計關鍵因素。本文采用有限元法對現有極端工況條件下PX 泵轉子系統進行運動分析，并對高溫高壓下動-靜口環間隙進行計算，結果表明：一階臨界轉速與實際運行轉速比為2.98，遠大于規定的1.4 倍，轉子動力系統運行不會出現共振現象。300℃高溫、1.479MPa 進口壓力條件下，驅動端口環相對變形量0.184mm，考慮加工、高溫和安全運轉因數，最終確定泵體口環和葉輪口環之間的間隙為0.5mm。