旋轉機械壓液式自動平衡執行器流場仿真和性能參數分析

李薇 潘鑫 葛德宏 高金吉

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403016

摘 要 介紹了一種新型壓液式在線自動平衡系統，基于Fluent軟件，對執行器內部流場進行模擬仿真和性能參數分析，得到相關結論。實驗結果表明，平衡液轉移過程中，液體黏度10cSt比黏度100cSt時響應更快，為后續優化提供方向;轉子不平衡振幅從18.3 μm降低至10.6 μm，驗證了平衡系統的有效性。

關鍵詞 旋轉機械 自動平衡 仿生自愈 壓液式 ANSYS 仿真分析

中圖分類號 TQ051?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0440?09

Flow Field Simulation and Performance Parameter Analysis of Rotating Machinerys Hydraulic Auto?balancing Actuator

LI Wei 1，2， PAN Xin 1，2， GE De?hong 1，2， GAO Jin?ji 1，2

（1. MOE Engineering Research Center of Chemical Safety，Beijing Universiyt of Chemical Technology;2. Beijing Key Laboratory of Health Monitoring and Self?recovery for High?end Mechanical Equipment， Beijing University of Chemical Technology）

Abstract?? In this paper， a new hydraulic on?line auto?balancing system was described. Through having Fluent software based to simulate and analyze the flowfield within the actuator， the relevant conclusions were obtained and verified by experiments. The experimental results show that， the response of liquid viscosity 10cSt is faster than that of viscosity 100cSt， which provides the direction for later parameter optimization. The rotor unbalance amplitude decreased from 18.3 μm to 10.6 μm， verifies effectiveness of the balancing system.

Key words??? rotating machinery， auto?balancing， bionic self?healing， hydraulic type， ANSYS， simulation analysis

基金項目：北京市自然科學基金（批準號：3212010）資助的課題;國家自然科學基金（批準號：51875031）資助的課題。

作者簡介：李薇（2000-），碩士研究生，從事流體模擬仿真和自動平衡技術的研究。

通訊作者：潘鑫（1987-），副教授，從事動力工程與工程熱物理的研究，panxinbuct@163.com。

引用本文：李薇，潘鑫，葛德宏，等.旋轉機械壓液式自動平衡執行器流場仿真和性能參數分析[J].化工機械，2024，51（3）：440-447;493.

汽輪發電機組、大型風機及離心壓縮機等旋轉設備通常是化工、電力及航空航天等國家支柱行業的關鍵設備[1]。轉子作為上述旋轉設備的核心部件，其不平衡故障引起的振動超標是導致設備非正常停機的主要因素之一，嚴重制約設備的長周期安全穩定運行。對于因不平衡導致的振動超標，通常需要停機拆下轉子并在動平衡機上進行動平衡，或在現場做整機動平衡[2]。在無備機的場合，上述操作會使生產中斷，造成巨大的經濟損失。

在線自動平衡是一種典型的自愈調控系統，通過實時抑制轉子不平衡振動，有效減少故障停機次數，確保設備長周期安全運行[3]。目前美國、德國、意大利等國家已有成熟的在線自動平衡產品，根據平衡方式不同，可分為電動機驅動式、電磁滑環式和液體式三類，并已應用于高速主軸、磨床等設備[4]。

對于前兩種平衡裝置，旋轉部分不可避免地要引入一些可動部件，如偏心質量塊、機械傳動鏈等，結構較為復雜且易受環境影響，因此對裝置的抗干擾能力有較高要求[5]。相對而言，液體式平衡執行器由于具有結構簡單、平衡能力強、響應速度快的性能特點，更加適用于高速場合，在未來旋轉設備的高速化發展進程中具有更廣闊的應用空間。

近年來，國內外的很多學者致力于對液體式平衡裝置進行結構優化和性能改進，但往往克服已有缺陷的同時，會帶來新的問題：如KERLIN等的液氣式平衡裝置將驅動液體轉移的方式改為加熱汽化，導致其響應速度變慢，加工難度增大;STEERE J和LEWANDOWSKI T的氣壓液體式平衡裝置在連通管上增加了多余可動部件，使該裝置不再適用于高速;釋液式平衡裝置雖可以做到平衡液的可控排出，但注釋液兩種運行方式轉換條件判斷困難;連續注排式平衡裝置雖然既能注液又能排液，但無休止的工作要求執行機構具有更高的可靠性[6～8]。

筆者介紹了一種新型的氣壓液式自動平衡系統，通過分析其工作機理、模擬內部旋轉流場和多工況兩相流仿真，對平衡裝置相關性能參數進行定性分析和定量分析，最后通過實驗驗證相關結論的可靠性。

1 自動平衡系統組成及工作原理

1.1 自動平衡系統

氣壓液式在線自動平衡系統屬于液體式平衡系統中的一種，其組成部分如圖1所示，包括傳感器、測控器、執行器和氣體輔助系統，主要可分成3類：氣源系統、測控系統、平衡執行器[9]。

氣源系統由氣源、過濾器、電磁閥組及相應氣體管路等部分組成，主要提供適當的高壓氣體。測控系統由傳感器和控制器組成，其中傳感器用來實時監測轉子的運行狀態，控制器實時采集提取并據此輸出控制信號。平衡執行器則包括平衡盤和氣源分配器兩個部分，平衡盤用于液體的儲存和轉移，氣源分配器用于實現壓縮空氣的動靜傳遞，將氣體由靜止管路傳遞到旋轉的儲液腔中。

其工作過程如下：當傳感器檢測到不平衡振動超過預設值，數采器即刻進行處理，控制器迅速定位出初始不平衡量，電磁閥組進行相應的通斷，使得高壓氣體有目標地注入儲液腔，驅動定量平衡液轉移，以此改變平衡盤中液體的質量分布，直至轉子振動幅值恢復到限定水平。此時電磁閥關閉，平衡系統執行器停止工作，直至轉子不平衡振動再次升高并超過預設值，則重復以上流程，實現執行器的實時自動平衡功能。

1.2 工作原理

氣壓液體式自動平衡系統核心部件為平衡執行器，包括定子和自動平衡盤，將平衡盤安裝在待平衡轉子上并隨之同步旋轉，如圖2a所示。自動平衡盤具有4個對稱分布的儲液腔，如圖2b所示，AC、BD為兩組位置相對的儲液腔，分別用連通管連接。

自動平衡系統工作時儲液盤中平衡液質量分布變化如圖3所示，初始狀態下，儲液腔中充有等量的平衡液，在旋轉工況下形成穩定液環;平衡過程中，AD腔平衡液增加，BC腔平衡液減少，形成校正質量。根據儲液腔內平衡液的初始質量和轉移質量計算離心力，得到不同方向合成力Fx和Fy，兩者矢量合成形成自愈力F1。轉子故障力來源于旋轉主軸的不平衡振動，體現在某相位處存在不平衡質量。自愈力F1與故障力F0大小相等、方向相反，從而抵消不平衡力，達到在線動平衡[10]。

2 平衡性能分析

平衡執行器作為自動平衡系統的關鍵部分，平衡精度是評價執行器好壞的重要指標[11]。在此過程中，如驅動壓力、工作轉速及平衡液黏度等都會對平衡能力造成一定影響，筆者以一組相對腔為例，分析平衡液體通過連通管轉移的流動情況。

首先分析液體在傳遞過程中受到的力，在連通管中，平衡液受自身重力（可忽略）、氣體驅動壓力、腔內的液體壓力和連通管內液體的離心力的作用。氣體壓力和液體壓力為正壓力，對離心力進行分析，發現以連通管中心為分界點，在平衡液到達連通管中心最小半徑之前，平衡液克服離心力傳遞;經過連通管中心后，離心力作為驅動力推動平衡液流動，因此可對連通管液體傳遞前半部分進行分析。

連通管內液體并未連通時，可認為是流體靜力學問題，不考慮流動中的阻力損失。只有當C腔內的總驅動壓力大于連通管從最大半徑點1至最小半徑點2的壓差，平衡液才能流過連通管中心，順利到達對腔。3種力的關系應滿足：

p≥（r-r）-VC′ （1）

式中 B——儲液腔厚度;

p——C儲液腔內氣體壓力;

r——連通管入口位置所在半徑;

r——連通管中間位置所在半徑;

VC′——液體轉移后C儲液腔內液體量總和;

θ——扇形儲液腔對應圓心角;

ρ——液體密度;

ω——轉子運行角速度。

當相對腔中平衡液在連通管接通時，可對連通管入口處點1位置和連通管出口點3位置列伯努利方程：

gz++-r-k=gz++-r? （2）

考慮實際結構設計，可將式（2）簡化為：

=u2??? （3）

式中 k——連通管入口至出口的總阻力系數，

與黏度有關;

p——入口點1位置壓力;

p——出口點3位置壓力;

r——連通管出口位置所在半徑;

u——連通管中的液體流速。

總阻力系數k計算公式為：

k=λ+ζ????? （4）

式中 d——連通管當量直徑;

l——連通管長度和;

ζ——局部阻力系數;

λ——摩擦系數。

通常認為平衡液轉移過程中的液體流動狀態為層流。此時，總阻力系數k的公式可變換為：

k=λ+ζ=+ζ=0.064+ζ （5）

綜上，執行器平衡能力與氣體壓力p、轉子運行角速度ω有關。平衡精度與液體運動黏度ν有關。平衡液能否轉移、執行器能否靶向控制都與之相關。

3 性能仿真研究

基于Fluent模塊建立流場模型，對平衡執行器內部氣液兩相流場進行仿真模擬，改變相關參數，探究平衡液轉移情況，優化平衡過程。執行器模型及平衡盤內部流場如圖5所示。

根據執行器工作原理，以平衡盤中左右相對腔BD為例，假設液體由D腔向B腔轉移，則該過程產生的兩相流場由D腔內高壓氣體、BD腔內和連通管內液體、B腔內大氣壓組成。因此建立氣液兩相流體域，如圖6a所示，同時基于上節的理論分析可知，液體只要通過連通管的最低點，即可順利到達對腔，因此可以將流體域進行簡化，簡化后如圖6b所示。

建立上述計算流體域簡化模型并導入Meshing中進行網格劃分，檢驗網格精度后，在Setup前處理中設置邊界條件和單元區域條件，迭代計算中設置時間步數與時間步長[12，13]。經過瞬態分析后得到氣液相流動過程，其中3個階段的氣液兩相云圖如圖7所示。

根據3個兩相云圖分析兩相流動過程，在出入口壓差和儲液腔內外壓差的作用下，腔內液體首先在左上角發生變化，右下角受到壓差的影響更小，因受重力和轉速方向的影響，左上方的液體首先流出，而腔內液體在腔內下方發生堆積，后隨著壓差的作用，腔內液體體積慢慢減小并沿著外壁面通過連通管流出。

根據執行器平衡液轉移的理論分析可知，氣液旋轉流場主要探究的3個參數為：入口壓力、工作轉速、平衡液黏度，因此在前處理中對單元區域條件、邊界條件及材料參數等進行多工況定義，可得到6個變工況下的參數曲線圖。

入口壓力設置為0.1 MPa不變，平衡液黏度為100cSt不變，改變參考系轉速（600、1 200、1 800 r/min），出口平均流速和質量流量曲線如圖8所示。

參考系轉速設置為1 200 r/min，平衡液黏度不變，壓力入口設置3種工況，分別為0.1、0.2、0.3 MPa，其出口平均流速與質量流量曲線如圖9所示。

邊界條件入口壓力為0.1 MPa不變，參考系轉速為1 200 r/min不變，將液體黏度分別設置為10、100、350cSt。其出口平均流速和質量流量曲線如圖10所示。

由上述分析，結合瞬態分析的兩相云圖，在變工況下進行多種工況的數值模擬，整理數據報告并分析，可得出結論：

a. 平衡液在多工況下，隨時間轉移的速度趨勢都是相同的，驗證了執行器工作的穩定性;且平衡液的流動方向受到氣體壓力與轉速的共同控制，當轉速增加時，轉移速度減小，故障響應更慢。平衡液轉移受黏度影響，且不同黏度對比明顯，但當液體黏度增加到一定數值時，對液體轉移速度幾乎無影響。

b. 平衡液轉移速度和流量隨著入口壓力增加而增加。在入口壓力較低時，轉移速度穩定，控制精度較高;入口壓力增加時，速度變化較快，控制精度降低。因此在控制平衡液轉移時，可適當選擇較低的壓力進行穩定的平衡過程。

c. 隨著平衡液黏度的增加，平均流速與質量流量都有明顯的減小。黏度過大平衡液不易轉移，黏度過小，故障響應速度過快，不易進行靶向控制，因此在未來的參數優化中必須考慮綜合因素選擇合理的平衡液黏度。

4 實驗驗證

4.1 自動平衡系統搭建

依照氣壓液式自動平衡系統的系統組成，根據某廠實際汽輪發電機組結構，利用動力學相似原理搭建真實尺寸的自動平衡模擬實驗臺，用以旋轉設備自動平衡的相關研究（圖11）。

4.2 性能參數探究實驗

實驗過程如下：首先向A儲液腔內注入600 g平衡液，相對腔C腔內無注液，工作轉速設定為600 r/min，注氣壓力為0.089 MPa，實驗過程中選擇平衡液黏度10cSt和100cSt，對比兩次工作過程中轉子振幅變化圖（圖12）判斷黏度造成的影響。

由圖12可知，在兩次平衡液轉移過程中，振幅均有明顯變化，應用黏度為10cSt的平衡液，轉子振幅由11.930 μm降低到2.028 μm，降低83%以上，耗時大約45 s;應用黏度為100cSt的平衡液，轉子振幅由13.050 μm降低到2.033 μm，降低84%以上，耗時大約202 s。

實驗結果和仿真結果相互驗證，則可得出結論：平衡液黏度對平衡能力影響不大，主要對控制精度有所影響。若考慮更精確的靶向控制自愈平衡時，則需要把平衡液黏度納入考慮范圍。

4.3 自動平衡實驗

對執行器性能參數探究完成后，進行自動平衡實驗，初始向各腔中注入等量的平衡液，實驗轉速為600 r/min。以某次自動平衡系統工作前后轉子振幅變化情況為例，軸承位置的振幅變化如圖13所示。由圖可知，自動平衡系統可將實驗臺上軸承的不平衡振動從18.3 μm降低至10.6 μm，振動降幅為42%，平衡效果良好，驗證了該平衡系統的工作能力。

5 結束語

針對旋轉設備自動平衡的應用場合，提出一種新型氣壓液式平衡執行器，介紹了其系統組成和工作原理，并對相關性能參數進行了理論探究。通過模擬仿真和實驗驗證，發現應用平衡液黏度10cSt比應用黏度100cSt平衡執行器響應更快，時間可減少75%以上。同時進行了自動平衡實驗，振幅從18.3 μm降低至10.6 μm，驗證了該系統的可行性和有效性。筆者目前的研究重點在執行器內部旋轉流場的仿真模擬和性能參數分析，今后可考慮平衡裝置結構改進和驅動力傳遞效率，進一步優化平衡執行器，增強在線自動平衡效果。

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（收稿日期：2023-06-04，修回日期：2024-05-07）