氦气透平压气机转子动力学分析

作者：王旭  周传月      关键字：氦气透平压气机  转子动力学  电磁轴承  

本文用Samcef Rotor软件对氦气透平压气机转子支承系统进行转子动力学计算与分析，通过大量分析计算，为氦气透平压气机总体结构设计提供设计依据。

1.引言

       清华大学IOMW高温气冷实验堆HTR-IOGT项目是国家863重点攻关项目，氦气透平压气机组（以下简称氦气轮机）是该项目能量转换的核心设备。氦气轮机主要由低压压气机、高压压气机、氦气涡轮以及压气机和涡轮的进排气装置组成。氦气轮机采用单轴立式布置，工作时由径向电磁轴承和轴向止推电磁轴承支承、非工作状态由径向机械轴承和轴向止推机械轴承支承。由于氦气轮机采用单轴双支承结构，从而决定了其柔性转子的动力学特征。在总体结构设计上，如何调整转子临界转速、如何确保转子过临界时较小的振动幅值以及如何保证计算的准确性等，这些都是我们十分关心的问题。本文就是针对上述问题，论述工程设计中配合总体结构设计，进行氦气轮机转子临界转速与振型计算以及氦气轮机转子稳态谐波响应计算与分析。

2.计算模型

       2.1 几何模型

       图1为氦气轮机转子结构。从左到右分别为低压压气机转子前轴及其上的支承、低压压气机转子、高低压压气机间联接轴、高压压气机转子、高压压气机与氦气涡轮间联接轴、氦气涡轮、涡轮后轴及其上的支承。

 
图1 氦气轮机转子支承结构

       转子动力学计算是配合氦气轮机总体结构设计进行的，因此，要求计算结果要保证一定的精度，同时还要进行很多不同结构方案的计算，而氦气轮机转子结构复杂，完全模拟转子的实际结构会给计算带来很大的不便，甚至会产生局部振动干扰整个转子的动力学计算的情况。基于上述考虑，决定计算模型采用三维计算模型，但对三维模型进行必要合理的简化。这些合理简化包括：由于叶片稠度很大，叶片弯角小，把叶片按等质量等惯量的原则，加到各自的轮盘上；计算模型包括与发电机轴联接的半联轴器；对轮盘太小的过渡圆角进行了必要的简化；考虑了电磁轴承在转子上的固定部分；考虑了轴向电磁轴承的推力盘；电磁轴承采用面支承方式等等。简化后的计算模型如图2所示。

 
图2 氦气轮机转子计算模型

       2.2 网格划分

       采用以六面体单元为主并用四面体单元过渡的办法划分网格，共划分了38676个节点和141928个单元。

       2.3 边界条件

       径向电磁轴承用多种支承刚度和阻尼来模拟，同时约束不考虑的扭振和轴向振动等振型。

       2.4 材料属性

       氦气轮机转子主要由三种材料组成。高/低压压气机轮盘、叶片材料均为TC11，涡轮盘材料为GH698，涡轮转子叶片材料为K405，联接轴的材料为1Cr12Ni2WMoVNb。对氦气轮机转子根据其不同组成部件输入不同的材料特性参数。

3.临界转速与振型计算

       3.1 “自由一自由”状态下转子临界转速和振型

       电磁轴承转子系统是一种主动控制行为，当电磁轴承转子系统处于ABS控制状态时，转子近似处于自由一自由状态。让电磁轴承的支承刚度和阻尼都为零，计算“自由一自由”状态转子的临界转速和振型，如图3所示。

 
图3 氦气轮机转子“自由一自由”状态下临界转速与振型

       3.2 电磁轴承支承方式下转子临界转速和振型

       电磁轴承是一种变刚度、变阻尼支承方式，与转子的转速无关，只与扰动频率有关。由于结构设计时电磁轴承的结构设计还有很多不确定因素，并且氦气轮机这样的柔性较大的单转子结构，研究不同支承刚度条件下转子的临界转速对总体结构设计具有重要意义。根据资料以及法国S2M公司的有关网络资料，电磁轴承的支承刚度一般不超过30000N/mm，阻尼一般为10-15000Ns/m。计算时给定各种不同的支承刚度，忽略阻尼。给定的12个支撑刚度值分别为：1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、15000、20000N/mm，保护轴承的支承刚度给定为108N/mm。

       图4为当电磁轴承支承刚度为5000N/mm时，工作转速(15000r/min)范围内的坎贝尔图，图5为当电磁轴承支承刚度为5000N/mm时，前四阶临界转速的振型图。图6为氦气轮机转子在不同支承刚度条件下的临界转速。

 
图4 氦气轮机转子电磁轴承支承方式下临界转速坎贝尔图(k=5000N/mm)

 
图5 氦气轮机转子电磁轴承支承方式下前四阶振型图(k=5000N/mm)

 
图6 氦气轮机转子在不同支承刚度下的临界转速

**注：图中临界转速都是指正向涡动临界转速

       从图4、图5和图6中可以看出，氦气轮机转子在达到工作转速时，要通过四阶临界转速，其中前二阶为刚体平动和摆动模态，后两阶为弯曲模态。另外，在较低阶临界转速（第1阶、第2阶），不同的支承刚度对临界转速有较大的影响，而在较高阶临界转速下，特别是第4、5阶临界转速，支承刚度的变化对临界转速几乎没有影响。

       氦气轮机转子的工作转速为15000r/min，根据对临界转速的计算结果，得到工作转速对向下临界转速的安全裕度为18.1%，对向上临界转速的安全裕度为78.2%。

4.稳态响应分析

       由于氦气轮机转子是跨多阶临界转速的柔性转子，柔性转子在动态情况下的变形是我们非常关心的问题。为了解氦气轮机转子在不平衡力作用下的动力学响应特性，特别是在不同频率下的响应特性，对氦气轮机转子进行稳态情况下的谐波响应计算和分析是非常必要的。在本文的计算中，认为氦气轮机转子在稳态情况的不平衡响应只是由于动不平衡力引起的。

       4.1 氦气轮机转子剩余不平衡量的确定

       平衡柔性转子时，除了设法消除或减小转子上的不平衡力和不平衡力偶外，还需消除或减小振动位移，对于柔性转子不能用不平衡量的大小来评价其平衡性的好坏，而主要应该以转子的振动大小（位移、速度、加速度）来衡量。但实际生产中，柔性转子在低转速时仍按刚性转子进行动、静平衡，并且，有的柔性转子可以用刚性转子的平衡法进行平衡，所以，仍需规定按刚性转子平衡的剩余不平衡量。考虑到稳态响应计算目的是了解剩余不平衡力的大小对转子振动位移的影响程度，所以，本文按刚性转子的剩余不平衡量来计算实际柔性转子的稳态频率响应。

       根据氦气轮机的工作特性，选定转子动平衡精度等级为G1级，氦气轮机转子重量约为570kg，转子工作转速为15000r/min。计算得到的氦气轮机转子剩余不平衡量为42gcm，去重（配重）点选在低压压气机第一级轮盘和涡轮第六级轮盘的配重设计点处。

       4.2 稳态响应计算结果

       从图6的计算结果可以看出，支承刚度的变化对转子临界转速的影响很小，特别是在高阶临界转速情况下，支承刚度的变化对临界转速几乎没有影响。在稳态响应计算中，取电磁轴承支承刚度为5000N/mm进行计算。为保证不遗漏最大位移对应的频率点，取搜索频率的载荷步为SHz，表1为不平衡响应计算结果。

表1 不平衡响应计算结果

 

5.结论

       1)对处于自由一自由状态的氦气轮机转子临界转速计算表明，工作转速范围内存在一阶刚体模态和两阶弯曲模态。

       2)对随转速变化支承刚度条件下氦气轮机转子临界转速的计算结果，工作转速对向下临界转速和向上临界转速的安全裕度分别为18.1%和78.2%。氦气轮机转子的安全裕度足够。

       3)由于氦气轮机转子为柔性转子，转子在达到工作转速过程中要先后通过四阶临界转速，其中包括两阶刚体模态（平动和摇摆）和两阶弯曲振型（一弯和二弯）的临界转速。

       4)在给定的动平衡精度下，对氦气轮机转子的稳态不平衡响应计算结果表明：转子的稳态响应并不大，最大变形只有0.043mm。