核電站用離心式壓縮機轉子臨界轉速計算分析

李宏波，蔣 楠，張治平，劉 華( 珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070 )

核電站用離心式壓縮機轉子臨界轉速計算分析

李宏波，蔣 楠，張治平，劉 華
( 珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070 )

核電站用離心式壓縮機對機組可靠性要求非常高，在研制任務書中明確要求轉子一階臨界轉速需大于最高運行轉速的20%，并且壓縮機轉動需小于0.03mm。需對變頻直接驅動離心式壓縮機和定頻齒輪驅動離心式壓縮機均進行模擬分析，并輔以實驗驗證轉子系統(tǒng)的安全可靠。

核電；離心壓縮機；滑動軸承；DyRoBe′S；臨界轉速

0 引言

核電產(chǎn)業(yè)是關系我國國防安全、能源安全與大國國際地位的戰(zhàn)略性、高技術產(chǎn)業(yè)，也是極具發(fā)展前景的新興產(chǎn)業(yè)，在國家科學發(fā)展戰(zhàn)略中占有十分重要的地位。在目前國家大力倡導的核電站關鍵設備及其主要輔助設備國產(chǎn)化的前提下，大型國產(chǎn)化離心式冷水機組將被應用于核電站的冷卻設備。

國家科技重大專項專題“核電站主要輔助設備自主設計與制造技術研究”下的子課題“MS01水冷離心式冷水機組研制”任務書中第3.7項要求：“工作轉子的第一階臨界轉速應高于最大運行轉速的20%”，本文主要介紹核電站用離心式冷水機組中的離心式壓縮機轉子臨界轉速可靠性的計算分析。

離心式壓縮機是典型的旋轉機械，一般來說，轉子和軸承決定著旋轉機械的壽命，當旋轉機械的轉子在臨界轉速下運行時，輕則使轉子振動加劇，重則會造成事故，為確保機器在工作轉速范圍內(nèi)不發(fā)生共振，工作轉速應適當偏離臨界轉速，即研制任務書中要求的工作轉子的第一階臨界轉速應高于最大運行轉速的20%。

離心式壓縮機根據(jù)電機驅動結構共有兩種形式：定頻齒輪驅動和變頻直接驅動，為本文主要通過DyRoBe′S轉子動力學軟件分別模擬計算校核轉子的臨界轉速，并通過實驗進行驗證。

1 DyRoBe′S軟件計算原理

DyRoBe′S軟件主要是通過有限元的計算方法來分析計算固定瓦軸承、曲面軸承、可傾瓦軸承等軸承，通過解非定常的雷諾方程式(如下式所示)，得到油膜中壓力的分布，然后進一步求得該軸承的靜特性參數(shù)(如靜平衡位置、承載能力、摩擦功耗、潤滑油流量、溫升等)和動力特性系數(shù)。

(1)

式中：

x —軸向坐標；

y —圓周向坐標；

h —油膜厚度；

μ —潤滑油粘度；

Gx—軸向紊流流量系數(shù)；

Gy—圓周向紊流流量系數(shù)。

軸承-轉子系統(tǒng)運動微分方程的齊次方程如下所示：

(2)

將式(2)變換為廣義特征問題方程，如下所示：

(3)

式中：x為特征向量；v為其特征值。

式(3)的各階特征值：

vi=ui±jωi(i=1，2，…)，

其虛部ωi表示渦動角速度，對應的渦動速度為：

同期渦動(渦動速度等于工作速度)直線與各界渦動速度曲線的交點對應的工作轉速稱為阻尼臨界轉速。

2 DyRoBe′S軟件計算轉子一階臨界 轉速

首先分別建立兩種類型離心式壓縮機轉子動力學軸承和轉子的模型，在DyRoBe′S—bearing中輸入軸承軸徑、寬度、預載荷、承載力、轉速等參數(shù)，計算出軸承的動態(tài)特性，再通過DyRoBe′S—rotor中各個參數(shù)設置及輸入，建立轉子系統(tǒng)的模型如圖1、圖2所示。

圖1 變頻直接驅動離心式壓縮機轉子模型

圖2 定頻齒輪驅動離心式壓縮機轉子模型

不管是變頻直接驅動離心式壓縮機還是定頻齒輪驅動離心式壓縮機，其額定轉速均為8000r/min，通過DyRoBe′S軟件計算分析，兩種離心式壓縮機的一階臨界轉速分別為12039r/min和10222r/min(如圖3、圖4所示)。

圖3 變頻離心式壓縮機一階臨界轉速

圖4 定頻離心式壓縮機一階臨界轉速

通過模擬分析計算結果可以看出兩種轉子的臨界轉速分別是額定轉速的1.5倍和1.28倍，均大于任務書要求的高于最大運行轉速的20%，及大于1.2倍額定轉速要求。

轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性除了要看臨界轉速外，還需要保證軸承的剛度系數(shù)在103～106N/mm、承載能力大于軸承所受的作用力。

變頻直接驅動離心壓縮機前后軸承僅承受整個轉子系統(tǒng)的重力，因此軸承受到的作用力是朝下的，其受力分布圖5、圖6所示：

圖5 變頻離心壓縮機前軸承受力分布圖

圖6 變頻離心壓縮機后軸承受力分布圖

由以上分析結構可知，變頻離心壓縮機軸承剛度系數(shù)最小值為3.26X104N/mm，剛度系數(shù)最大值為7.746X104N/mm，均處于103～106N/mm這一區(qū)間；軸承可承受的載荷為269.72kg，即2643.3N，是實際承受載荷316N的8.36倍，即安全系數(shù)可達8.36。軸承設計是安全可靠的。

定頻齒輪驅動離心壓縮機由于需要通過齒輪來增速，在承受轉子自身重力之外，還需承受齒輪嚙合帶來的軸向力、徑向力和周向力，所有作用力綜合起來軸承受力是斜向上的，其受力分布圖如圖7、圖8所示。

圖7 定頻離心壓縮機前軸承受力分布圖

由以上分析結構可知，定頻離心壓縮機軸承剛度系數(shù)最小值為5.72X103N/mm，剛度系數(shù)最大值為2.286X105N/mm，均處于103～106N/mm這一區(qū)間；軸承可承受的載荷為1821kg，即17845.8N，是實際承受載荷3508.4N的5.06

倍，即安全系數(shù)可達5.06。軸承設計是安全可靠的。

通過以上理論分析可知，不管是從轉子的臨界轉速，還是軸承的剛度系數(shù)、承載力，整個軸系都是安全可靠的。

圖8 定頻離心壓縮機后軸承受力分布圖

3 實驗驗證

為驗證理論計算的可靠性，需通過實驗驗證，為避免整個轉子發(fā)生共振從而損壞壓縮機，實驗時將在明細工況下測得各個測試點的振動數(shù)據(jù)，通過與標準要求(所有點振動數(shù)據(jù)不得大于0.03mm)來判斷整個轉子系統(tǒng)的可靠性。

其中：

①點為壓縮機正面左支腳；

②點為壓縮機背面左支腳；

③點為壓縮機正面右支腳；

④點為壓縮機背面右支腳；

⑤點為電機與箱體水平；

⑥點為電機與箱體垂直；

⑦點為電機后蓋水平；

⑧點為電機后蓋垂直；

⑨點為電機尾端軸向；

⑩點為電機底部支撐。

圖9 壓縮機振動測點布置示意圖

表1 壓縮機名義工況振動數(shù)值(振幅，單位：mm)

測點①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩變頻0.0110.0090.0180.0120.0170.0130.0090.0200.0160.009定頻0.0250.0230.0250.0230.0130.0250.0150.0140.0190.023

通過以上實驗驗證可知，所有點振動均在標準要求以下，亦可從側面證明軸系是安全可靠的。

4 結論

作為核電站用離心式冷水機組，通過DyRoBe'S軟件模擬分析，不管是變頻直接驅動離心式壓縮機還是定頻齒輪驅動離心式壓縮機，其轉子臨界轉速遠大于研制任務書要求工作轉子的第一階臨界轉速應高于最大運行轉速的20%，通過實驗旁證壓縮機在運行中一直都是運行平穩(wěn)，振動數(shù)值并未超過標準要求，并未發(fā)生共振的現(xiàn)象。因此核電站用離心式壓縮機轉子作為剛性轉子，不管是定頻齒輪驅動結構，還是變頻直接驅動結構，都是安全可靠的。

[1] 鐘一諤，何衍宗，王正，等.轉子動力學[M].北京：清華大學出版社，1987：69-97

[2] 聞邦椿，顧家柳，夏松波，等.高等轉子動力學—理論、技術與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000：81-86

[3] 韓天，史琳，張慶海.基于有限元的軸承參數(shù)變化對離心式壓縮機轉子固有特性的影響研究[J].機械傳動，2013，37(11)：14-17

[4] 鐘瑞興，張治平，蔣楠.離心壓縮機滑動軸承性能影響因素分析與試驗研究[J].制冷技術，2015，35(5)：31-35

[5] 徐龍祥.高速旋轉機械軸系動力學設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994

TheAnalyse of Centrifugal Compressor to Rotor Critical Speed on the Nuclear Power Station

LI Hongbo，JIANG Nan，ZHANG Zhiping，LIU Hua

( GREE Electric Appliances Inc.，Zhuhai，Guangdong，519070，China )

The demand of dependability on the nuclear power station is very high if it uses centrifugal compressor.There is a clear request in the manufactural task list which is the first rotor critical speed must exceed twenty percent of crowning circulate speed ，and the swing of compressor must less than 0.03 millimeter.It needs us carry through some simulation and analyse to the frequency conversion direct-driven compressor and ration gear-driven compressor ，and carry through some experiment to validate dependability of the result further more.

Nuclear power；Centrifugal compressor；Journal bearing；DyRoBe′S；Critical Speed，

2016-9-25

國家科技重大專項子課題(2014ZX06004004-005)

李宏波(1979-)，男，工程師，碩士。研究方向：離心式冷水機組設計。Email：lihongbo79@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-038-05

TB652文獻標示碼：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.007