某風機焊接轉(zhuǎn)子動特性分析

于 寧 李 巖 丁繼偉

（哈電發(fā)電設(shè)備工程研究中心有限公司，黑龍江 哈爾濱150046）

隨著風機對功率的要求提高，風機轉(zhuǎn)子直徑越來越大，我廠原有機型的輪轂式轉(zhuǎn)子已經(jīng)難以適應新風機發(fā)展的要求，剛度高的焊接轉(zhuǎn)子就成為迫切的需要。焊接轉(zhuǎn)子具有空腔結(jié)構(gòu)，相對質(zhì)量輕，相比其他結(jié)構(gòu)形式，具有選材靈活，殘余應力小等優(yōu)點[1-3]。目前，求解轉(zhuǎn)子動力學問題較為常見的方法主要有兩種：傳遞矩陣法和有限元法[4]文采用采用有限元軟件Ansys 中的Rotordynamics 模塊進行動特性分析是一個可行的方法。本課題嘗試自行設(shè)計輪盤型式，從輪盤靜強度到焊接轉(zhuǎn)子振動特性都做了詳細計算和分析。

1 焊接轉(zhuǎn)子輪盤的優(yōu)化設(shè)計

通流部分按照某成熟機組?；鴣恚谌~片和通流部分確定的情況下設(shè)計輪盤，確定輪盤之間的焊接方式，并使用有限元軟件進行應力計算，計算結(jié)果如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)子的等效應力場

可以看到這種優(yōu)化的輪盤模型整個輪面上應力比較均勻，輪盤中心部位也沒有出現(xiàn)過大的應力。而且極大地減小了軸頸位置的應力水平。可以作為焊接轉(zhuǎn)子的輪盤。最后通過多種加載方式的核對，確定這種輪盤截面形式的可靠性。

2 不考慮焊縫影響時的動特性計算

實際轉(zhuǎn)子中，焊縫是有一定寬度的，焊縫處的材料強度要稍弱于原材料的強度。計算選用輪盤材料是焊接性能較好，一般焊接后接頭處材料強度是原材料的0.8～0.9.。初步計算中認為接頭處強度和輪盤材料強度相同，之后修改焊縫處的材料特性，比對焊縫對整個轉(zhuǎn)子動特性的影響。

在ansys 計算中，選擇solid 185 三維單元，該單元是專門開發(fā)用于轉(zhuǎn)子動力學計算的。軸承用comb 214 單元。約束情況：彈簧支點三向固定，前軸承處軸心點Y 向約束。

對于轉(zhuǎn)子各級葉片的處理，采用了等效方法，在各級輪盤外緣，又增加了一圈和整圈葉片質(zhì)量相同的材料，這樣能夠模擬出葉片對轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生的附加質(zhì)量效果。經(jīng)過計算，轉(zhuǎn)子的前四階臨界轉(zhuǎn)速如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速結(jié)果

焊接轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速是4250，以上轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速的避開率遠遠超過15%。

轉(zhuǎn)子的前四階振動模態(tài)如圖2 所示。

圖2 不考慮焊縫時轉(zhuǎn)子的1-4 階模態(tài)

從圖2 中可以看出，轉(zhuǎn)子的第1 階模態(tài)為水平橫振；第2 階模態(tài)為垂直橫振；第3 階模態(tài)為水平衡振；第4 階模態(tài)為推力盤伸出段水平橫振。

3 考慮焊縫影響時的動特性計算

實際情況中，焊縫位置的材料的剛度將下降，一般下降范圍是12%～40%，本次計算中，認為焊縫剛度下降為原材料的80%。根據(jù)我公司焊接工藝技術(shù)，確定焊縫的徑向長度是45mm，軸向厚度為15mm，增加焊縫后，轉(zhuǎn)子的有限元模型如圖3 所示。

圖3 增加焊縫后的轉(zhuǎn)子模型

在Ansys 中設(shè)計焊縫的方法是將焊縫處的材料屬性做了修改。將楊氏模量修改為原材料的80%。經(jīng)過計算，考慮焊縫的轉(zhuǎn)子前四階臨界轉(zhuǎn)速如表2 所示。

表2 焊縫材料彈性模量降低20%轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速結(jié)果

對比表1 和表2 可以發(fā)現(xiàn)，考慮焊縫和不考慮焊縫，臨界轉(zhuǎn)速差別很小。原因是：焊縫厚度相比較整個轉(zhuǎn)子尺寸非常小，影響較小；同時彈性模量降低20%剛度下降也不大。

對比將焊縫彈性模量分別降低到原材料的60%和0.6%。結(jié)果60%時頻率降低1-2Hz。當焊縫的彈性模量降低到原材料0.6%時相應模態(tài)頻率發(fā)生較大變化，如表3 所示。

表3 焊縫材料彈性模量為轉(zhuǎn)子的0.6%轉(zhuǎn)子的模態(tài)及頻率結(jié)果模態(tài)

從表3 中可以看出，當焊縫的彈性模量降低到原材料0.6%時，轉(zhuǎn)子整體的振動模態(tài)完全發(fā)生了變化，頻率也降低到無焊縫時的50%，但此時焊縫已經(jīng)相當于柔性材料了?？梢姡挥挟敽缚p材料剛度下降很多時，焊縫對整個轉(zhuǎn)子的影響才會顯得非常大。

4 結(jié)論

由以上分析計算，可以得到以下結(jié)論：

（1）用Ansys 軟件自行設(shè)計優(yōu)化了全新的輪盤，該輪盤應力分布均勻，質(zhì)量較輕。將優(yōu)化得到的輪盤做了模化，得到了各級輪盤，設(shè)計了全新的焊接轉(zhuǎn)子形式。新焊接轉(zhuǎn)子質(zhì)量較輕，靜力學性能非常優(yōu)越?？梢姾附愚D(zhuǎn)子非常適合做大直徑轉(zhuǎn)子的。

（2）由于焊接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復雜，常用的傳遞矩陣法很難準確表述計算其動特性。Ansys 軟件的Rotordynamics 模塊能進行三維轉(zhuǎn)子的模擬計算，其中的彈簧單元能準確模擬實際軸承的支撐效果。用Rotordynamics 模塊得到了三維焊接轉(zhuǎn)子的各階模態(tài)和臨界轉(zhuǎn)速，為設(shè)計投產(chǎn)提供了有效的參考。

（3）當考慮焊縫影響時，由于焊縫相比整個轉(zhuǎn)子尺寸極小，當焊縫材料的楊氏模量下降為原材料80%、60%時，臨界轉(zhuǎn)速只下降1-2Hz，模態(tài)沒有變化。只有當楊氏模量下降到千分之一數(shù)量級時，才對轉(zhuǎn)子的模態(tài)和臨界轉(zhuǎn)速有明顯影響。