旋轉(zhuǎn)機(jī)械壓液式自動平衡執(zhí)行器流場仿真和性能參數(shù)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(tǒng)，基于Fluent軟件，對執(zhí)行器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬仿真和性能參數(shù)分析，得到相關(guān)結(jié)論。實驗結(jié)果表明，平衡液轉(zhuǎn)移過程中，液體黏度10cSt比黏度100cSt時響應(yīng)更快，為后續(xù)優(yōu)化提供方向;轉(zhuǎn)子不平衡振幅從18.3 μm降低至10.6 μm，驗證了平衡系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞 旋轉(zhuǎn)機(jī)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(xiàn)標(biāo)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(xué)基金（批準(zhǔn)號：3212010）資助的課題;國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)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(shù)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(zhuǎn)機(jī)械壓液式自動平衡執(zhí)行器流場仿真和性能參數(shù)分析[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：440-447;493.

汽輪發(fā)電機(jī)組、大型風(fēng)機(jī)及離心壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備通常是化工、電力及航空航天等國家支柱行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備[1]。轉(zhuǎn)子作為上述旋轉(zhuǎn)設(shè)備的核心部件，其不平衡故障引起的振動超標(biāo)是導(dǎo)致設(shè)備非正常停機(jī)的主要因素之一，嚴(yán)重制約設(shè)備的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。對于因不平衡導(dǎo)致的振動超標(biāo)，通常需要停機(jī)拆下轉(zhuǎn)子并在動平衡機(jī)上進(jìn)行動平衡，或在現(xiàn)場做整機(jī)動平衡[2]。在無備機(jī)的場合，上述操作會使生產(chǎn)中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

在線自動平衡是一種典型的自愈調(diào)控系統(tǒng)，通過實時抑制轉(zhuǎn)子不平衡振動，有效減少故障停機(jī)次數(shù)，確保設(shè)備長周期安全運(yùn)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(chǎn)品，根據(jù)平衡方式不同，可分為電動機(jī)驅(qū)動式、電磁滑環(huán)式和液體式三類，并已應(yīng)用于高速主軸、磨床等設(shè)備[4]。

對于前兩種平衡裝置，旋轉(zhuǎn)部分不可避免地要引入一些可動部件，如偏心質(zhì)量塊、機(jī)械傳動鏈等，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且易受環(huán)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(zhí)行器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、平衡能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快的性能特點(diǎn)，更加適用于高速場合，在未來旋轉(zhuǎn)設(shè)備的高速化發(fā)展進(jìn)程中具有更廣闊的應(yīng)用空間。

近年來，國內(nèi)外的很多學(xué)者致力于對液體式平衡裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進(jìn)，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(qū)動液體轉(zhuǎn)移的方式改為加熱汽化，導(dǎo)致其響應(yīng)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(yùn)行方式轉(zhuǎn)換條件判斷困難;連續(xù)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(zhí)行機(jī)構(gòu)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(tǒng)，通過分析其工作機(jī)理、模擬內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流場和多工況兩相流仿真，對平衡裝置相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行定性分析和定量分析，最后通過實驗驗證相關(guān)結(jié)論的可靠性。

1 自動平衡系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 自動平衡系統(tǒng)

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

氣源系統(tǒng)由氣源、過濾器、電磁閥組及相應(yīng)氣體管路等部分組成，主要提供適當(dāng)?shù)母邏簹怏w。測控系統(tǒng)由傳感器和控制器組成，其中傳感器用來實時監(jiān)測轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)，控制器實時采集提取并據(jù)此輸出控制信號。平衡執(zhí)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(zhuǎn)移，氣源分配器用于實現(xiàn)壓縮空氣的動靜傳遞，將氣體由靜止管路傳遞到旋轉(zhuǎn)的儲液腔中。

其工作過程如下：當(dāng)傳感器檢測到不平衡振動超過預(yù)設(shè)值，數(shù)采器即刻進(jìn)行處理，控制器迅速定位出初始不平衡量，電磁閥組進(jìn)行相應(yīng)的通斷，使得高壓氣體有目標(biāo)地注入儲液腔，驅(qū)動定量平衡液轉(zhuǎn)移，以此改變平衡盤中液體的質(zhì)量分布，直至轉(zhuǎn)子振動幅值恢復(fù)到限定水平。此時電磁閥關(guān)閉，平衡系統(tǒng)執(zhí)行器停止工作，直至轉(zhuǎn)子不平衡振動再次升高并超過預(yù)設(shè)值，則重復(fù)以上流程，實現(xiàn)執(zhí)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(tǒng)核心部件為平衡執(zhí)行器，包括定子和自動平衡盤，將平衡盤安裝在待平衡轉(zhuǎn)子上并隨之同步旋轉(zhuǎn)，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(tǒng)工作時儲液盤中平衡液質(zhì)量分布變化如圖3所示，初始狀態(tài)下，儲液腔中充有等量的平衡液，在旋轉(zhuǎn)工況下形成穩(wěn)定液環(huán);平衡過程中，AD腔平衡液增加，BC腔平衡液減少，形成校正質(zhì)量。根據(jù)儲液腔內(nèi)平衡液的初始質(zhì)量和轉(zhuǎn)移質(zhì)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(zhuǎn)子故障力來源于旋轉(zhuǎn)主軸的不平衡振動，體現(xiàn)在某相位處存在不平衡質(zhì)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(dá)到在線動平衡[10]。

2 平衡性能分析

平衡執(zhí)行器作為自動平衡系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，平衡精度是評價執(zhí)行器好壞的重要指標(biāo)[11]。在此過程中，如驅(qū)動壓力、工作轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動壓力、腔內(nèi)的液體壓力和連通管內(nèi)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(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)以連通管中心為分界點(diǎn)，在平衡液到達(dá)連通管中心最小半徑之前，平衡液克服離心力傳遞;經(jīng)過連通管中心后，離心力作為驅(qū)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(jìn)行分析。

連通管內(nèi)液體并未連通時，可認(rèn)為是流體靜力學(xué)問題，不考慮流動中的阻力損失。只有當(dāng)C腔內(nèi)的總驅(qū)動壓力大于連通管從最大半徑點(diǎn)1至最小半徑點(diǎn)2的壓差，平衡液才能流過連通管中心，順利到達(dá)對腔。3種力的關(guān)系應(yīng)滿足：

p≥（r-r）-VC′ （1）

式中 B——儲液腔厚度;

p——C儲液腔內(nèi)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(zhuǎn)移后C儲液腔內(nèi)液體量總和;

θ——扇形儲液腔對應(yīng)圓心角;

ρ——液體密度;

ω——轉(zhuǎn)子運(yùn)行角速度。

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

gz++-r-k=gz++-r? （2）

考慮實際結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)，

與黏度有關(guān);

p——入口點(diǎn)1位置壓力;

p——出口點(diǎn)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(shù)k計算公式為：

k=λ+ζ????? （4）

式中 d——連通管當(dāng)量直徑;

l——連通管長度和;

ζ——局部阻力系數(shù);

λ——摩擦系數(shù)。

通常認(rèn)為平衡液轉(zhuǎn)移過程中的液體流動狀態(tài)為層流。此時，總阻力系數(shù)k的公式可變換為：

k=λ+ζ=+ζ=0.064+ζ （5）

綜上，執(zhí)行器平衡能力與氣體壓力p、轉(zhuǎn)子運(yùn)行角速度ω有關(guān)。平衡精度與液體運(yùn)動黏度ν有關(guān)。平衡液能否轉(zhuǎn)移、執(zhí)行器能否靶向控制都與之相關(guān)。

3 性能仿真研究

基于Fluent模塊建立流場模型，對平衡執(zhí)行器內(nèi)部氣液兩相流場進(jìn)行仿真模擬，改變相關(guān)參數(shù)，探究平衡液轉(zhuǎn)移情況，優(yōu)化平衡過程。執(zhí)行器模型及平衡盤內(nèi)部流場如圖5所示。

根據(jù)執(zhí)行器工作原理，以平衡盤中左右相對腔BD為例，假設(shè)液體由D腔向B腔轉(zhuǎn)移，則該過程產(chǎn)生的兩相流場由D腔內(nèi)高壓氣體、BD腔內(nèi)和連通管內(nèi)液體、B腔內(nèi)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(jié)的理論分析可知，液體只要通過連通管的最低點(diǎn)，即可順利到達(dá)對腔，因此可以將流體域進(jìn)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(dǎo)入Meshing中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，檢驗網(wǎng)格精度后，在Setup前處理中設(shè)置邊界條件和單元區(qū)域條件，迭代計算中設(shè)置時間步數(shù)與時間步長[12，13]。經(jīng)過瞬態(tài)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(jù)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(nèi)外壓差的作用下，腔內(nèi)液體首先在左上角發(fā)生變化，右下角受到壓差的影響更小，因受重力和轉(zhuǎn)速方向的影響，左上方的液體首先流出，而腔內(nèi)液體在腔內(nèi)下方發(fā)生堆積，后隨著壓差的作用，腔內(nèi)液體體積慢慢減小并沿著外壁面通過連通管流出。

根據(jù)執(zhí)行器平衡液轉(zhuǎn)移的理論分析可知，氣液旋轉(zhuǎn)流場主要探究的3個參數(shù)為：入口壓力、工作轉(zhuǎn)速、平衡液黏度，因此在前處理中對單元區(qū)域條件、邊界條件及材料參數(shù)等進(jìn)行多工況定義，可得到6個變工況下的參數(shù)曲線圖。

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

參考系轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 200 r/min，平衡液黏度不變，壓力入口設(shè)置3種工況，分別為0.1、0.2、0.3 MPa，其出口平均流速與質(zhì)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(zhuǎn)速為1 200 r/min不變，將液體黏度分別設(shè)置為10、100、350cSt。其出口平均流速和質(zhì)量流量曲線如圖10所示。

由上述分析，結(jié)合瞬態(tài)分析的兩相云圖，在變工況下進(jìn)行多種工況的數(shù)值模擬，整理數(shù)據(jù)報告并分析，可得出結(jié)論：

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

b. 平衡液轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移速度穩(wěn)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(zhuǎn)移時，可適當(dāng)選擇較低的壓力進(jìn)行穩(wěn)定的平衡過程。

c. 隨著平衡液黏度的增加，平均流速與質(zhì)量流量都有明顯的減小。黏度過大平衡液不易轉(zhuǎn)移，黏度過小，故障響應(yīng)速度過快，不易進(jìn)行靶向控制，因此在未來的參數(shù)優(yōu)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(tǒng)搭建

依照氣壓液式自動平衡系統(tǒng)的系統(tǒng)組成，根據(jù)某廠實際汽輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)，利用動力學(xué)相似原理搭建真實尺寸的自動平衡模擬實驗臺，用以旋轉(zhuǎn)設(shè)備自動平衡的相關(guān)研究（圖11）。

4.2 性能參數(shù)探究實驗

實驗過程如下：首先向A儲液腔內(nèi)注入600 g平衡液，相對腔C腔內(nèi)無注液，工作轉(zhuǎn)速設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移過程中，振幅均有明顯變化，應(yīng)用黏度為10cSt的平衡液，轉(zhuǎn)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(yīng)用黏度為100cSt的平衡液，轉(zhuǎn)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(jié)果和仿真結(jié)果相互驗證，則可得出結(jié)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(zhí)行器性能參數(shù)探究完成后，進(jìn)行自動平衡實驗，初始向各腔中注入等量的平衡液，實驗轉(zhuǎn)速為600 r/min。以某次自動平衡系統(tǒng)工作前后轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)的工作能力。

5 結(jié)束語

針對旋轉(zhuǎn)設(shè)備自動平衡的應(yīng)用場合，提出一種新型氣壓液式平衡執(zhí)行器，介紹了其系統(tǒng)組成和工作原理，并對相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行了理論探究。通過模擬仿真和實驗驗證，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用平衡液黏度10cSt比應(yīng)用黏度100cSt平衡執(zhí)行器響應(yīng)更快，時間可減少75%以上。同時進(jìn)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(tǒng)的可行性和有效性。筆者目前的研究重點(diǎn)在執(zhí)行器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流場的仿真模擬和性能參數(shù)分析，今后可考慮平衡裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)和驅(qū)動力傳遞效率，進(jìn)一步優(yōu)化平衡執(zhí)行器，增強(qiáng)在線自動平衡效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-06-04，修回日期：2024-05-07）