某船舶大功率高压转子建模及模态分析*

杨 勇 周红兵 邓贤辉 谢 强

(1.驻江南造船(集团)有限责任公司军事代表室 上海 201913)(2.中国人民解放军91370部队 福州 350015)

某船舶大功率高压转子建模及模态分析*

杨 勇1周红兵1邓贤辉1谢 强2

(1.驻江南造船(集团)有限责任公司军事代表室 上海 201913)(2.中国人民解放军91370部队 福州 350015)

针对某船舶大功率高压转子的结构特点,对其转子在合理的简化处理基础上,通过UG和ANSYS软件建立其有限元分析模型。通过有限元数值分析软件对转子模型进行模态求解,得到了转子的前五阶固有频率和振型。通过对计算结果的分析验证了转子工作的可靠性,并为高压转子的其它动力学分析提供模型,为进一步船舶机组振动的故障诊断奠定基础。

有限元模型; 模态求解; 转子; 动力学分析

Class Number TH455

1 引言

船舶大功率高压转子作为船舶的核心部件,其工作环境十分恶劣,并且长期处于高温介质中高速旋转。它承受着由转子本身和叶片质量的离心力引起的应力、温度分布不均匀引起的热应力、传递作用在叶片上的气流力产生的扭矩、工质的压力和自身重量产生的弯矩等,任何设计、制造、运行等方面的失误,都可能会造成转子部件的断裂而引起重大事故[1～3]。振动是船舶机组发生故障时最为普遍的现象[4]。

为了研究某型船舶大功率转子的振动特性,本文通过对船舶高压转子的有限元建模,使用数值仿真方法对其进行动力学分析。计算得到转子的固有频率和振型和临界转速,通过对计算结果的分析验证了转子工作的可靠性,并为高压转子的进一步动力学分析打下了基础。

2 大功率高压转子的实体建模

通过对大功率汽轮机组高压转子模型的简化处理,并利用软件UG建立高压转子的实体模型。首先,进行高压转子的实体建模,绘制经简化后的汽轮机剖面草图如图1所示。

图1 高压汽轮机转子剖面图

通过对剖面草图的旋转操作,最终得到简化后的高压转子三维实体模型,如图2所示。

图2 高压转子三维实体模型

通过UG与ANSYS的接口技术,把UG建立的实体模型导入到有限元分析软件ANSYS中生成转子的有限元分析模型如图3所示。最后得到汽轮机转子的有限元模型,为后续的转子的振动特性分析提供了比较精确的分析模型。

图3 高压转子有限元网格模型

3 高压转子的模态分析

模态分析用于计算结构的振动特性,以获取结构的固有频率和振型等重要信息,在动力学分析中是一个必不可少的步骤。通过模态分析,可以帮助人们认识结构的振动特性,对结构进行合理的振动评价和设计。在很多场合,模态分析都起着举足轻重的作用,譬如结构都必须避免共振,通过模态分析之后就可以了解结构的固有频率和振动形式,并对此采取必要的措施,从而避免在使用中由于共振因素造成不必要的损失[5]。

3.1 有限元前处理

设置材料参数:杨氏模量E=2×1011N/m2,泊松比μ=0.3,密度ρ=7850kg/m3。在实际中,高压转子工作环境十分恶劣、转速快,由于计算机条件有限,本文采用ANSYS中的手动划分网格来控制网格的数量和大小,划分网格后高压转子系统共有420983个单元,78715个节点。划分网格后转子模型如图4所示。为了模拟真实转子的两端支承,轴承支承系统被简化为弹簧-阻尼支承。在ANSYS中可以用COMBIN14单元来表示,该单元具有一维、二维和三维应用中的轴向或扭转的性能。

图4 高压转子有限元网格模型

3.2 加载求解

在ANSYS中定义分析类型为模态分析,并设置相应的分析类型,包括分析所要提取的模态阶数,以及需要扩展的阶数,然后对其进行加载求解[6～8]。本文中对转子模型支承部件的自由度约束,根据转子实际工作时的情况,对转子施加的位移约束包括:用于模拟支承结构的弹簧单元,在外节点处施加所有三个方向的零位移约束；弹簧单元的内端是与转轴通过节点相连接的,根据径向和轴向轴承分别约束相应的自由度。

图5 转子的固有频率

图6 转子第一阶振型

执行求解程序并经模态扩展后求解的结果被写入到结果文件中,其中包含有固有频率、已扩展模态的振型以及相应的盈利分布等信息。给出了汽轮机转子ANSYS求解得到的前五阶固有频率如图5所示。振型是转子系统结构所固有的振动表现形态,振型的动画显示及分析是模态分析中最广泛,最基本的应用。分别提取了高低压转子的前五阶振型,高低压转子的振型图见图6～图10所示。

图8 转子第三阶振型

图9 转子第四阶振型

3.3 结果分析

从图5可以看出,船舶高压转子第一、二阶频率分别为72.199Hz和284.27Hz。两者相差较大,而高阶频率之间相差较小,虽然机组的工作频率较大,但不会超过300Hz,由于工作频率会处于前两阶频率之间,因此,汽轮机转子在启动的过程中必然经过第一阶临界转速,通过模态分析得到的前两阶频率为保证转子能够稳定运行提供了理论依据,一般处于转速15%区域内工作时转子发生故障的可能性减小[9]。

图10 转子第五阶振型

根据临界转速与固有频率的关系得到高压转子的一、二阶临界转速为4331.94r/min和17056.2r/min。由已有的该船用发电汽轮机转子的相关运行参数,可知转子在1.0工况下的工作转速在4331.94r/min和17056.2r/min之间,且工作转速偏离其临界转速的裕度大于30%,满足相关文献[10]关于转速偏离临界转速裕度的要求。

但是大功率汽轮机组在运行的过程中,转速从0r/min上升到工作转速的,该汽轮机工作转速大概为6800r/min,启动的过程中必然会经过一阶临界转速4331.94r/min,发生共振是不可避免的。因此,如何很好的控制机组经过临界转速来保证转子振幅不至于过大将是非常重要的。

由图6～图10可以看出,汽轮机转子的模态振型比较复杂,包含有弯曲振动、扭转振动以及轮盘的扭转振动。

4 结语

本文针对某船用高压转子的结构工作特点,采用三维实体建模软件UG和ANSYS有限元分析软件建立了转子的有限元分析模型。利用数值仿真软件计算了转子的前五阶模态,得到了转子的前两阶临界转速及振型。计算结果表明:

1) 通过模态分析得到的前两阶频率为保证转子能够稳定运行提供了理论依据,转子结构具有良好的刚度。

2) 转子在1.0工况下的工作转速在4331.94r/min和17056.2r/min之间,且工作转速偏离其临界转速的裕度大于30%,满足文献关于转速偏离临界转速裕度的规定。

3) 机组启动的过程中必然会经过一阶临界转速4331.94r/min,发生共振是不可避免的,如何很好的控制转子经过临界转速来保证转子振幅不至于过大将是非常重要的。

本文通过对船舶大功率高压转子的建模及模态分析,可以为进一步转子的其它动力学分析提供理论模型,为进一步船舶机组振动的故障诊断奠定基础。

[1] 赵常兴.汽轮机组技术手册[M].北京:中国电力出版社,2007.

[2] 周亚武.汽轮机转子有限元建模及动力学分析[D].武汉:华中科技大学,2009.

[3] 韩清凯,于晓光.基于振动分析的现代机械故障诊断原理及应用[M].北京:科学出版社,2010.

[4] 杨永峰,任兴民,徐斌.国外转子动力学研究综述[J].机械科学与技术,2011,30(10):1775-1780.

[5] 曹妍妍,赵登峰.有限元模态分析及其应用[J].机械工程及自动化,2007,140(1):73-74.

[6] 张洪才,何波.有限元分析—ANSYS13从入门到实战[M].北京:机械工业出版社,2011,7.

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[8] 张鹏鹰,陈兵,曹跃云,等.模拟转子不平衡响应数值分析及实验研究[J].海军工程大学报,2000(2):49-53.

[9] 付才高,郑大平,欧园霞,等.转子动力学及整机振动(航空发动机设计手册第19册)[M].北京:航空工业出版社,2000.

[10] 赵长兴.汽轮机组技术手册[M].北京:中国电力出版社,2007.

Modeling and Modal Analysis of the High Pressure Rotor of the Ship

YANG Yong1ZHOU Hongbing1DENG Xianhui1XIE Qiang2

(1. Navy Representative Office in Shanghai Jiangnan Shipy(Group) Co. Ltd, Shanghai 201913) (2. No. 91370 Troops of PLA, Fuzhou 350015)

Based on the structural feature of a ship power high-pressure rotor, the finite element model of a ship power high-pressure rotor was built on the basis of reasonable simplified processing through UG and ANSYS software. The modal analysis of the rotor was done through finite element numerical analysis software. The rotor of the top 5 order natural frequency and vibration mode was obtained. Through the analysis of calculation results verified the reliability of the rotor, and provide other high-pressure rotor dynamics analysis model, in order to further lay the foundation for ship vibration fault diagnosis.

finite element modal, modal analysis, rotor, rotor dynamics analysis

2014年6月10日,

2014年7月13日

杨勇,男,硕士,工程师,研究方向:船舶与海洋结构物设计制造。

TH455

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.025