核电站用离心式压缩机转子临界转速计算分析

1、 核电站用离心式压缩机转子临界转速计算分析核电产业是关系我国国防安全、能源安全与大国国际地位的战略性、高技术产业，也是极具发展前景的新兴产业，在国家科学发展战略中占有十分重要的地位。在目前国家大力倡导的核电站关键设备及其主要辅助设备国产化的前提下，大型国产化离心式冷水机组将被应用于核电站的冷却设备。国家科技重大专项专题“核电站主要辅助设备自主设计与制造技术研究”下的子课题“MS01 水冷离心式冷水机组研制”任务书中第3.7项要求：“工作转子的第一阶临界转速应高于最大运行转速的20%”。本文主要介绍核电站用离心式冷水机组中的离心式压缩机转子临界转速可靠性的计算分析。离心式压缩机是典型的旋转机械，

2、一般来说，转子和轴承决定着旋转机械的寿命，当旋转机械的转子在临界转速下运行时，轻则使转子振动加剧，重则会造成事故。为确保机器在工作转速范围内不发生共振，工作转速应适当偏离临界转速，即研制任务书中要求的工作转子的第一阶临界转速应高于最大运行转速的20%。离心式压缩机根据电机驱动结构共有两种形式：定频齿轮驱动和变频直接驱动，为本文主要通过DyRoBe'S转子动力学软件分别模拟计算校核转子的临界转速，并通过实验进行验证。DyRoBe'S软件计算原理DyRoBe'S软件主要是通过有限元的计算方法来分析计算固定瓦轴承、曲面轴承、可倾瓦轴承等轴承，通过解非定常的雷诺方程式(如下式所

3、示)，得到油膜中压力的分布，然后进一步求得该轴承的静特性参数(如静平衡位置、承载能力、摩擦功耗、润滑油流量、温升等)和动力特性系数。 式中：x为轴向坐标，y为圆周向坐标，h为油膜厚度， 为润滑油粘度， 为轴向紊流流量系数， 为圆周向紊流流量系数。 轴承-转子系统运动微分方程的齐次方程如下所示： 将式(2)变换为广义特征问题方程，如下所示： 式中，x为特征向量，v为其特征值式(3)的各阶特征值 ，其虚部 表示涡动角速度，对应的涡动速度为 。同期涡动(涡动速度等于工作速度)直线与各界涡动速度曲线的交点对应的工作转速称为阻尼临界转速。 DyRoBe'S软件计算转子一阶临界转速首先，分别建立两

4、种类型离心式压缩机转子动力学轴承和转子的模型，在DyRoBe'Sbearing 中输入轴承轴径、宽度、预载荷、承载力、转速等参数，计算出轴承的动态特性，再通过DyRoBe'Srotor中各个参数设置及输入，建立转子系统的模型如图1、2所示： 不管是变频直接驱动离心式压缩机还是定频齿轮驱动离心式压缩机，其额定转速均为8000rpm，通过DyRoBe'S软件计算分析，两种离心式压缩机的一阶临界转速分别为12039rpm和10222rpm。 通过模拟分析计算结果可以看出两种转子的临界转速分别是额定转速的1.5倍和1.28倍，均大于任务书要求的高于最大运行转速的20%，及大于1

5、.2倍额定转速要求。转子系统的稳定可靠性除了要看临界转速外，还需要保证轴承的刚度系数在103106N/mm、承载能力大于轴承所受的作用力。变频直接驱动离心压缩机前后轴承仅承受整个转子系统的重力，因此轴承受到的作用力是朝下的，其受力分布图如图5、6所示。 由以上分析结构可知，变频离心压缩机轴承刚度系数最小值为3.26×104N/mm，刚度系数最大值为7.746×104N/mm，均处于103106 N/mm这一区间;轴承可承受的载荷为269.72kg，即2643.3N，是实际承受载荷316N的8.36倍，即安全系数可达8.36。轴承设计是安全可靠的。定频齿轮驱动离心压缩机由于需

6、要通过齿轮来增速，在承受转子自身重力之外，还需承受齿轮啮合带来的轴向力、径向力和周向力，所有作用力综合起来轴承受力是斜向上的，其受力分布图如图7、8所示： 由以上分析结构可知，定频离心压缩机轴承刚度系数最小值为5.72×103N/mm，刚度系数最大值为2.286×105N/mm，均处于103106 N/mm这一区间;轴承可承受的载荷为1821kg，即17845.8N，是实际承受载荷3508.4N 的5.06倍，即安全系数可达5.06。轴承设计是安全可靠的。通过以上理论分析可知，不管是从转子的临界转速，还是轴承的刚度系数、承载力，整个轴系都是安全可靠的。3 实验验证为验证理论

7、计算的可靠性，需通过实验验证，为避免整个转子发生共振从而损坏压缩机，实验时将在明细工况下测得各个测试点的振动数据，通过与标准要求(所有点振动数据不得大于0.03mm)来判断整个转子系统的可靠性。 其中：点为压缩机正面左支脚;点为压缩机背面左支脚;点为压缩机正面右支脚;点为压缩机背面右支脚;点为电机与箱体水平;点为电机与箱体垂直;点为电机后盖水平;点为电机后盖垂直;点为电机尾端轴向;点为电机底部支撑。 通过以上实验验证可知，所有点振动均在标准要求以下，亦可从侧面证明轴系是安全可靠的。4 结论作为核电站用离心式冷水机组，通过DyRoBe'S软件模拟分析，不管是变频直接驱动离心式压缩机还是定频齿轮驱动离心式压缩机，其转子临界转速远大于研制任务书要求工作转子的第一阶临界转速