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现代机械2012年第6期
透平膨胀机气体轴承的数值模拟
高祥虎,余晓明,李强
(上海理工大学能源与动力工程学院,上海20003)
摘要:应用 ANSYS有限元软件对透平膨胀机的核心部件一气体轴承进行模态分析和谐响应分析,求解转子的振型、应
力分布、固有频率和失稳转速。并对不同轴承半径间隙时的转子动力学分桁,根据失稳转速的变化规律,得出所设计的双
排径向静压气体轴承的最佳轴承半径间隙;C,=0.02mm。
关键词:透平膨胀机气体轴承模态分析谐岣应分析最佳轴承间隙
中图分类号:IH3.35文献标识码
文章编号:1002-6886(2012)06-(06-04
Numerical Simulation of the Turboexpander Gas Bearing
GAO Xianghu, YU Xiaoming, LI Qis
Abstract Air journal bearing is the eore component in the turboexpander. Using the ANSYS finite element software to accomplish
i s modal analysis and armonic reponse analysis, I t the mde shape, stress distriution, the natural frequency and the frequency
displacement plot of the rotor. At the end, I used the ANSYS software to do the rotor namics analysis of air joumal bearing which had
different bearing radius clearance under different supply pressure, and then we got different stability threshold speed of the rotor. Final-
ly we come to the best bearing radius clearance value of the double-row radial static pressure air journal bearing is 0.02 mm
Key words: turboexpander; air journal bearing; modal analysis; harmonic response aralysis; best earing clearance
铀上的销和健等部件。
j2.S
气体轴承透平膨胀机具有结构简单,使用温度范围
广,能长期稳定运转等优点,因此广泛应用于气体液化设
2
备中。气体轴承是透平膨胀机的关键部件,气体轴承要靠
压力的清洁气体在轴承与轴颈之问形成气膜,使主轴
转动时不与轴承接触。对气体轴承转子失稳转速与轴承
半径间隙、供气小孔直径、供气排数、每排供气孔数、供气
孔位置等结构参数之间的内在联系和变化规律,进行改进
图1透平膨胀气体轴承结构
设计。本文将 ANSYS数值模拟和试验研究相结
合,重点探讨轴承半径间隙对转子失稳转速的影响并得到
对于径向轴承,采用 ANSYS软件中的 OMBIN14
气体轴承的最佳半径问隙。
弹簧单元来代替径向轴承。它不能考虑弯曲和扭转,每个
节点具有3个自由度,没有质量,要求输入轴承的刚度和
1气体轴承数值模拟
阻尼两个参数,能等效的表示径向气体轴承的支承作用。
1.1气体轴承建模与网格划分
3)由于止推轴承主要是对转轴的轴向运动进行约
图1所示为本文所设计的透平膨胀气体轴承,其主要束,而且对转子动力学的分析影响不大,将其简化为一个
结构包括转子及轴承两大部分,轴承部分义包括径向轴承轴向约束
和止推轴承。
通过上述对气体轴承的简化处理后得到的透平膨胀
为了保证在一定的计算精度下达到适当的计算收敛机气体轴承一转子系统的模型如图2所示。
速度,对气体轴承简化如下:
转轴的材料采用的是不锈钢SUS304L,参数如表1所
)由于对整个转子动力学分析的影响很小,忽略转示
设计·研究·分
图2气体轴承一转子系统模型
表1
转子材料参数的设置
材料
密度(kg/m2)弹性模量(Pa)
泊松比
SUS3041
7930
1.93×10
0.3
图4施加约束后整个气体轴承转子系统的有限元模型
在实际运行中,共振的发生并不是在某阶固有频率处发
图3所示为对气体轴承转轴进行的有限元网格划分。生,而是在某一个共振区域,一般情况下,这个区域在固有
将止推盘中间部分转轴进行线划分为等份,对转轴端频率上下15%的空间。
轴承支承部分划分为14等份,然后对转轴的其余部分采
图5为前6阶固有频率下的转子应力云图。
用 ANSYS自由划分网格模式,并在以下将在供气压力
表2前6阶转子模态频率列表
P.=0.6MPa,对气体轴承模态分析和谐相应分析。
模态阶次固有频率(Hz)
振型
963.49
转子上下弯曲
963.51
转子前后弯曲
1940.90
转子成波浪形弯曲
1941,20
同第3阶相反方向的波浪形弯曲
5671,50
转子成M形弯曲
6
5676.90
转子成W形弯曲
设计时尽量避免干涉现象的出现,以防振动加剧。
可采取改变转子固有频率的方法,如改变转子材料硬度,
或改进转子型线等方法
图3网格划分后的气体轴承转子系统模型
2气体轴承的谐响应分析
1.2模态分析加载及求解
首先定义分析类型为模态分析,然后在分析选项里
谐响应分析主要用于分析持续的周期性载荷在结构
选择模态分析提取方法。本文选用 Block Lanczos提取方系统中产生的持续的周期性响应(谐响应),并确定在承
法?。需要提取的模态阶数为6,扩展的阶数为6
受按简谐规律变化的载荷时线性结构的稳定响应。由
然后进行轴承部分自由度约束,即轴承支座和转轴于气休轴承一转子系统在运行时必然会受到来自电机等
的位移约束。由于径向轴承是用 COMBINI4弹簧单元来
各方面因素的影响,这时就会在转子上产生一个持续的周
代替的根据实际工作情况,将 COMBIN4弹簧单元外端期性的载荷,这个载荷必定会对轴承一转子系统产生一个
X、Y、Z三个方向上的位移设置为零(U=0,U,=0,U2=
持续性的周期响应。所以我们必须要对透平膨胀机气体
0),将 COMBINI4弹簧单元的另一端(与转轴表面接触轴承一转子系统模型进行谐响应分析,以分析其临界转
端)简化为轴向约束(U=0)。施加约束后整个气体轴
速,保持系统的稳定性。
承一转子系统的有限元模型如图4所示。
2.1谐响应分析加载及求解
1.3模态分析后处理及计算结果分析
在模态分析结果的基础上,接着进行谐响应分析的
表2所示为前6阶固有频率与振型。
加载和求解,这里我们采用 Mode Superposition法。由于在
由表2可见,转子第1阶频率和第2阶频率值、第3试验数据中转子在临界转速下的固有频率都远远