ANSYS模态分析在汽轮发电机转子临界转速计算上的应用

第 (器 148期) (EXPLOSION—PROOF ELECTRIC MACHINE) 防爆电机 ANSYS模态分析在汽轮发电机转子 临界转速计算上的应用 李贞婷 佳木斯煤矿机械有限公司，黑龙江佳木斯(154003) 摘 要 高速汽轮发电机转子的临界转速是汽轮发电机转子设计中的一个重要参数，随着计 算机技术的不断发展，使得能够全面考虑影响汽轮发电机转子临界转速因素，计算结果更接近于 实际的有限元分析法的应用将会越来越广泛。文章详细介绍了利用ANSYS有限元软件的模态分 析功能，计算汽轮发电机转子临界转速的方法和计算结果的后处理过程。 关键词 临界转速；汽轮发电初转子；ANSYS；有限元分析 中图分类号TM301．2 TM31 1 文献标识码 A 文章编号1008-7281(2009)03-0037-03 Application of ANSYS Simulation State Analysis to Calculation of Rotor Critical Speed of Turbine Generator L／Zhenting Abstract nle critical speed of hish-speed turbine generator is a main parameter in design of rotor-it has many computing methods such as claSsical theoretical method-ener- gY method ，decomposition iterative method and transmission matrix method-etc．Along the development of computer technology，the factors-which influence the critical speed of turbine generator-call be considered fully-and the fmite—element analysis method -the calculation values of which approach to actual values-will be applied widely．This paper introduces the simulation state analysis function ofANSYS software，calculation methods of critical speed of turbine generator rotor an d post-treatment process of computing results in detail． Key words Critical speed；rotor of turbine generator；ANSYS；finite—element anal— ysis 0 引言 高速汽轮发电机转子的临界转速和不平衡响 应问题，在很早就已经被人们所重视，它的理论研 究和试验分析在国内外已经相当成熟，无论是在 设计阶段还是实际运行中，都有很多成熟的方法 和经验来控制它们。汽轮发电机转子临界转速的 计算方法很多，例如经典理论法、能量法、分解迭 代法等，随着计算机技术的不断发展，人工计算逐 渐被计算机所取代，使得精度更高，但是需要通过 繁重计算才能获得结果的现代计算方法得以实 现。现代计算方法包括传递矩阵法和有限元分析 法两种，我国的很多高等院校和科研院所在多年 前就已经采用计算机语言开发了传递矩阵法计算 汽轮发电机转子临界转速的计算程序，并且在汽 轮发电机的设计上得到了广泛的应用，但是由于 有限元计算软件都为欧美一些发达国家所开发， 传人我国时间较晚，因此有限元计算方法在我国 直到近几年才被推广起来。本文以某型号汽轮发 电棚转子为例介绍采用ANSYS有限元分析软件 计算汽轮发电机转子临界转速的方法。 1 有限元分析 1．1 计算方法选择 计算旋转结构的临界转速就是计算它的固有 频率，结构的固有频率分析在ANSYS软件中被称 为模态分析，ANSYS提供了七种模态提取方法， 它们分别是子空间法、分块 I．~tnczos法、PowerDy— namics法、缩减法、非对称法、阻尼法和 QR阻尼 法，在这七种方法中只有阻尼法和 QR阻尼法允 许在结构中存在阻尼。 旋转结构临界转速的计算分为刚性临界转速 37 防爆电机 (EXPLOSION—PROOF ELECTRIC MACHINE) 第4420卷09( 磊31忽期) 计算和阻尼临界转速计算两种，刚性临界转速是 转子的固有特性，而阻尼临界转速的计算考虑了 轴承油膜的八个特性系数，计算时要将油膜模化 成弹簧和阻尼器。根据以上定义，刚性临界转速 与阻尼临界转速的区别是计算时是否考虑油膜特 性，油膜特性在 ANSYS系统中用弹簧-阻尼单元 来模拟。汽轮发电机转子临界转速对轴承油膜的 刚度与阻尼很敏感，所以汽轮发电机转子临界转’ 速计算时最好计算阻尼临界转速。鉴于此我们在 ANSYS系统中选用模态提取方法时，如果计算的 是阻尼临界转速，注意要选择阻尼法或 QR阻尼 法。根据模型的不同，阻尼法和 QR阻尼法在算 法和提取特征值时又有所不同，实际应用时可查 看ANSYS帮助文件或 ANSYS教程来选择，本例 选择 QR阻尼法。 1．2 建立模型 汽轮发电机转子模型相对复杂，可以利用专 业的CAD软件将模型建立好，然后利用系统的接 口或转换成ACIS文件模式将模型传输到ANSYS 中去，在 ANSYS中再利用系统的检查功能和实体 建模功能对模型进行进一步的修正，即可得到需 要的有限元模型；也可以在ANSYS系统中采用直 接实体建模的方法来完成，在ANSYS系统中直接 建模可以采用命令流方式也可以采用 GUI操作 方式。由于 ANSYS软件不具有“撤销”功能，所 以我们在利用ANSYS计算分析时最好采用命令 流文件求解，这样可以解决采用 GUI操作一旦失 误不能“撤销”的弊端。本例采用ANSYS的命令 流文件求解，命令流文件模型建立采用 ANSYS系 统提供的自下而上(依次生成点、线、面、体)建模 方法。 1．3 材料定义 ANSYS系统计算旋转结构临界转速时需要 材料的弹性模量、泊松比和密度。材料定义时将 上述三种材料属性输入即可。 1．4 单元类型选择 本例计算阻尼临界转速，需要两种单元类型， 分别为三维实体单元SOLIIM5和弹簧一阻尼单元 COMBIN14，SOLID45用于模拟汽轮发电机转子模 型，COMBIN14用于模拟轴承油膜特性。注意单 元类型选择后，要对COMBIN14定义刚度实常数。 在ANSYS系统下生成的单元网格模型图如图 1 38 所示。 图1 汽轮发电机转子模型图 1．5 约束与载荷 汽轮发电机转子临界转速有限元分析模型约 ， 束与载荷见表 1。 表 I 汽轮发电机转子临界转速有限元分析模型 约束与载荷 1．6 计算分析与后处理 ANSYS计算转子临界转速时，模态提取将会 得到两组数值，分别为转子正进动和反进动，由于 陀螺效应的影响，随着转子转速的升高，正进动固 有频率将会提高，反进动固有频率将会降低，根据 固有频率的定义，应只对正进动固有频率分析。 ANSYS系统模态分析提取的一阶和二阶固有频 率数值对应旋转速度值见表2。 表 2 转子固有频率～旋转速度变化表 旋转速度 固有频率(Hz) (rpm) 一阶 二阶 根据表 2计算的结果，绘制转子系统的 campbell图，如图2所示。图中固有频率—旋转 速度的曲线与等速线的交点即为固有频率点。 (下转56页) 防爆电机 (EXPLOSION—PROOF ELECTRIC MACHINE) 第4420卷o9(孺3l 期) 用角接。 3．8 保证磁场的对称性 制造绕组时，尽量使并联路数 a=2p(极数)。 如果a<2p，在串联每路绕组时应采用隔极相连，若 采用均压线效果会更好。在采用两条并联路径时， 每条路径的绕组以隔极相连较好，以邻极相连较差。 铁,C,-E叠片时要交错，因为不均匀的磁场会 产生2倍转差频率的电磁噪声。为减小因硅钢片 厚度不均匀性破坏铁心磁场的对称性，冲片宜打 乱硅钢片的轧制方向冲制。大型高压电机定子冲 片多采用扇形片，因此要仔细核算分瓣数和接缝 数是否合理，以保证磁场的对称性，避免产生轴电 流和电磁噪声。 3．9 提高定子刚度 合理保证装压压力和铁心叠压系数，提高定 子冲片装压质量，采取减小片厚差的影响，提 高定子冲片与定子筋的焊接质量，提高定子筋与 机座环筋板的焊接质量。在设计时充分考虑轭部 磁密的基础上，增加定子铁心的轭部高度以提高 其刚度。 3．1O 提高转子铁心对齐度 提高转子冲片装压质量，在转子铁心两端增 加固定压圈，以减小冲片变形，转子在加工外径 时，严格控制加工量，保证转子冲片不倒片。 3．1l 减少噪声的辐射 提高定子铁心和机座连接的弹性程度。高压 大型电机尽量设计成短粗的，这样可减少声音辐 射量，同时电机的刚度会更好，振动值会更小。 4 结语 经理论分析，结合产品进行试验，验证分析了 高压电机产生电磁噪声的原因，在本文叙述的措施 中，优选槽配合、采用斜槽、增大气隙、减小转子偏 圾降低磁路的饱和程度是降低电磁噪声效果显 著的五项措施。但要根据具体情况分析产生电磁 噪声的主要原因，有针对性地采取措施进行解决。 参考文献 [1] 陈永校，诸自强，应善成编著．电机噪声的分析和控 制．杭州：浙江大学出版社，1987． [2] 舒波夫(苏)著．沈官秋译．电机的噪声和振动．北 京：机械工业出版社，1980． [3] 杨万青，刘建忠等编著．实用异步电动机设计、安装 与维修．北京：机械工业出版社，1996． 周传华 男 1976年生；毕业于佳木斯大学工学院机械制造工 艺与设备专业，现从事高压异步电动机的设计工作． 收稿日期：2005-04-25 (上接38页) 25 o0 75 50 25 0 图 2 转子 系统的 campbell图 转子临界转速与固有频率的关系为 np=6of (1) 式中， —转子临界转速(rpm) 子固有频率 (Hz)。 则该转子一阶临界转速n 与二阶临界转速 n 分另0为 1=60 xf,=60×30．6=1 836(rpm) ／'$p2=60 xA=60×85．9=5 154(rpm、 56 2 结语 影响汽轮发电机转子临界转速的因素很多， 例如：轴的几何形状、材料、支撑情况以及安装在 轴上的零件等，无论采用哪一种方法进行临界转 速计算，要同时考虑全部影响因素并且准确计算 临界转速的数值都是困难的。虽然有限元法计算 临界转速时，可以考虑到更多的影响因素，但是由 于受到计算机硬件水平限制，我们不可能建立一 个完全等效于实际工况的模型在 ANSYS系统下 进行仿真，因此在计算时我们应该按照不同的设 计要求，根据主要影响因素，来建立相应简化的模 型，求得临界转速的近似数值，做为转子设计的参 考依据。 李贞婷 女 1973年生；毕业于佳木斯大学计算机应用专业， 现从事工艺设计工作． 收稿日期：2008．11-22 一 一 蒸 篷