无码日韩精品一区二区免费暖暖,久久精品国产精品亚洲,开心播播网,女人床技48动态图,国产精品无码免费专区午夜

摘要：光熱電站熔鹽泵轉子系統由于其自身結構及外部載荷激勵，在極端運行工況下難以維持運行穩定性。針對該問題建立有限元模型，分析了溫度載荷、流場力載荷、離心力載荷等對熔鹽泵轉子的應力變形規律；設置4種不同軸段長度的轉子模型，分析不同轉子模態振型、固有頻率以及臨界轉速等動力學特性。研究發現：轉子結構中最大等效應力出現在首級葉輪葉片進口與前蓋板交界處，最大變形出現在首級葉輪前蓋板尾緣處，流場載荷與質量力載荷使應力與變形在葉輪上大致呈現中心對稱分布，溫度載荷使得葉輪產生較大的形變；對首級葉輪進行強度校核后，所選材料滿足結構強度要求。模型轉子的固有頻率隨中間軸段長度的增加而降低，濕態轉子模型的固有頻率略低于干態固有頻率；其他轉子的一階臨界轉速均小于轉子的設計轉速，只有A9轉子的臨界轉速滿足±10%安全裕度，不易在運行過程中發生共振。研究結果對于該類型泵安全穩定運行以及在能源應用等領域具有重要的指導意義。

引言

高(gao)(gao)(gao)溫熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)泵(beng)(beng)是塔(ta)式光(guang)熱(re)(re)發電(dian)系(xi)統中能(neng)(neng)量循環的(de)(de)(de)(de)核(he)心設(she)備，一旦(dan)出現故障，整個系(xi)統將(jiang)面(mian)臨癱瘓。該(gai)泵(beng)(beng)長(chang)(chang)(chang)期工(gong)(gong)作在(zai)(zai)300～700℃的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)溫熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)環境(jing)中，由(you)于熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)密度(du)大、黏度(du)高(gao)(gao)(gao)，在(zai)(zai)內流場載(zai)荷、熱(re)(re)載(zai)荷等多(duo)載(zai)荷作用下熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)泵(beng)(beng)轉子(zi)(zi)(zi)結(jie)構(gou)會(hui)產生較大的(de)(de)(de)(de)變(bian)形，運(yun)行時(shi)對(dui)(dui)動靜結(jie)構(gou)造成破環。另一方(fang)面(mian)，光(guang)熱(re)(re)電(dian)站(zhan)用高(gao)(gao)(gao)溫熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)泵(beng)(beng)為(wei)液下立式泵(beng)(beng)，泵(beng)(beng)軸(zhou)(zhou)(zhou)較長(chang)(chang)(chang)，液下深度(du)甚至能(neng)(neng)達到十(shi)幾米(mi)，需要通過(guo)聯軸(zhou)(zhou)(zhou)器(qi)將(jiang)多(duo)軸(zhou)(zhou)(zhou)段(duan)聯接起(qi)來，過(guo)多(duo)的(de)(de)(de)(de)軸(zhou)(zhou)(zhou)段(duan)在(zai)(zai)泵(beng)(beng)組測(ce)試與運(yun)維過(guo)程(cheng)中使得組裝和(he)拆卸過(guo)于繁瑣，浪(lang)費較多(duo)時(shi)間與人工(gong)(gong)成本；軸(zhou)(zhou)(zhou)段(duan)太少(shao)會(hui)導(dao)致對(dui)(dui)轉子(zi)(zi)(zi)系(xi)統約束(shu)不(bu)夠，影響(xiang)轉子(zi)(zi)(zi)運(yun)行的(de)(de)(de)(de)頻率。若泵(beng)(beng)轉子(zi)(zi)(zi)長(chang)(chang)(chang)期工(gong)(gong)作在(zai)(zai)臨界轉速(su)附近(jin)會(hui)導(dao)致長(chang)(chang)(chang)軸(zhou)(zhou)(zhou)轉子(zi)(zi)(zi)發生共(gong)振(zhen)，對(dui)(dui)于高(gao)(gao)(gao)溫長(chang)(chang)(chang)軸(zhou)(zhou)(zhou)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)泵(beng)(beng)的(de)(de)(de)(de)泵(beng)(beng)軸(zhou)(zhou)(zhou)，軸(zhou)(zhou)(zhou)段(duan)的(de)(de)(de)(de)長(chang)(chang)(chang)度(du)和(he)段(duan)數不(bu)能(neng)(neng)隨意確定(ding)。對(dui)(dui)高(gao)(gao)(gao)溫熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)泵(beng)(beng)轉子(zi)(zi)(zi)進行不(bu)同載(zai)荷作用下應力應變(bian)分析(xi)以(yi)及轉子(zi)(zi)(zi)動力學分析(xi)十(shi)分有(you)必要。

熔鹽(yan)泵內部(bu)流(liu)(liu)動結構復雜(za)，SHAO ChunLei 等(deng)［１］通(tong)過數值模擬研究了(le)熔鹽(yan)離(li)心泵在不同黏性(xing)流(liu)(liu)體下的非穩(wen)態(tai)流(liu)(liu)動，發現黏度(du)對(dui)(dui)其性(xing)能影(ying)響顯著，熔鹽(yan)泵內流(liu)(liu)動的穩(wen)定(ding)性(xing)主要受黏度(du)和(he)葉(xie)片(pian)干擾(rao)作用的影(ying)響，流(liu)(liu)體黏度(du)的增加減少了(le)流(liu)(liu)量的波動。顧海飛［２］對(dui)(dui)泵葉(xie)輪(lun)(lun)在不同工況下的內部(bu)流(liu)(liu)場進(jin)行了(le)計(ji)算，通(tong)過對(dui)(dui)內部(bu)流(liu)(liu)速分布、壓力分布等(deng)的分析(xi)，提出了(le)一(yi)些設計(ji)改進(jin)措施，為優化葉(xie)輪(lun)(lun)設計(ji)和(he)研究葉(xie)輪(lun)(lun)內部(bu)的兩相流(liu)(liu)動提供了(le)參(can)考。

多場耦(ou)合的分析對(dui)(dui)(dui)于設計安全可靠的流(liu)(liu)(liu)體(ti)機(ji)械和(he)結構至關重要，隨(sui)著(zhu)計算機(ji)技(ji)術和(he)有限(xian)元方法的不(bu)斷進步與(yu)成熟，高海司等［３］應(ying)用ANSYS軟(ruan)件(jian)對(dui)(dui)(dui)某型號(hao)混流(liu)(liu)(liu)泵進行流(liu)(liu)(liu)固(gu)耦(ou)合分析，得到流(liu)(liu)(liu)體(ti)對(dui)(dui)(dui)葉(xie)輪的流(liu)(liu)(liu)固(gu)耦(ou)合作用力。朱洋等［４］采(cai)用單向流(liu)(liu)(liu)固(gu)耦(ou)合方法考察了高溫狀態(tai)下改變(bian)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)時光熱發電用高溫熔(rong)鹽(yan)泵內部流(liu)(liu)(liu)動對(dui)(dui)(dui)熔(rong)鹽(yan)泵轉子部件(jian)運行的影響，表(biao)明流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)對(dui)(dui)(dui)轉子臨界轉速影響很小，且轉子最(zui)大(da)(da)(da)等效(xiao)應(ying)力隨(sui)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)增(zeng)加(jia)而減小。滕爽(shuang)等［５］采(cai)用單向流(liu)(liu)(liu)固(gu)耦(ou)合方法對(dui)(dui)(dui)沖(chong)壓泵轉子部件(jian)進行應(ying)力、變(bian)形(xing)(xing)和(he)模態(tai)分析，發現葉(xie)輪的最(zui)大(da)(da)(da)等效(xiao)應(ying)力發生在(zai)輪轂處，而最(zui)大(da)(da)(da)變(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)在(zai)葉(xie)片外緣(yuan)。最(zui)大(da)(da)(da)等效(xiao)應(ying)力與(yu)最(zui)大(da)(da)(da)變(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)隨(sui)級數增(zeng)加(jia)而減少，隨(sui)著(zhu)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)增(zeng)加(jia)，最(zui)大(da)(da)(da)等效(xiao)應(ying)力減少而最(zui)大(da)(da)(da)變(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)增(zeng)加(jia)。

隨著研(yan)究領域(yu)深入(ru)(ru)，在(zai)流(liu)(liu)固(gu)耦(ou)合的(de)基(ji)礎上又(you)加入(ru)(ru)了(le)(le)溫度熱(re)載荷，黃偉峰等［６］針對上游泵(beng)的(de)機械密(mi)封建立熱(re)流(liu)(liu)固(gu)耦(ou)合模(mo)(mo)型(xing)，進行(xing)相(xiang)關性(xing)能(neng)分析，得到(dao)了(le)(le)泄漏(lou)率、溫升(sheng)、變(bian)形等變(bian)化規律。冀宏等［７］研(yan)究液壓電機泵(beng)在(zai)不同工作負載下的(de)溫度分布情況，建立了(le)(le)流(liu)(liu)固(gu)耦(ou)合傳熱(re)仿真(zhen)模(mo)(mo)型(xing)，分析了(le)(le)電機和液壓泵(beng)的(de)熱(re)損失，并(bing)通過實驗驗證了(le)(le)模(mo)(mo)型(xing)的(de)準確(que)性(xing)。孔繁(fan)余等［８］利用流(liu)(liu)固(gu)熱(re)耦(ou)合分析了(le)(le)高溫泵(beng)內葉(xie)輪變(bian)形和應(ying)(ying)力分布特(te)征，發現葉(xie)輪在(zai)對稱情況下對應(ying)(ying)變(bian)形和應(ying)(ying)力分布較為(wei)均勻，單葉(xie)輪葉(xie)片(pian)根部位置存在(zai)高應(ying)(ying)力區域(yu)。郭豹等［９］基(ji)于單向熱(re)流(liu)(liu)固(gu)耦(ou)合理(li)論，對高溫熔鹽(yan)泵(beng)的(de)靜止部件(jian)和轉子(zi)部件(jian)展(zhan)開模(mo)(mo)態(tai)性(xing)能(neng)分析，結果表明可以忽(hu)略葉(xie)輪旋轉相(xiang)位對其模(mo)(mo)態(tai)性(xing)能(neng)的(de)影響。

在泵(beng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)動力學(xue)方(fang)面(mian)，張智(zhi)偉等(deng)［１０］基于熱流(liu)(liu)固(gu)(gu)(gu)耦(ou)合計算(suan)，對(dui)液(ye)化天(tian)然氣低(di)溫潛液(ye)泵(beng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)展(zhan)開探(tan)究，研究結果(guo)表明，各階固(gu)(gu)(gu)有頻(pin)率(lv)變化不(bu)大，預應(ying)(ying)力對(dui)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)部件的(de)(de)固(gu)(gu)(gu)有頻(pin)率(lv)影響也不(bu)大。權凌霄等(deng)［１１］根據流(liu)(liu)體連續定(ding)理及動量定(ding)理建(jian)立間(jian)隙環流(liu)(liu)運動的(de)(de)偏微分(fen)(fen)方(fang)程(cheng)組，采用(yong)線性攝動法(fa)(fa)求(qiu)解(jie)得到間(jian)隙環流(liu)(liu)激(ji)振(zhen)(zhen)力，發(fa)現(xian)環流(liu)(liu)產生的(de)(de)動態(tai)流(liu)(liu)體激(ji)振(zhen)(zhen)力會影響轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)系統(tong)的(de)(de)動力學(xue)特性，一(yi)定(ding)程(cheng)度上會降低(di)系統(tong)的(de)(de)臨(lin)界(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)。王子(zi)(zi)超等(deng)［１２］基于流(liu)(liu)固(gu)(gu)(gu)熱多場耦(ou)合理論(lun)對(dui)高溫熔鹽(yan)泵(beng)在極端(duan)運行(xing)條件下(xia)展(zhan)開模(mo)態(tai)分(fen)(fen)析(xi)(xi)，得出結論(lun)：預應(ying)(ying)力顯著提升(sheng)了(le)(le)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)結構的(de)(de)固(gu)(gu)(gu)有頻(pin)率(lv)，且熔鹽(yan)泵(beng)的(de)(de)臨(lin)界(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)與額定(ding)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)不(bu)重合，避免了(le)(le)共振(zhen)(zhen)。楊慶俊等(deng)［１３］通過建(jian)立流(liu)(liu)固(gu)(gu)(gu)耦(ou)合動力學(xue)模(mo)型并進(jin)行(xing)數值模(mo)擬(ni)分(fen)(fen)析(xi)(xi)，發(fa)現(xian)泵(beng)源諧(xie)波(bo)激(ji)勵可(ke)導致管(guan)路強迫振(zhen)(zhen)動，并可(ke)能引發(fa)共振(zhen)(zhen)現(xian)象(xiang)。周亞武［１４］使用(yong)ANSYS軟件對(dui)汽(qi)輪機轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)進(jin)行(xing)了(le)(le)模(mo)態(tai)分(fen)(fen)析(xi)(xi)，提取(qu)了(le)(le)固(gu)(gu)(gu)有頻(pin)率(lv)和(he)振(zhen)(zhen)型，探(tan)討(tao)了(le)(le)避免共振(zhen)(zhen)的(de)(de)策略，并計算(suan)了(le)(le)臨(lin)界(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)，提出了(le)(le)過臨(lin)界(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)的(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)。最后(hou)，分(fen)(fen)析(xi)(xi)了(le)(le)不(bu)同(tong)加速(su)(su)(su)(su)度下(xia)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)的(de)(de)瞬態(tai)響應(ying)(ying)，為汽(qi)輪機轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)的(de)(de)設計和(he)優化提供了(le)(le)合理的(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)。崔常鵬［１５］通過模(mo)態(tai)疊(die)加法(fa)(fa)分(fen)(fen)析(xi)(xi)液(ye)下(xia)泵(beng)軸系損(sun)壞原因(yin)，發(fa)現(xian)中軸承與軸間(jian)隙過大導致支撐不(bu)足(zu)是(shi)主要原因(yin)，該(gai)分(fen)(fen)析(xi)(xi)方(fang)法(fa)(fa)有助于指導同(tong)類型泵(beng)的(de)(de)失效分(fen)(fen)析(xi)(xi)和(he)改進(jin)設計。

熱流固多場耦(ou)合(he)下，熔(rong)鹽(yan)泵(beng)(beng)工作(zuo)環(huan)境及(ji)介質使其(qi)運(yun)行環(huan)境和工況極其(qi)復雜多變(bian)，分(fen)析(xi)其(qi)不同(tong)載(zai)荷(he)對熔(rong)鹽(yan)泵(beng)(beng)運(yun)行穩(wen)定的(de)(de)(de)(de)影響，對光熱電站運(yun)維具有重要的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用。目前，國內光熱發(fa)電用高(gao)溫熔(rong)鹽(yan)泵(beng)(beng)普遍處于設(she)計研(yan)發(fa)階段，針對熔(rong)鹽(yan)泵(beng)(beng)的(de)(de)(de)(de)內部流動激勵載(zai)荷(he)和超長(chang)軸(zhou)轉(zhuan)子(zi)及(ji)結構穩(wen)定可靠性的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)仍然不能(neng)完全解決熔(rong)鹽(yan)泵(beng)(beng)因失穩(wen)破壞頻(pin)繁檢(jian)修的(de)(de)(de)(de)問題，且取得的(de)(de)(de)(de)成(cheng)果并不能(neng)立即應(ying)用于實際工程設(she)計。本研(yan)究(jiu)(jiu)基于ANSYS?Workbench平臺與熱流固耦(ou)合(he)、轉(zhuan)子(zi)動力學(xue)理論對高(gao)溫熔(rong)鹽(yan)泵(beng)(beng)超長(chang)軸(zhou)轉(zhuan)子(zi)系(xi)統(tong)(tong)展開研(yan)究(jiu)(jiu)，分(fen)析(xi)轉(zhuan)子(zi)結構在不同(tong)載(zai)荷(he)下的(de)(de)(de)(de)受力變(bian)形以及(ji)轉(zhuan)子(zi)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)動力學(xue)特性，可以為高(gao)溫熔(rong)鹽(yan)泵(beng)(beng)優化設(she)計以及(ji)轉(zhuan)子(zi)系(xi)統(tong)(tong)安全穩(wen)定運(yun)行提供研(yan)究(jiu)(jiu)參考。

1

數值計算方案

1.1 流場計算模型

以一(yi)臺光(guang)熱電站用二級(ji)長軸高(gao)溫熔鹽泵(beng)為(wei)研究對(dui)象，設計(ji)(ji)時將揚程(cheng)平均(jun)分(fen)配給２個葉(xie)(xie)輪，首(shou)級(ji)與次級(ji)葉(xie)(xie)輪均(jun)采(cai)用混流式(shi)葉(xie)(xie)輪。考慮其軸向尺寸(cun)較大采(cai)用空間導(dao)葉(xie)(xie)作為(wei)過流部件。熔鹽泵(beng)設計(ji)(ji)工況(kuang)流量Ｑ＝662m3/h，設計(ji)(ji)揚程(cheng)Ｈ＝41.8ｍ，設計(ji)(ji)轉速ｎ＝1470r/min。葉(xie)(xie)輪設計(ji)(ji)參數分(fen)別為(wei)葉(xie)(xie)輪外徑Ｄ2＝336ｍｍ，進口直(zhi)(zhi)徑Ｄｊ＝234ｍｍ，輪轂直(zhi)(zhi)徑Ｄｈ＝60ｍｍ，葉(xie)(xie)輪葉(xie)(xie)片(pian)(pian)數Ｚ＝6，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)包(bao)角φ＝118°，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)安放(fang)角β=25°。高(gao)溫熔鹽泵(beng)流體域如(ru)圖1所示。

圖1　熔鹽泵流體域(yu)模型

對熔(rong)鹽泵(beng)內(nei)部(bu)流(liu)體域建立模(mo)型，流(liu)體域主(zhu)要由(you)進口段(duan)，首、次(ci)級(ji)葉(xie)輪，首、次(ci)級(ji)導葉(xie)以(yi)及出口段(duan)組成。對進口段(duan)和出口段(duan)進行適當延伸以(yi)降低邊界條件對計算結果精度(du)的(de)影響(xiang)。熔(rong)鹽泵(beng)輸送介(jie)質為高溫液態熔(rong)鹽，溫度(du)通常在(zai)300～700℃，565℃時熔(rong)鹽在(zai)泵(beng)內(nei)具有良(liang)好的(de)流(liu)動性，其介(jie)質屬性如(ru)表1所示。

表1　熔鹽屬性

1.2 網格劃分與邊界條件設置

對(dui)流(liu)(liu)體域進(jin)(jin)行(xing)非(fei)結構化網格(ge)劃(hua)分，對(dui)局部(bu)區(qu)域進(jin)(jin)行(xing)加密處理。流(liu)(liu)體域模型(xing)(xing)非(fei)結構化網格(ge)如圖2所示。采用CFX進(jin)(jin)行(xing)定常數值計(ji)(ji)算(suan)，湍流(liu)(liu)模型(xing)(xing)選SSTK?ω湍流(liu)(liu)模型(xing)(xing)，進(jin)(jin)口邊界條件為(wei)MassFloeRate，出(chu)口邊界條件設置為(wei)靜壓出(chu)口，采用無(wu)滑(hua)移(yi)光滑(hua)壁面。為(wei)節約計(ji)(ji)算(suan)成本(ben)并使計(ji)(ji)算(suan)盡快收斂(lian)，以揚(yang)程(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)目標，劃(hua)分5種方(fang)案的網格(ge)進(jin)(jin)行(xing)網格(ge)無(wu)關性驗證。通過表２可(ke)以看出(chu)，網格(ge)數達(da)到536萬時揚(yang)程(cheng)(cheng)(cheng)基(ji)本(ben)保持穩(wen)定，此時網格(ge)精度在0.33以上，計(ji)(ji)算(suan)揚(yang)程(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)45.32ｍ，比設計(ji)(ji)揚(yang)程(cheng)(cheng)(cheng)高出(chu)8%左(zuo)右，認為(wei)流(liu)(liu)場計(ji)(ji)算(suan)的結果具有可(ke)靠性，最終取網格(ge)數為(wei)536萬進(jin)(jin)行(xing)后續計(ji)(ji)算(suan)。

圖(tu)2　流體域網格劃分

表2　網格相關性驗證

2

轉子有限元模型

2.1 轉子模型建立與網格劃分

對轉(zhuan)(zhuan)子(zi)部件建模，熔鹽泵軸系(xi)長(chang)度(du)為18ｍ，液下深度(du)為16ｍ，轉(zhuan)(zhuan)子(zi)初段(duan)軸長(chang)2000ｍｍ。為提高劃(hua)(hua)分網(wang)(wang)格(ge)的精度(du)、節約數值計算成(cheng)本，將轉(zhuan)(zhuan)子(zi)部件上鍵槽、鍵、聯(lian)軸器、軸承處(chu)等結(jie)構(gou)做(zuo)簡(jian)化處(chu)理。利用ANSYS?Workbench中(zhong)Mesh對轉(zhuan)(zhuan)子(zi)部件進行網(wang)(wang)格(ge)劃(hua)(hua)分，因轉(zhuan)(zhuan)子(zi)系(xi)統(tong)結(jie)構(gou)較為復雜(za)，本次網(wang)(wang)格(ge)劃(hua)(hua)分為四面體非結(jie)構(gou)化網(wang)(wang)格(ge)。葉輪及泵軸段(duan)材料選用347H［１２］，轉(zhuan)(zhuan)子(zi)系(xi)統(tong)初段(duan)模型建立(li)如圖3所示。

圖3　轉子初段模型

為探(tan)究不(bu)同(tong)軸(zhou)段(duan)長(chang)(chang)(chang)度對(dui)熔鹽泵轉(zhuan)(zhuan)子運行的影響，考慮實際加工與安(an)裝時的效率以及降(jiang)低未來維(wei)護與更換(huan)的成本，設置(zhi)不(bu)同(tong)軸(zhou)段(duan)長(chang)(chang)(chang)度模型，分(fen)別命名為A６、A７、A８、A９，代表轉(zhuan)(zhuan)子中間(jian)軸(zhou)段(duan)數(shu)量分(fen)別為6、7、8、9，4種轉(zhuan)(zhuan)子模型軸(zhou)的初(chu)段(duan)長(chang)(chang)(chang)度為2000ｍｍ，同(tong)一(yi)轉(zhuan)(zhuan)子單段(duan)軸(zhou)長(chang)(chang)(chang)相同(tong)，A6、A7、A8、A9轉(zhuan)(zhuan)子中間(jian)軸(zhou)段(duan)的長(chang)(chang)(chang)度分(fen)別為3200、2666、2285、2000ｍｍ。

2.2 轉子部件邊界條件設置

對轉(zhuan)子(zi)進行(xing)動(dong)(dong)力學仿真時，要給轉(zhuan)子(zi)添(tian)(tian)加合適的邊界條件來(lai)控制(zhi)其(qi)(qi)運動(dong)(dong)與受力，約束添(tian)(tian)加如(ru)圖４所示。沒有添(tian)(tian)加預應力時：在軸(zhou)承所在位置添(tian)(tian)加軸(zhou)承約束防止泵(beng)軸(zhou)發(fa)生(sheng)運動(dong)(dong)偏移，軸(zhou)承考慮其(qi)(qi)徑向與軸(zhou)向剛(gang)度(du)Ｋ11＝Ｋ22＝4.0×106N/ｍｍ，阻(zu)尼C11＝Ｃ22＝4×102Ｎ·ｓ/ｍｍ，忽略其(qi)(qi)交叉剛(gang)度(du)，其(qi)(qi)他選項默認。

在(zai)(zai)軸套與(yu)葉輪葉環位(wei)置處添(tian)加(jia)圓(yuan)柱(zhu)面(mian)約(yue)(yue)束限制(zhi)轉(zhuan)子徑(jing)向(xiang)運動(dong)(dong)；在(zai)(zai)軸端添(tian)加(jia)固(gu)定(ding)約(yue)(yue)束以限制(zhi)其(qi)軸向(xiang)運動(dong)(dong)。添(tian)加(jia)預(yu)應力(li)時，在(zai)(zai)無預(yu)應力(li)約(yue)(yue)束的(de)(de)基(ji)礎(chu)上，通(tong)過重力(li)加(jia)速度(du)的(de)(de)大(da)小以及(ji)方(fang)向(xiang)添(tian)加(jia)重力(li)載(zai)(zai)(zai)(zai)荷；通(tong)過旋轉(zhuan)速度(du)大(da)小和方(fang)向(xiang)添(tian)加(jia)離心力(li)載(zai)(zai)(zai)(zai)荷；采用(yong)單向(xiang)流(liu)固(gu)耦合的(de)(de)方(fang)法將(jiang)CFX計算得到的(de)(de)流(liu)場(chang)壓力(li)導入(ru)到流(liu)固(gu)耦合面(mian)來(lai)添(tian)加(jia)流(liu)場(chang)力(li)載(zai)(zai)(zai)(zai)荷，此時只考慮(lv)流(liu)場(chang)對轉(zhuan)子部件的(de)(de)影響，不(bu)考慮(lv)固(gu)體變形對流(liu)場(chang)的(de)(de)擾動(dong)(dong)；熱載(zai)(zai)(zai)(zai)荷添(tian)加(jia)時，在(zai)(zai)穩態(tai)熱模塊設置環境(jing)溫度(du)與(yu)熔鹽泵轉(zhuan)子初始(shi)的(de)(de)溫度(du)均為22℃，對流(liu)換熱系數設置為1×10－3Ｗ/（ｍｍ·℃），提取溫度(du)場(chang)數據(ju)添(tian)加(jia)到轉(zhuan)子結構(gou)中。

圖4　轉子約束設置

3 

計算結果分析

3.1 應力應變分析與強度校核

選(xuan)擇565℃熔(rong)鹽介質在1.0Ｑ工況下(xia)施(shi)加溫(wen)度、流場以及質量力(li)載荷(he)，對高溫(wen)熔(rong)鹽泵首級(ji)與次級(ji)葉輪應(ying)力(li)與應(ying)變(bian)進(jin)行分析，其應(ying)力(li)與應(ying)變(bian)分布情況如圖(tu)5、圖(tu)6所(suo)示，圖(tu)7為沒有添加溫(wen)度載荷(he)時首級(ji)、次級(ji)葉輪應(ying)變(bian)分布。

通(tong)過圖(tu)(tu)5、圖(tu)(tu)6可以分析得(de)到在設計工(gong)況、介質為565℃熔鹽時首(shou)級(ji)、次級(ji)葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)上(shang)(shang)面的應(ying)力(li)應(ying)變(bian)(bian)(bian)呈現與(yu)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)相(xiang)同的中心對稱分布，表(biao)明(ming)靠近葉(xie)(xie)(xie)片(pian)流(liu)域的流(liu)體速度小，而靜壓(ya)(ya)較(jiao)高，流(liu)道(dao)內部流(liu)域的流(liu)體速度大(da)(da)(da)相(xiang)應(ying)靜壓(ya)(ya)小。最(zui)(zui)大(da)(da)(da)等效應(ying)力(li)為97.985MPa，出現在首(shou)級(ji)葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)進(jin)口段與(yu)葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)前蓋(gai)板(ban)(ban)(ban)交界(jie)處，首(shou)級(ji)葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)前蓋(gai)板(ban)(ban)(ban)上(shang)(shang)的等效應(ying)力(li)大(da)(da)(da)于后蓋(gai)板(ban)(ban)(ban)，前蓋(gai)板(ban)(ban)(ban)與(yu)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)進(jin)口交界(jie)處容(rong)易出現應(ying)力(li)集中現象，最(zui)(zui)大(da)(da)(da)變(bian)(bian)(bian)形位(wei)于首(shou)級(ji)葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)前蓋(gai)板(ban)(ban)(ban)外緣處，最(zui)(zui)大(da)(da)(da)變(bian)(bian)(bian)形量(liang)為1.66ｍｍ。分析圖(tu)(tu)5～圖(tu)(tu)7可知(zhi)，沒有添加溫(wen)(wen)度載荷時葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)形變(bian)(bian)(bian)量(liang)為0.0235mm，添加溫(wen)(wen)度載荷后最(zui)(zui)大(da)(da)(da)變(bian)(bian)(bian)形量(liang)為1.66ｍｍ，說明(ming)溫(wen)(wen)度載荷導(dao)致葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)產生較(jiao)大(da)(da)(da)變(bian)(bian)(bian)形，對葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)變(bian)(bian)(bian)形量(liang)影響最(zui)(zui)大(da)(da)(da)。

圖5　首級（上）、次級（下）葉(xie)輪等效應力(li)分布

圖6　首級(ji)（上）、次(ci)級(ji)（下）葉輪變形分(fen)布(bu)

圖7　首(shou)級(ji)（上）、次(ci)級(ji)（下）葉輪(lun)在流場(chang)載荷與質量力載荷作(zuo)用下應變(bian)分布(bu)

在設計工況(kuang)(kuang)的(de)基礎(chu)上，設置0.6Ｑ、0.8Ｑ、1.0Ｑ、1.2Ｑ、1.4Ｑ總共5組(zu)流量(liang)工況(kuang)(kuang)對熔鹽泵首級、次級葉輪(lun)應力變形(xing)情況(kuang)(kuang)進行分析，最(zui)大等效應力如表3所示。

表3　首級、次級葉輪最大等效應力

由表3可知，隨著流量的增大，首、次級葉輪的最大等效應力隨之減小，在0.6Ｑ工況時首級葉輪等效應力最大，最大值為115.12MPa，而葉輪材料347Ｈ在565℃的屈服強度為σｓ＝208MPa，工程中安全系數一般在1.5或者更大，取安全系數n=1.6，得到許用應力為130MPa。根據σ≤［σｓ］，熔鹽泵(beng)各級葉輪最大(da)等效應力均未(wei)超出材料的(de)許用(yong)應力，認為該(gai)熔鹽泵(beng)的(de)轉子結構(gou)材料選擇符合(he)安全標準(zhun)。

3.2 不同載荷下熔鹽泵運行模態分析

１）轉子“干”與“濕”模態分析(xi)

干模(mo)(mo)態(tai)(tai)分析(xi)(xi)是轉(zhuan)子(zi)(zi)在沒(mei)有(you)其他運行環境(jing)干擾情(qing)況(kuang)下的(de)模(mo)(mo)態(tai)(tai)分析(xi)(xi)，分析(xi)(xi)干模(mo)(mo)態(tai)(tai)就(jiu)是求解轉(zhuan)子(zi)(zi)系統的(de)固(gu)有(you)頻率和相應振型(xing)(xing)。以A9轉(zhuan)子(zi)(zi)模(mo)(mo)型(xing)(xing)為對象，提(ti)取轉(zhuan)子(zi)(zi)系統前20階(jie)模(mo)(mo)態(tai)(tai)分析(xi)(xi)。轉(zhuan)子(zi)(zi)前6階(jie)模(mo)(mo)態(tai)(tai)振型(xing)(xing)如圖8所(suo)(suo)示，前12階(jie)固(gu)有(you)頻率如表4所(suo)(suo)示。

圖8　A9轉(zhuan)子前6階干模態(tai)振型

表4　A9轉子前12階固有頻率

分析A9轉子前12階(jie)(jie)模態(tai)的(de)固(gu)有頻(pin)(pin)率可知，不(bu)考慮添(tian)加預應力，固(gu)有頻(pin)(pin)率隨著階(jie)(jie)次(ci)的(de)升高逐漸變(bian)大，而且前12階(jie)(jie)模態(tai)中每相鄰(lin)(lin)兩階(jie)(jie)的(de)固(gu)有頻(pin)(pin)率相近(jin)。分析圖8可知，6階(jie)(jie)轉子模態(tai)振(zhen)(zhen)型(xing)均(jun)發生(sheng)在轉子軸(zhou)上，相鄰(lin)(lin)兩階(jie)(jie)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)幅(fu)值(zhi)相近(jin)。前6階(jie)(jie)振(zhen)(zhen)型(xing)均(jun)是與(yu)Y?Z平面垂直(zhi)擺動(dong)(dong)的(de)彎曲振(zhen)(zhen)型(xing)，1、3、5階(jie)(jie)振(zhen)(zhen)型(xing)位于同一振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)方向，2、4、6位于同一振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)方向，且奇數(shu)階(jie)(jie)次(ci)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)方向與(yu)偶(ou)數(shu)階(jie)(jie)次(ci)相互(hu)垂直(zhi)，階(jie)(jie)數(shu)越高可能發生(sheng)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)的(de)位置越多。

如圖9是A6、A7、A8、A9四(si)種模(mo)型(xing)轉(zhuan)子(zi)的(de)(de)前20階干模(mo)態(tai)固(gu)(gu)有(you)(you)頻(pin)率變化(hua)，f表示轉(zhuan)子(zi)固(gu)(gu)有(you)(you)頻(pin)率。同一階次下(xia)固(gu)(gu)有(you)(you)頻(pin)率變化(hua)的(de)(de)基(ji)本(ben)趨(qu)勢為(wei)A9＞A8＞A7＞A6，這表明(ming)軸段(duan)長度與段(duan)數對轉(zhuan)子(zi)固(gu)(gu)有(you)(you)頻(pin)率的(de)(de)影響較大，在保持軸總長不變的(de)(de)前提下(xia)，中間軸段(duan)個數越(yue)(yue)多(duo)、軸段(duan)長度越(yue)(yue)短，該轉(zhuan)子(zi)模(mo)型(xing)的(de)(de)固(gu)(gu)有(you)(you)頻(pin)率越(yue)(yue)高(gao)。

圖(tu)9　不(bu)同轉子前20階固有(you)頻(pin)率

濕模態(tai)分析時(shi)需要考(kao)(kao)慮轉(zhuan)子(zi)系統自(zi)身質量慣性(xing)效(xiao)應以及旋(xuan)轉(zhuan)，還須同時(shi)考(kao)(kao)慮其(qi)所受外部載荷。在轉(zhuan)子(zi)動力學(xue)控(kong)制中開啟科里(li)奧利(li)效(xiao)應，在求解(jie)時(shi)需打開阻尼(ni)開關。

從(cong)圖10可(ke)以看出在添加預(yu)應力(li)后(hou)，轉(zhuan)子(zi)濕(shi)模態(tai)(tai)下(xia)(xia)固(gu)有(you)(you)頻率(lv)(lv)相(xiang)較于干(gan)模態(tai)(tai)下(xia)(xia)固(gu)有(you)(you)頻率(lv)(lv)略有(you)(you)下(xia)(xia)降(jiang)，下(xia)(xia)降(jiang)范(fan)圍(wei)在10.44%～13.26%，說明預(yu)應力(li)改變(bian)了轉(zhuan)子(zi)原有(you)(you)的(de)結(jie)構(gou)剛度(du)，使得其在動(dong)態(tai)(tai)載(zai)荷(he)的(de)作用下(xia)(xia)抵(di)抗能力(li)變(bian)低，固(gu)有(you)(you)頻率(lv)(lv)也(ye)隨之降(jiang)低。從(cong)圖11可(ke)以分析得到，轉(zhuan)子(zi)的(de)前6階(jie)濕(shi)模態(tai)(tai)振型(xing)(xing)的(de)振動(dong)方(fang)向一(yi)(yi)致，均在與(yu)Y?Z平面(mian)垂直的(de)平面(mian)內彎曲擺動(dong)，1、3、5階(jie)次振動(dong)方(fang)向完(wan)全一(yi)(yi)致，只是(shi)發生振動(dong)的(de)位置數量不(bu)同，2階(jie)與(yu)4、6階(jie)模態(tai)(tai)振動(dong)平面(mian)不(bu)同，振動(dong)類型(xing)(xing)一(yi)(yi)致。

圖10   A9轉子前(qian)20階干模態(tai)與(yu)濕模態(tai)固有頻(pin)率

圖11　A9轉子前6階濕(shi)模(mo)態振型

2）轉(zhuan)子臨(lin)界轉(zhuan)速分析

當轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)所受外部載荷的(de)頻(pin)率(lv)(lv)與轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)自身結(jie)構(gou)頻(pin)率(lv)(lv)一(yi)致或(huo)者接近時(shi)(shi)，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)達到(dao)或(huo)者接近其臨(lin)界(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)時(shi)(shi)，會導致轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)共(gong)振(zhen)，通過分析轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)系統(tong)的(de)臨(lin)界(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)可以避免(mian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)運行轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)接近或(huo)者達到(dao)臨(lin)界(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)，從(cong)而避免(mian)共(gong)振(zhen)。Campbell圖可以幫助確定轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)臨(lin)界(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)，繪制Campbell需要求出多個自轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)頻(pin)率(lv)(lv)對(dui)應的(de)進動頻(pin)率(lv)(lv)，設置(zhi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)分別為0、700、1470、3000、6000、12000r/min。限于篇幅，A6～A9轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)的(de)前(qian)6階(jie)模態臨(lin)界(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)如表(biao)(biao)(biao)5～表(biao)(biao)(biao)8所示，FW表(biao)(biao)(biao)示正向(xiang)渦動，BW代表(biao)(biao)(biao)反向(xiang)渦動。

分析(xi)表5～表8可知，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)臨(lin)界(jie)(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)隨著階(jie)(jie)次增加逐漸越(yue)大(da)，4種(zhong)(zhong)模(mo)型(xing)(xing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)前(qian)6階(jie)(jie)臨(lin)界(jie)(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)的渦動方向(xiang)呈現(xian)正反交(jiao)替，兩(liang)種(zhong)(zhong)渦動狀態(tai)可能會導致轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)軸上某一(yi)(yi)方向(xiang)交(jiao)替受拉(la)或(huo)受壓，從而使轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)上的高點位(wei)置(zhi)周期(qi)性地順(shun)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)或(huo)逆(ni)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)移動。４種(zhong)(zhong)模(mo)型(xing)(xing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的一(yi)(yi)階(jie)(jie)臨(lin)界(jie)(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)均出現(xian)在第二(er)階(jie)(jie)模(mo)態(tai)，二(er)階(jie)(jie)臨(lin)界(jie)(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)出現(xian)在第四(si)階(jie)(jie)模(mo)態(tai)。A6～A9模(mo)型(xing)(xing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的一(yi)(yi)階(jie)(jie)臨(lin)界(jie)(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)為916.74、1223.5、1576.9、1976.8r/min；第二(er)階(jie)(jie)臨(lin)界(jie)(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)分別(bie)為1104.3、1420.3、1781、2185.9r/min。為了確(que)保轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)在工作轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)范圍內不致發生共振，通常(chang)會設置(zhi)至少(shao)±10%的安(an)全裕(yu)(yu)度，使工作轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)適當偏離臨(lin)界(jie)(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)。熔鹽泵轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的工作轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)為1470r/min，即安(an)全裕(yu)(yu)度為1323～1617r/min，分析(xi)發現(xian)只有(you)A9轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的一(yi)(yi)階(jie)(jie)臨(lin)界(jie)(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)197608r/min符合(he)安(an)全裕(yu)(yu)度，說(shuo)明聯軸器(qi)與(yu)軸承的約束對于轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)結(jie)構的剛度影(ying)響較(jiao)大(da)，臨(lin)界(jie)(jie)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)(su)隨著轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)剛度的減(jian)小(xiao)而降低(di)。圖12為A9轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的Campbell圖。

圖12　A9轉子Campbell圖

4

結論

（1）在流場(chang)(chang)載(zai)荷(he)(he)、熱應力載(zai)荷(he)(he)、質量(liang)力載(zai)荷(he)(he)的共同作用下(xia)，熔鹽泵轉子的變(bian)形主要集(ji)中(zhong)(zhong)在首(shou)(shou)級(ji)(ji)葉(xie)輪，質量(liang)力載(zai)荷(he)(he)與流場(chang)(chang)載(zai)荷(he)(he)下(xia)首(shou)(shou)級(ji)(ji)葉(xie)輪的應力變(bian)形大致呈(cheng)現中(zhong)(zhong)心對稱分(fen)布，溫(wen)度是導致首(shou)(shou)級(ji)(ji)葉(xie)輪發生形變(bian)的首(shou)(shou)要因素(su)；

（2）隨著流量的(de)增(zeng)加，熔鹽泵首級葉輪的(de)等效(xiao)應力(li)逐漸減小，最大等效(xiao)應力(li)為115.12MPa，經過校核沒有超過材料(liao)的(de)屈服應力(li)，滿足安全運行的(de)條件(jian)；

（3）濕模(mo)(mo)態轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)的固(gu)有(you)(you)頻(pin)率相對(dui)于(yu)干模(mo)(mo)態略有(you)(you)下(xia)降，轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)相鄰兩階固(gu)有(you)(you)頻(pin)率相近，軸(zhou)(zhou)段(duan)(duan)長(chang)(chang)(chang)度與數目(mu)對(dui)轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)固(gu)有(you)(you)頻(pin)率與臨界(jie)轉(zhuan)速影(ying)響較大，中間軸(zhou)(zhou)段(duan)(duan)長(chang)(chang)(chang)度越長(chang)(chang)(chang)、軸(zhou)(zhou)段(duan)(duan)數目(mu)越少，轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)固(gu)有(you)(you)頻(pin)率越小，轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)剛度減小，臨界(jie)轉(zhuan)速下(xia)降，4種模(mo)(mo)型轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)只有(you)(you)A9轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)滿足安全(quan)裕(yu)度，不易發生共振。