透平膨胀机气体轴承的数值模拟.pdf

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1、·26·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2(X)093)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析，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，：O．02mm。关键词：透平膨胀机气体轴承模态分析谐响应分析最佳轴承间隙中图分类号：1'H133．35文献标识码：A文章编号：1002—688

2、6(2012)o6—0026—04NumericalSimulationoftheTurboexpanderGasBearingGAOXianghu．YUXiaoming．LIQiangAbstract：Airjourrlalbearingisthecorecolnponentinthelurboexpander．UsingtheANSYSfiniteelementsoftwaretoaccomplishitsmodalanalysisandharmonicresponseanalysis，Igotth

3、enlodeshape，stressdistribution，thenaturalfi'equencyandthefrequencydisplacementph)tottherotor．Attheend，1usedtheANSYSsoftwaretodotherIJt(Irdynamit‘Salmlysisofairjoumalbeatingwhichhadditterentbearingradiusclearaneeunderdiferentsupplypressure，andthenwegotdif

4、ferentstabilitythresholdspeedoftherotor．Final—ly，wecometothebestbearingradiusclearancevalueofthedou1)le—n)wradiaIstaticpressureail‘jollrnalbemingis0．02Ilfn．Keywords：turboexpander；airjollrtlalbeating；modalanalysis；harmonieresponseanalysis；bestbearingclear

5、anceO引言轴上的销和键等部件。气体轴承透平膨胀机具有结构简单，使用温度范围J，能长期稳定运转等优点，因此广泛应厢于气体液化设，、备中。气体轴承足透平膨胀机的关键部件，气体轴承要靠一——一一————／、一定压力的清洁气体在轴承与轴颈之间形成气膜，使主轴＼转子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d,FL直径、供气排数、每排供气孔数、供气孔值嚣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没计。本文将ANSYS数值模拟和试验研究相结2)对于径向轴承，采用AN

6、SYS软件中的COMBIN14合，重点探讨轴承半径问隙对转子失稳转速的影响并得到弹簧单元来代替径向轴承。它不能考虑弯曲和扭转，每个气体轴承的最佳半径问隙。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。3)由于止推轴承主要是对转轴的轴向运动进行约1．1气体轴承建模与网格划分束，而Ⅱ对转子动力学的分析影响不大，将其简化为一个图l所爪为本文所设计的透平膨胀气体轴承，其主要轴向约束。结卡勾包括转子及轴承两大部分，轴承部分又包括径向轴承通过上述

7、对气体轴承的简化处理后得到的透平膨胀和止推轴承。机气体轴承一转子系统的模型如图2所示。为了保住一定的计‘算精度下达到适当的计算收敛转轴的材料采用的是不锈钢SUS304I，参数如表1所速度，对气体轴承简化如下：，J】)m于对整个转子动力学分析的影响很小，忽略转·29-l2I15+0．5MPa模拟值l1{—0．5MPa试验值喾m+0．6MPa模拟值—-6—0．6MPa试验值l0样+07MPa模拟值嚣s—0—07MPa试验值9+08MPa模拟值一一0．8MPa试验值j85JlJfL图7数值模拟和试验结果对比图

8、FREQ图6频率一位移曲线图2)通过对气体轴承一转子系统应力分析，可以看出轴承支承部分和转轴中间部分应力较大，较容易产3气体轴承半径间隙对转子特性的影响与分析生疲劳破坏，在轴承一转子系统设计时需要注意加强该部位的刚度和阻尼。在气体轴承的设计中，气体轴承的半径间隙对转3)应用ANSYS有限元软件对多种供气压力下进子失稳转速的影响极大，通常存在一个最佳的轴承半行不同轴承半径间隙时的转子动力学分析，根据失稳径间隙，偏离这个最佳值时，转子的失稳转速