基于有限元的射水抽氣器動(dòng)特性分析

謝晉民，蔣宏春

（1．深能合和電力 （河源）有限公司，廣東 河源 517025；2．華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系，河北 保定 071003）

0 引言

射水抽氣器是一種用水射流來抽吸氣體的裝置，廣泛應(yīng)用于較大的汽輪機(jī)中，其將漏入凝汽器的空氣不斷地抽出，以維持凝汽器中的正常真空。

文獻(xiàn)［1］通過對(duì)射水抽氣器最大抽吸氣量的計(jì)算發(fā)現(xiàn)喉管內(nèi)液氣兩相混合的位置和流動(dòng)狀態(tài)是影響最大吸氣流量的重要因素；文獻(xiàn)［2，3］探討了長喉管射水抽氣器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)［4，5］則分別分析了喉管長度、喉管數(shù)量、噴嘴位置等因素對(duì)抽氣器工作效率的影響；文獻(xiàn)［6］分析研究了射水抽氣器發(fā)生蝕損的機(jī)理，并提供了一些防止蝕損的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)措施；文獻(xiàn)［7］針對(duì)國產(chǎn)大型機(jī)組抽氣器的振動(dòng)問題，提出了一種在凝汽器與抽氣器之間的抽氣管路加裝冷卻器來實(shí)現(xiàn)將水蒸汽從氣－汽混合物中凝結(jié)并疏出的方法。

以上文獻(xiàn)為射水抽氣器的設(shè)計(jì)、制造及改進(jìn)提供了厚實(shí)的基礎(chǔ)，但這些文獻(xiàn)都沒有考慮抽氣器的模態(tài)、振型等動(dòng)特性，作為補(bǔ)充，本文將采用有限元方法分析射水抽氣器的各階固有頻率與振型。

1 射水抽氣器模型的建立與處理

本文的建模對(duì)象為某電廠300MW機(jī)組汽輪機(jī)所用的長喉管射水抽氣器。采用通用CAD軟件Solid Edge V20進(jìn)行建立。先分別建立工作噴嘴、混合室、喉管等組成構(gòu)件，最后進(jìn)行整體裝配，得到的射水抽氣器三維模型如圖1所示。

模型導(dǎo)入后，在進(jìn)行動(dòng)特性分析前需要對(duì)模型進(jìn)行如下前處理：①由于抽氣器是通過將若干個(gè)體模型進(jìn)行裝配得到的整體，故應(yīng)先對(duì)所有的體進(jìn)行布爾加操作，形成一個(gè)總的體模型；②選取Solid 186單元，該單元為含有20個(gè)節(jié)點(diǎn)的磚形單元，定義材料的彈性模型為2．1×1011Pa，泊松比為0．3，密度為7 800kg／m3；③采用智能剖分，剖分精度為8。最終剖分得到的抽氣器有限元模型如圖2所示。

圖1 射水抽氣器三維模型

圖2 射水抽氣器有限元模型

2 動(dòng)特性分析

2．1 約束施加

射水抽氣器采用螺栓通過固定板上的安裝孔進(jìn)行固定。本文計(jì)算時(shí)對(duì)于射水抽氣器固定等效處理方法為：選中對(duì)應(yīng)固定部位的螺栓安裝孔所在面（select entities＞area，by num／pick），然后選中安裝孔上的所有節(jié)點(diǎn)（select entities＞nodes，attached to，area），最后約束沿X方向、Y方向、Z方向平動(dòng)以及繞X軸、Y軸及Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的6個(gè)自由度（solution＞load＞apply＞structure＞displacements＞nodes，pick all）。

計(jì)算時(shí)選取分析類型為“model”，設(shè)置模態(tài)階數(shù)為6階，分析頻率范圍為1×10－10Hz～1×1015Hz。采用有限元軟件中的“Block Lanczos”法對(duì)射水抽氣器進(jìn)行模態(tài)分析。

2．2 抽氣器模態(tài)與振型

計(jì)算所得的射水抽氣器前6階固有頻率見表1，其各階振型如圖3所示。由表1可以看出，射水抽氣器前6階固有頻率均較低，最高不超過1Hz，而抽氣器在工作過程中的振動(dòng)頻率一般都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1Hz。這有利于射水抽氣器在工作時(shí)避免共振，使得其振動(dòng)控制在一個(gè)較小的范圍之內(nèi)。

表1 射水抽氣器的前6階固有頻率 Hz

為了更加方便地觀察射水抽氣器位于各階固有頻率時(shí)的變形情況，截取抽氣器前6階的形變向量圖，如圖4所示。

圖3 射水抽氣器前6階振型圖

圖4 射水抽氣器前6階形變向量圖

結(jié)合圖3與圖4可觀察得到射水抽氣器前6階振型的變形情況：1階振型為沿X軸方向的旋轉(zhuǎn)變形；2階振型為沿X方向的平移變形；3階振型為沿Z軸方向的旋轉(zhuǎn)變形；4階振型為沿X軸方向平移變形和沿X軸方向旋轉(zhuǎn)變形的綜合；5階振型為沿Y軸旋轉(zhuǎn)變形、沿Z軸旋轉(zhuǎn)變形和沿X軸平移變形的綜合；6階振型為沿X方向平移變形、沿Z方向平移變形以及沿X方向旋轉(zhuǎn)變形的綜合。

3 結(jié)論

本文分析了某電廠抽氣器的前6階固有頻率及振型，得到主要結(jié)論如下：

（1）射水抽氣器的前6階固有頻率較低，均在1 Hz以下，遠(yuǎn)低于水泵等激振源的激振頻率，這有利于抽氣器在工作時(shí)將振動(dòng)維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。

（2）射水抽氣器前6階振型的變形方向各不相同，隨著階數(shù)的增大，其振型變形情況愈加復(fù)雜。

［1］ 向清江，何培杰，陸宏圻．射水抽氣器最大吸氣流量［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006（3）：145－148．

［2］ 徐奇煥．長喉部射水抽氣器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及計(jì)算方法［J］．水利電力機(jī)械，1985（6）：28－33．

［3］ 鄭善才．長喉管射水抽氣器的試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)計(jì)算［J］．華中電力，1991（1）：7－11．

［4］ 肖漢才．射水抽氣器改進(jìn)的方法［J］．熱能動(dòng)力工程，1995（3）：135－139．

［5］ 黃金林，馬傳魁．提高國產(chǎn)200MW機(jī)組射水抽氣器效率的研究［J］．工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，1997（3）：114－115．

［6］ 干昌琦，田鶴年．射水抽氣器蝕損機(jī)理及防護(hù)措施［J］．華東電力，2000（10）：52－54．

［7］ 周蘭欣，林湖，盧允謙，等．射水抽氣器振動(dòng)的研究與實(shí)踐［J］．汽輪機(jī)技術(shù)，2004（4）：292－294．