某風機焊接轉子動特性分析

于 寧 李 巖 丁繼偉

（哈電發電設備工程研究中心有限公司，黑龍江 哈爾濱150046）

隨著風機對功率的要求提高，風機轉子直徑越來越大，我廠原有機型的輪轂式轉子已經難以適應新風機發展的要求，剛度高的焊接轉子就成為迫切的需要。焊接轉子具有空腔結構，相對質量輕，相比其他結構形式，具有選材靈活，殘余應力小等優點[1-3]。目前，求解轉子動力學問題較為常見的方法主要有兩種：傳遞矩陣法和有限元法[4]文采用采用有限元軟件Ansys 中的Rotordynamics 模塊進行動特性分析是一個可行的方法。本課題嘗試自行設計輪盤型式，從輪盤靜強度到焊接轉子振動特性都做了詳細計算和分析。

1 焊接轉子輪盤的優化設計

通流部分按照某成熟機組模化而來，在葉片和通流部分確定的情況下設計輪盤，確定輪盤之間的焊接方式，并使用有限元軟件進行應力計算，計算結果如圖1 所示。

圖1 轉子的等效應力場

可以看到這種優化的輪盤模型整個輪面上應力比較均勻，輪盤中心部位也沒有出現過大的應力。而且極大地減小了軸頸位置的應力水平?？梢宰鳛楹附愚D子的輪盤。最后通過多種加載方式的核對，確定這種輪盤截面形式的可靠性。

2 不考慮焊縫影響時的動特性計算

實際轉子中，焊縫是有一定寬度的，焊縫處的材料強度要稍弱于原材料的強度。計算選用輪盤材料是焊接性能較好，一般焊接后接頭處材料強度是原材料的0.8～0.9.。初步計算中認為接頭處強度和輪盤材料強度相同，之后修改焊縫處的材料特性，比對焊縫對整個轉子動特性的影響。

在ansys 計算中，選擇solid 185 三維單元，該單元是專門開發用于轉子動力學計算的。軸承用comb 214 單元。約束情況：彈簧支點三向固定，前軸承處軸心點Y 向約束。

對于轉子各級葉片的處理，采用了等效方法，在各級輪盤外緣，又增加了一圈和整圈葉片質量相同的材料，這樣能夠模擬出葉片對轉子振動產生的附加質量效果。經過計算，轉子的前四階臨界轉速如表1 所示。

表1 轉子的臨界轉速結果

焊接轉子的工作轉速是4250，以上轉速與工作轉速的避開率遠遠超過15%。

轉子的前四階振動模態如圖2 所示。

圖2 不考慮焊縫時轉子的1-4 階模態

從圖2 中可以看出，轉子的第1 階模態為水平橫振；第2 階模態為垂直橫振；第3 階模態為水平衡振；第4 階模態為推力盤伸出段水平橫振。

3 考慮焊縫影響時的動特性計算

實際情況中，焊縫位置的材料的剛度將下降，一般下降范圍是12%～40%，本次計算中，認為焊縫剛度下降為原材料的80%。根據我公司焊接工藝技術，確定焊縫的徑向長度是45mm，軸向厚度為15mm，增加焊縫后，轉子的有限元模型如圖3 所示。

圖3 增加焊縫后的轉子模型

在Ansys 中設計焊縫的方法是將焊縫處的材料屬性做了修改。將楊氏模量修改為原材料的80%。經過計算，考慮焊縫的轉子前四階臨界轉速如表2 所示。

表2 焊縫材料彈性模量降低20%轉子的臨界轉速結果

對比表1 和表2 可以發現，考慮焊縫和不考慮焊縫，臨界轉速差別很小。原因是：焊縫厚度相比較整個轉子尺寸非常小，影響較??；同時彈性模量降低20%剛度下降也不大。

對比將焊縫彈性模量分別降低到原材料的60%和0.6%。結果60%時頻率降低1-2Hz。當焊縫的彈性模量降低到原材料0.6%時相應模態頻率發生較大變化，如表3 所示。

表3 焊縫材料彈性模量為轉子的0.6%轉子的模態及頻率結果模態

從表3 中可以看出，當焊縫的彈性模量降低到原材料0.6%時，轉子整體的振動模態完全發生了變化，頻率也降低到無焊縫時的50%，但此時焊縫已經相當于柔性材料了。可見，只有當焊縫材料剛度下降很多時，焊縫對整個轉子的影響才會顯得非常大。

4 結論

由以上分析計算，可以得到以下結論：

（1）用Ansys 軟件自行設計優化了全新的輪盤，該輪盤應力分布均勻，質量較輕。將優化得到的輪盤做了模化，得到了各級輪盤，設計了全新的焊接轉子形式。新焊接轉子質量較輕，靜力學性能非常優越?？梢姾附愚D子非常適合做大直徑轉子的。

（2）由于焊接轉子結構復雜，常用的傳遞矩陣法很難準確表述計算其動特性。Ansys 軟件的Rotordynamics 模塊能進行三維轉子的模擬計算，其中的彈簧單元能準確模擬實際軸承的支撐效果。用Rotordynamics 模塊得到了三維焊接轉子的各階模態和臨界轉速，為設計投產提供了有效的參考。

（3）當考慮焊縫影響時，由于焊縫相比整個轉子尺寸極小，當焊縫材料的楊氏模量下降為原材料80%、60%時，臨界轉速只下降1-2Hz，模態沒有變化。只有當楊氏模量下降到千分之一數量級時，才對轉子的模態和臨界轉速有明顯影響。