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现代机械2012年第6期
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200093）
摘要：应用ANSYS有限元软件对透平膨胀机的核心部件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、圈有频率和失稳转速。并对不同轴承率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腺：C,=0.02mm。关键词：透率膨账机·气体轴承·模态分析、谐响应分析
最佳轴承间隙
中图分类号：TH133.35
文献标识码：A
文章编号：10026886(2012)06002604
Numerical Simulation of the Turboexpander Gas Bearing
GAO Xianghu, YU Xiaoming, LI Qiang
Abstract : Air joumal bearing is the core component in the turboexpander, Using the ANSYS finite element sofiware to accomplish its modal analysis and harmonic response analysis, 1 got the mode shape, stress distribution, the natural frequency and the frequency displacenent plot of the rotor. At the end, I used the ANSYS software to do the rotor dynamics analysis of air joumal bearing which had different bearing radius clearance under different supply pressure, and then we got different stability threshold speed of the rotor. Final-ly , we come to the best bearing radius clearance value of the double-row radial static pressure air jourmal bearing is 0. 02 mm.
Key words:turboexpander; air jourmal bearing; modal analysis; harmonie response analysis; best bearing clearance
0引言
气体轴承透平膨胀机具有结构简单，使用温度范围广，能长期稳定运转等优点，因此广泛应用于气体液化设备中。气体轴承是透平膨胀机的关键部件，气体轴承要靠定压力的清洁气体在轴承与轴颈之间形成气膜，使主轴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、供气小孔直径、供气排数、每排供气孔数、供气孔位置等结构参数之间的内在联系和变化规律，进行改进设计!I-3。本文将ANSYS数值模拟[4I和试验研究相结合，重点探讨轴承半径间隙对转子失稳转速的影响并得到
气体轴承的最佳半径间隙。 1气体轴承数值模拟
1.1气体轴承建模与网格划分
图1所示为本文所设计的透平膨胀气体轴承，其主要结构包括转子及轴承两大部分，轴承部分又包括径向轴承和止推轴承。
为了保证在一定的计算精度下达到适当的计算收敛速度，对气体轴承简化如下：
1)由于对整个转子动力学分析的影响很小，忽略转
轴上的销和键等部件。
证推点
转子
稳间
正推
图1透平断账气体轴承结构
2）对于径向轴承，采用ANSYS软件中的COMBIN14
弹资单元来代替径间轴承。它不能考虑弯曲和扭转，每个节点具有3个自由度，没有质量，要求输人轴承的刚度和阻尼两个参数，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束，而且对转子动力学的分析影响不大，将其简化为一个轴向约束。
通过上述对气体轴承的简化处理后得到的透平膨胀机气体轴承一转子系统的模型如图2所示。
转轴的材料采用的是不锈钢SUS304L，参数如表1所示。