基于有限元的射水抽气器动特性分析

谢晋民，蒋宏春

（1．深能合和电力 （河源）有限公司，广东 河源 517025；2．华北电力大学 机械工程系，河北 保定 071003）

0 引言

射水抽气器是一种用水射流来抽吸气体的装置，广泛应用于较大的汽轮机中，其将漏入凝汽器的空气不断地抽出，以维持凝汽器中的正常真空。

文献［1］通过对射水抽气器最大抽吸气量的计算发现喉管内液气两相混合的位置和流动状态是影响最大吸气流量的重要因素；文献［2，3］探讨了长喉管射水抽气器的结构设计方法；文献［4，5］则分别分析了喉管长度、喉管数量、喷嘴位置等因素对抽气器工作效率的影响；文献［6］分析研究了射水抽气器发生蚀损的机理，并提供了一些防止蚀损的经验和技术措施；文献［7］针对国产大型机组抽气器的振动问题，提出了一种在凝汽器与抽气器之间的抽气管路加装冷却器来实现将水蒸汽从气－汽混合物中凝结并疏出的方法。

以上文献为射水抽气器的设计、制造及改进提供了厚实的基础，但这些文献都没有考虑抽气器的模态、振型等动特性，作为补充，本文将采用有限元方法分析射水抽气器的各阶固有频率与振型。

1 射水抽气器模型的建立与处理

本文的建模对象为某电厂300MW机组汽轮机所用的长喉管射水抽气器。采用通用CAD软件Solid Edge V20进行建立。先分别建立工作喷嘴、混合室、喉管等组成构件，最后进行整体装配，得到的射水抽气器三维模型如图1所示。

模型导入后，在进行动特性分析前需要对模型进行如下前处理：①由于抽气器是通过将若干个体模型进行装配得到的整体，故应先对所有的体进行布尔加操作，形成一个总的体模型；②选取Solid 186单元，该单元为含有20个节点的砖形单元，定义材料的弹性模型为2．1×1011Pa，泊松比为0．3，密度为7 800kg／m3；③采用智能剖分，剖分精度为8。最终剖分得到的抽气器有限元模型如图2所示。

图1 射水抽气器三维模型

图2 射水抽气器有限元模型

2 动特性分析

2．1 约束施加

射水抽气器采用螺栓通过固定板上的安装孔进行固定。本文计算时对于射水抽气器固定等效处理方法为：选中对应固定部位的螺栓安装孔所在面（select entities＞area，by num／pick），然后选中安装孔上的所有节点（select entities＞nodes，attached to，area），最后约束沿X方向、Y方向、Z方向平动以及绕X轴、Y轴及Z 轴转动的6个自由度（solution＞load＞apply＞structure＞displacements＞nodes，pick all）。

计算时选取分析类型为“model”，设置模态阶数为6阶，分析频率范围为1×10－10Hz～1×1015Hz。采用有限元软件中的“Block Lanczos”法对射水抽气器进行模态分析。

2．2 抽气器模态与振型

计算所得的射水抽气器前6阶固有频率见表1，其各阶振型如图3所示。由表1可以看出，射水抽气器前6阶固有频率均较低，最高不超过1Hz，而抽气器在工作过程中的振动频率一般都会远远高于1Hz。这有利于射水抽气器在工作时避免共振，使得其振动控制在一个较小的范围之内。

表1 射水抽气器的前6阶固有频率 Hz

为了更加方便地观察射水抽气器位于各阶固有频率时的变形情况，截取抽气器前6阶的形变向量图，如图4所示。

图3 射水抽气器前6阶振型图

图4 射水抽气器前6阶形变向量图

结合图3与图4可观察得到射水抽气器前6阶振型的变形情况：1阶振型为沿X轴方向的旋转变形；2阶振型为沿X方向的平移变形；3阶振型为沿Z轴方向的旋转变形；4阶振型为沿X轴方向平移变形和沿X轴方向旋转变形的综合；5阶振型为沿Y轴旋转变形、沿Z轴旋转变形和沿X轴平移变形的综合；6阶振型为沿X方向平移变形、沿Z方向平移变形以及沿X方向旋转变形的综合。

3 结论

本文分析了某电厂抽气器的前6阶固有频率及振型，得到主要结论如下：

（1）射水抽气器的前6阶固有频率较低，均在1 Hz以下，远低于水泵等激振源的激振频率，这有利于抽气器在工作时将振动维持在一个较小的范围内。

（2）射水抽气器前6阶振型的变形方向各不相同，随着阶数的增大，其振型变形情况愈加复杂。

［1］ 向清江，何培杰，陆宏圻．射水抽气器最大吸气流量［J］．农业机械学报，2006（3）：145－148．

［2］ 徐奇焕．长喉部射水抽气器的结构特点及计算方法［J］．水利电力机械，1985（6）：28－33．

［3］ 郑善才．长喉管射水抽气器的试验研究和设计计算［J］．华中电力，1991（1）：7－11．

［4］ 肖汉才．射水抽气器改进的方法［J］．热能动力工程，1995（3）：135－139．

［5］ 黄金林，马传魁．提高国产200MW机组射水抽气器效率的研究［J］．工业技术经济，1997（3）：114－115．

［6］ 干昌琦，田鹤年．射水抽气器蚀损机理及防护措施［J］．华东电力，2000（10）：52－54．

［7］ 周兰欣，林湖，卢允谦，等．射水抽气器振动的研究与实践［J］．汽轮机技术，2004（4）：292－294．