高温气冷堆磁悬浮转子动力学分析详解

清华大学核能与新能源技术研究院承担了国家十五和十一五重点项目“高温气冷堆氦气透平发电”的研究与攻关。该项目中最重要的一项关键技术是电磁悬浮轴承，它主要解决高温环境中转动部件的润滑和过临界问题。
转子结构设计和 转子动力学分析是整个电磁悬浮轴承系统设计的最重要环节，必须首先从结构上保证 转子在一定的转速范围内具有相当的可控性和稳定。因此需要对 转子进行带转速的模态分析、特征值分析、激励响应分析等，并根据分析的结果最终确定电磁轴承系统整体结构的布置方案以及控制系统的参数。
项目挑战：
准确的 转子动 力学分析对电磁悬浮轴承－ 转子系统设计是至关重要的一个环节，关系到整个系统设计的成败。而一直以来采用传递矩阵法进行计算的专用 转子动 力学分析软件无法进行精确建模，大多数通用有限元软件又不提供相关的计算模块，这些问题一直以来都没有得到很好的解决，对所进行的设计、计算的简化以及对仿真结果的分析更多凭借经验。
解决方案：
采用ANSYS提供的Beam4和Pipe16单元可进行一维的带转速的 转子动 力学分析，以及相应的激励相应分析。
图1模态分析
利用三维实体模型可进行精细结构部分在0转速下的模态分析，以及对一维计算中相应的模型简化进行校核，进行各模态下等效当量应力的计算。
图2模态分析
在ANSYS的最新版本中，还提供了绘制坎贝尔图形和稳定性判断的新功能。这些分析功能的综合应用，基本满足了结构设计对 转子动 力学分析的要求。
图3激励响应分析
通过使用APDL语言编写了一般 转子动 力学分析软件包，只需在输入文件中修改模型参数，便能快速完成所有与 转子相关的一般分析，大大缩短了结构分析的周期。
用户价值
能够在一个软件平台上完成几乎所有与系统开发相关的所有分析功能，尤其是 转子的动 力学分析，这是其他任何软件都无法做到的。在项目的研究开发中，保持了不同开发者仿真平台的一致性，加快了分析过程，减少了人力物理的投入。在计算结果方面，其准确性基本满足应用需求，并且ANSYS提供的强大的后处理功能使得对分析结果的观察更直观，更灵活，在设计中也更容易做出正确的判断。
客户评价：
高速 转子由于受到 转子内应力和旋转柯氏力的影响，模态频率和模态形状会随着转速的增加而变化。这种分析的功能在很多通用有限元软件中是不提供的，而专用有限元软件又只能提供非常有限的分析模块而无法进一步进行其他分析。运用ANSYS，可以较好的对 转子模型进行带转速的动 力学分析，以及做进一步的等效应力分析，激励响应分析等，较好的符合了项目研究的需求。来源：北极星电力网