增壓機(jī)機(jī)械振動(dòng)特性分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

張 濤

（山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 古交 030200）

引言

增壓器作為天然氣運(yùn)輸管道中的重要組成部分，其強(qiáng)度和效率會(huì)直接影響到整個(gè)天然氣系統(tǒng)的工況表現(xiàn)[1]。天然氣增壓機(jī)機(jī)械振動(dòng)是設(shè)備在工作時(shí)存在的一種有害現(xiàn)象，會(huì)對(duì)增壓機(jī)的性能產(chǎn)生有害影響。機(jī)械振動(dòng)主要是通過(guò)增加元件的應(yīng)力，引起疲勞損壞，破壞設(shè)備的密封性能，損壞元件的精度，從而降低了設(shè)備的可靠性和使用壽命[2]。此外，機(jī)械振動(dòng)還會(huì)造成功率浪費(fèi)和噪聲污染等其他問(wèn)題。所以研究增壓機(jī)機(jī)械振動(dòng)的特性并根據(jù)振動(dòng)特性提出改進(jìn)意見(jiàn)。

1 增壓機(jī)結(jié)構(gòu)分析

以目前天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)中普遍使用的增壓機(jī)為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)增壓機(jī)由轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)子、固定設(shè)備定子和中間體組成[3]。增壓機(jī)定子通過(guò)兩個(gè)軸承被固定在中間體，為了保證軸承的穩(wěn)定性和壽命，在中間體還有對(duì)軸承進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑的油道。此外，還有密封裝置防止冷卻液和潤(rùn)滑油進(jìn)入增壓機(jī)轉(zhuǎn)子和定子。

葉輪是增壓機(jī)的做功元件，通過(guò)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，增壓機(jī)中的氣體獲得動(dòng)能和速度[4]。然后通過(guò)擴(kuò)壓機(jī)將氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，經(jīng)彎道流向增壓機(jī)的下一級(jí)元件。在蝸殼處，天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)將增壓后的氣體收集起來(lái)然后引導(dǎo)出機(jī)器，蝸殼也有降速和減壓的作用。增壓機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

離心式壓氣機(jī)上也配置了壓力調(diào)節(jié)裝置，葉輪排出的氣體能量決定了增壓機(jī)的轉(zhuǎn)速，壓力調(diào)節(jié)大小也取決于增壓機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速高、負(fù)荷大的工況下時(shí)，葉輪排出的氣體能量高，此時(shí)增壓壓力較高。反之，在低轉(zhuǎn)速、負(fù)荷小的工況下排出的氣體能量低、增壓小。

由于驅(qū)動(dòng)裝置導(dǎo)致的激勵(lì)和排氣管的次激勵(lì)都會(huì)引起增壓機(jī)外部殼體振動(dòng)。這些振動(dòng)可能會(huì)引起增壓機(jī)元件損壞、殼體斷裂或者密封面失效等。

圖1 增壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 增壓機(jī)機(jī)械振動(dòng)有限元分析

以天然氣增壓機(jī)為例，使用CAD軟件完成增壓機(jī)的三維建模，將其載入ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析。在ANSYS軟件預(yù)處理中，通過(guò)網(wǎng)格劃分為150 952個(gè)單元數(shù)目，含245 078個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)位。在各個(gè)元件的螺栓連接處，節(jié)點(diǎn)間相互耦合，將增壓機(jī)進(jìn)氣口法蘭處的螺栓孔都固定限制移動(dòng)。

利用ANSY進(jìn)行增壓機(jī)模態(tài)分析，一階振動(dòng)模態(tài)為增壓機(jī)在中間體進(jìn)出油孔軸線和轉(zhuǎn)子中軸線組成的平面內(nèi)的振動(dòng)，增壓機(jī)的一階固有頻率為172 Hz。二階模態(tài)為增壓機(jī)在進(jìn)出油孔垂直軸線和轉(zhuǎn)子軸線平面內(nèi)的振動(dòng)，二階固有頻率為210 Hz。三階模態(tài)為增壓機(jī)在進(jìn)出油孔軸線和出油孔垂直軸線平面內(nèi)的振動(dòng)，三階固有頻率為345 Hz。將得到的固有頻率數(shù)據(jù)與天然氣增壓機(jī)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得固有頻率進(jìn)行比較，得到表1所示結(jié)果。

由上表可以看出有限元模態(tài)分析和增壓機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)得固有頻率在各階上的誤差都小于5%，有限元模態(tài)分析可以有效反應(yīng)增壓機(jī)機(jī)械振動(dòng)。通過(guò)對(duì)模態(tài)云圖的觀察，得到以下結(jié)論：

1）在一階模態(tài)下增壓機(jī)蝸殼受到機(jī)械振動(dòng)的影響較小，蝸殼沒(méi)有明顯的位移變化。但是增壓機(jī)中間體的位移較蝸殼要明顯，這時(shí)因?yàn)樵谡麄€(gè)增壓機(jī)中中間體與增壓機(jī)背板之間的連接是最薄弱的。此外，當(dāng)背板由于機(jī)械振動(dòng)發(fā)生位移時(shí)，固定在背板上的增壓機(jī)執(zhí)行器和蝸殼會(huì)將位移擴(kuò)大，導(dǎo)致這些元件發(fā)生更大的位移。從模態(tài)圖中可以看出，在相同的振動(dòng)頻率下，增壓機(jī)執(zhí)行器上出現(xiàn)了最大加速度，說(shuō)明該元件在機(jī)械振動(dòng)中的位移距離也最大。

2）在二階模態(tài)下最大位移仍然發(fā)生在增壓機(jī)執(zhí)行器上，背板位移較第一模態(tài)振動(dòng)也有所增加。但是蝸殼還是沒(méi)有出現(xiàn)明顯的位移，說(shuō)明受到機(jī)械振動(dòng)的影響較小。

3）在第三模態(tài)下，增壓機(jī)執(zhí)行器和蝸殼都發(fā)了繞轉(zhuǎn)子軸線的位移，且位移距離較大。最大位移發(fā)生在執(zhí)行器上，在第三模態(tài)下蝸殼也發(fā)生了一些位移。

完成模態(tài)分析后再繼續(xù)對(duì)模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，通過(guò)對(duì)應(yīng)力抓圖的分析，發(fā)現(xiàn)增壓機(jī)背板和中間體的連接處等效應(yīng)力和第一主應(yīng)力都是最高的。相比于其他位置元件，該位置的應(yīng)力都是其他位置的數(shù)倍，說(shuō)明在由于增壓機(jī)機(jī)械振動(dòng)引起的波動(dòng)中，增壓機(jī)背板將會(huì)受到最嚴(yán)重的損壞。

表1 有限元結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果對(duì)比 Hz

3 增壓機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)上述增壓機(jī)的有限元分析，得知在機(jī)械振動(dòng)中增壓機(jī)背板受到的損害最大，所以先對(duì)增壓機(jī)的背板進(jìn)行改進(jìn)。為了增強(qiáng)增壓機(jī)背板的穩(wěn)定性，可以采取將背板和中間體統(tǒng)一鑄造的方式，設(shè)計(jì)為整體式背板。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，保證背板與執(zhí)行器等其他元件之間的尺寸不發(fā)生變化。為了研究整體式背板的工況表現(xiàn)，也對(duì)其進(jìn)行建模有限元分析，得到如表2所示的各階固有頻率數(shù)值。從表中可以看出使用整體背板后增壓機(jī)各階固有頻率都顯著提升，通過(guò)諧響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)增壓機(jī)各個(gè)元件的應(yīng)力值都有所降低，元件的抗振表現(xiàn)都有所提高。

表2 整體背板的固有頻率 Hz

此外，為了消除增壓機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，增壓機(jī)的固有頻率一定要大于三階激勵(lì)。根據(jù)振動(dòng)理論可知，被激勵(lì)元件和外界激勵(lì)之間的差異不小于25%，所以還要保證增壓機(jī)的固有頻率大于139 Hz。這樣可以有效避免由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致的增壓機(jī)共振現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）在增壓機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，增壓機(jī)背板不僅受到的機(jī)械振動(dòng)影響較大，受到的等效應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他元件，最容易受到損傷。

2）通過(guò)改變?cè)鰤簷C(jī)固有頻率可以達(dá)到減小甚至消除由驅(qū)動(dòng)裝置工作給增壓機(jī)帶來(lái)的共振影響。

3）整體式增壓機(jī)背板的設(shè)計(jì)可以提高增壓機(jī)的固有頻率，降低響應(yīng)應(yīng)力，提高元件的抗振性。