離心壓縮機水壓仿真及試驗研究

曹萬林，劉 超，于震遠

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

壓縮機殼體的液壓測試是壓縮機組裝過程的重要部分，該液壓測試可以檢測壓縮機殼體的焊縫是否有缺陷。當機殼焊接不達標時，在高壓條件下，水就會從缺陷處滲出。水壓測試同時還可以檢驗機殼的各處強度，是否會在高壓的環境下產生變形。如果有上述問題出現，需要采取必要的措施進行補救。液壓模擬測試主要是在內部壓力下對殼體的各個部分進行測試，比如中壓法蘭、中縫螺栓孔和其他部分，是通過對焊接殼體進行液壓測試。隨著內部壓力的增加，應力和應變發生變化，分析并評估焊接套管的強度，發現缺陷和不足之處，并在以后的設計過程中加以改進。

1 有限元建模及驗證

壓縮機機殼結構復雜，可整體焊接鑄造。外邊是進出口，里面用隔板分隔成房間。為了便于有限元網格的劃分，合理地簡化和分割了三維模型。水壓測試時，要堵住壓氣機進出口和高檔軸孔，以保證水壓測試的密封性能。上殼體和下殼體用螺栓連接。錨桿只是一種提供預緊力的部件，在水壓試驗模擬分析中沒有引起足夠的重視。把螺栓簡化為圓形橫梁單元。兩個端子分別與上下缸相連，作用在螺栓梁上，相當于固體螺栓對上下缸的作用。機殼選用有中間節點的高次四面體單元，螺栓選用有中間節點的三維梁單元。

當有限元分析模型建立后，為了保證模型能進行合理、可靠的計算分析，必須對其適用性和真實性進行驗證。對該模型進行了有限元分析，驗證了其壓力自平衡特性和缸模位移。壓力自平衡主要檢查殼體的密封性，而模態缸體移位主要檢查殼體各部位的連接。利用1 MPa 的內壓作用，使殼體的外支反力接近于0，并對殼體進行了模態分析，結果表明，所建立的有限元模型是有效的，其結果也是正確的。

水壓試驗邊界條件：離心式壓縮機殼體的水壓試驗是壓縮機分析過程中的重要環節，能夠檢驗出壓氣機殼體焊后各部位的抗壓強度，焊縫密封度以及中間表面的氣密性是否達到使用標準。在水壓試驗前進行有限元分析，可初步分析出殼體的強度，如分析結果發現殼體有薄弱部位，應該先對殼體薄弱部位進行結構改進，降低水壓試驗帶來的風險。外殼在試驗中要保證以下2 點：①確保外殼固定在外殼底座上而不會轉動或移動；②保證外殼可自由伸縮。其約束方式按貓爪支撐方式作用于下機殼的開口表面，如圖1 所示。

圖1 約束方式

根據水壓試驗現場的不同，A 處約束X、Y、Z方向的自由度；B 處約束X、Z方向的自由度；C 處約束5.5 MPa，高壓水壓試驗分為低壓加載和高壓加載兩種，低壓加載2.3 MPa，高壓加載5.5 MPa。在預緊力為961 090 N 時，考慮了重力的影響。中間部分采用摩擦接觸形式，摩擦系數取推薦值0.15。

2 水壓試驗的密封

在進行水壓試驗時，一定要確保設備的密封性，為了確保在完全封閉的環境中進行水壓測試，必須將與外部連通的所有零件采用適當的密封形式密封。只有這樣，液壓測試的結果才能可靠、準確。我們將采用以下密封形式。

3 水壓試驗的方法及步驟

水平剖分機殼作水壓試驗之前，要對合箱分面自由間隙進行檢查。首先要對試驗的零件進行清洗，在殼體壁上涂抹防銹油，在接合面上加密封填料，安裝壓力試件。用油脂潤滑螺母的底面，該油脂必須是黃油或另一種摩擦系數為0.15的油脂。使用扭矩板將密封螺栓安裝在殼體上，扭矩公差為-5%～+10%。必須在遠離中心線的蝸殼位置開始在水平分流器殼體中的螺栓布置順序，然后在首次進氣后沿擰緊方向轉動。組合擰緊4 個螺母，然后先擰緊一側再將另一側中心線旋緊。對于水平剖分機殼螺栓，應分2 步進行：①使用定額扭矩60%進行緊固；②用100%定額扭矩進行緊固檢查，對至少10%的螺栓進行采樣檢查，如果一根螺栓的扭矩超出公差范圍，則必須按照規定值檢查并擰緊所有螺栓。折水是在試驗前按組裝順序進行的，充水時在最上部留一個未關閉的孔，將殼體型腔內全部充水，確保內部空氣全部從上方孔道逸出，然后將該孔關閉。

4 離心壓縮機試驗過程

4.1 試驗內容

在自重、螺栓預緊力和內部壓力共同作用下的殼體靜態應變測量和位移測量：在殼體、風管和螺栓的特定部分上貼上標記，在這些位置測量靜應變、計算應力值。位移傳感器用于測量軸承端部的軸向位移，法蘭中間的徑向和垂直位移以及頂殼表面中心的垂直位移。

4.2 具體方案

設計人員、計算人員和測試人員應根據測試目的設計合理的測量點放置計劃。使用電阻應變儀測量應變，使用YHD位移傳感器測量位移，并使用UCAL-10A 通用數據采集系統進行測量和記錄。

4.3 試驗載荷及工況

在進行機殼水壓試驗時，測量荷載是水壓試驗時的機殼內壓，不用考慮機殼和水的自重荷載。機殼的正常工作壓力是2.0 MPa，在水壓試驗中，該套必須承受2.9 MPa 以上的壓力。按照實驗方案，內壓為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa。數據先由低壓力到高壓力進行測量，再由高壓力到低壓力進行測量。

4.4 試驗系統和試驗點布置

試驗采用電測量方法。數據采集系統和微機對輸出信號進行采集，并對輸出信號進行處理。測試結果表明：雙向力和應變直角測量點分別為4 點和28 點，共測得82 片。測量10 次位移。

在測試中，總共測量了4 個點的雙向應力和28 個直角應變，并且總共測量了82 個點。測量10 個位移點。

4.5 試驗結果

4．5．1 試驗數據

因篇幅所限，本報告未列出所有試驗數據，僅選擇性地列出試壓成功后的一段試壓數據。部分數據如表1 所示。

表1 各測點的位移測試值結果

4．5．2 實驗結果分析

焊接機殼在水壓試驗中，對殼體結構的變形和位移進行了靜態試驗研究。當工作壓力為1.5 倍或3.0 MPa 時，外殼的最大應力值沒有超出材料的容許范圍，并且沒有發生永久性變形。最大測試應力在支撐軸承密封體（上）端板連接處（端板）和推軸承密封體（上）端板連接處（端板）測點上。從試驗結果中可以看出，應力測點的2 個試驗值的重復性很好。

5 結束語

通過測試數據的收集和分析，可以確認在測試用例的每個點上都沒有發生永久變形，并且在每個點上的應力和應變都在材料可接受的范圍內，以確保測試用例的靜態、強度符合設計要求。同時本次實驗明確了水壓過程中各部位應力應變情況，并且找到最大應力部位，對于現場具有很大的指導性意義。在現場實際工作中將對最大應力部位采取加大預緊力的方法給予控制，同時對最大應力部分做設計加厚處理。本次實驗將為今后壓縮機的機殼設計提供資料。