乙烯運(yùn)輸船壓縮機(jī)基座設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

陳 熙，陳志成，李小靈，周清華

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

輪機(jī)與輔機(jī)

乙烯運(yùn)輸船壓縮機(jī)基座設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

陳 熙，陳志成，李小靈，周清華

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)是乙烯運(yùn)輸船液貨系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，對其實(shí)際質(zhì)量和精度的要求均較高，屬于精密設(shè)備，其基座設(shè)計(jì)關(guān)系到壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)在船舶營運(yùn)過程中能否正常運(yùn)營，需在前期設(shè)計(jì)中予以充分考慮。針對液化乙烯運(yùn)輸船的制冷壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)基座設(shè)計(jì)需求，從基座剛度需求、軸系校中需求和設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)等3個(gè)方面進(jìn)行分析，指出原始設(shè)計(jì)的不足并提出改進(jìn)方案。通過分析對比各基座改進(jìn)方案在各性能指標(biāo)上的提升量，得出新改進(jìn)措施的有效性，結(jié)果可用于指導(dǎo)實(shí)際項(xiàng)目的壓縮機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

船舶、艦船工程；乙烯船；壓縮機(jī)基座；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

0 引 言

乙烯是重要的化工原料，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)低至-104℃。為減少乙烯液化過程中的能量消耗，乙烯運(yùn)輸船的貨物液化系統(tǒng)采用二級循環(huán)冷卻，而二級冷卻中冷卻液循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備為制冷壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

目前，江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的液化乙烯運(yùn)輸船均采用制冷壓縮機(jī)對冷卻液進(jìn)行二級循環(huán)制冷。為加快船廠搭載速度，縮短船臺船塢周期，將該設(shè)備通過鋼制框架基座與其他液貨設(shè)備及管道連接，形成液貨單元，整體吊裝［1］。但是，制冷壓縮機(jī)的安裝需滿足較高的精度要求，且壓縮機(jī)作為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械必然會對相鄰基座結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激振力影響，因此合理的基座設(shè)計(jì)是保證制冷壓縮機(jī)正常運(yùn)營的關(guān)鍵［2］。

1 系統(tǒng)參數(shù)和安裝要求

制冷壓縮機(jī)設(shè)備通常包含螺桿式制冷壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和聯(lián)軸器（見圖1）。整個(gè)設(shè)備由工字鋼組成的基座支撐，安裝在船體主甲板上?；幸欢ǜ叨龋阌谂c周圍的液貨管系連接。制冷壓縮機(jī)自重2040kg，最大工作扭矩5922N·m；驅(qū)動(dòng)電機(jī)自重3170kg，最大工作扭矩5922N·m。設(shè)備初始安裝軸系對中要求為：角偏移量、徑向偏移量和軸向偏移量3個(gè)變形量≤0.03mm/100mm。壓縮機(jī)的名義轉(zhuǎn)速約為3600r/min，其激振頻率約為60Hz。

圖1 制冷壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)基座

2 問題分析

基座作為制冷壓縮機(jī)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)，起到固定連接設(shè)備和船體的作用，同時(shí)還受到設(shè)備的動(dòng)靜載荷和船體航行時(shí)產(chǎn)生的載荷的影響。根據(jù)該基座所受載荷的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)分析方向歸為以下3點(diǎn)。

2.1 基座剛度

對于常規(guī)船體結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)度滿足要求的情況下，剛度一般無明確要求。但是對于設(shè)備基座這類對支撐構(gòu)件的位移限制要求較高的結(jié)構(gòu)而言，按強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)往往過于單薄，此時(shí)剛度條件可能起到?jīng)Q定性作用。基于實(shí)際使用需求，壓縮機(jī)基座剛度的要求為：在實(shí)際運(yùn)營工況下，設(shè)備2個(gè)縱向安裝位置的相對位移≤1mm/1m。

2.2 軸系校中［3］

軸系校中質(zhì)量對保證設(shè)備正常運(yùn)營至關(guān)重要。校中質(zhì)量不好，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會造成軸承迅速磨損甚至使設(shè)備損毀。軸系校中通常僅考慮設(shè)備在剛性基礎(chǔ)上進(jìn)行校中的條件，而船體和設(shè)備基座本身為彈性體，因此船舶航行過程中船體和基座變形對軸系校中的影響也不可忽視。

2.3 振動(dòng)模態(tài)［4］

該壓縮機(jī)為雙螺桿式制冷壓縮機(jī)，與活塞式壓縮機(jī)相比無明顯的不平衡力（力矩），振動(dòng)性能相對較好。但是，設(shè)備在運(yùn)行過程中吸氣排氣產(chǎn)生的壓力差會對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的沖擊力，使設(shè)備產(chǎn)生一定幅度的振動(dòng)；同時(shí)，壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)因有一定的制造誤差而在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中同樣會產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)該振動(dòng)的頻率接近或達(dá)到設(shè)備基座的固有頻率時(shí)，可能會產(chǎn)生共振，對設(shè)備造成損壞。因此，合理設(shè)計(jì)設(shè)備基座需要使其振動(dòng)固有頻率避開設(shè)備的激振頻率。

根據(jù)以上設(shè)備資料和精度要求，利用通用有限元分析軟件Patran和Nastran對基座的剛度、軸系校中及振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析。有限元模型見圖2。

圖2 基座有限元模型

3 基座剛度分析

考慮設(shè)備重力、設(shè)備工作載荷和船體加速度的影響，通過有限元計(jì)算和數(shù)據(jù)分析得出設(shè)備安裝基座面板的變形，從而判斷基座剛度是否滿足設(shè)備安裝的剛度需求［5］。計(jì)算方法為：

1） 由于壓縮機(jī)設(shè)備本身的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基座剛度，因此進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)假定設(shè)備為剛體；

2） 建立多點(diǎn)約束（Multi-Point Constraints，MPC）單元，將基座安裝面板與設(shè)備質(zhì)心剛性連接；

3） 外部載荷（包括設(shè)備重力、工作扭矩和船體在設(shè)備處的加速度）根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)營工況加載在設(shè)備的質(zhì)心位置；

4） 根據(jù)基座上設(shè)備安裝點(diǎn)的縱向位移量計(jì)算基座的縱向變形；

5） 與基座剛度要求相比較，檢驗(yàn)基座設(shè)計(jì)是否滿足要求。

圖3和圖4為基座結(jié)構(gòu)變形云圖及應(yīng)力云圖。

圖3 基座結(jié)構(gòu)變形云圖

圖4 基座結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由計(jì)算結(jié)果可知，基座在壓縮機(jī)自重與船體加速度共同作用下的應(yīng)力最大值為71.4MPa，遠(yuǎn)小于鋼材的屈服強(qiáng)度 235MPa，因此設(shè)備基座的強(qiáng)度在該問題中并非決定性因素；基座的變形最大值為 3.67mm，兩設(shè)備安裝墊片位置的縱向相對變形量為0.133mm/1m，同樣滿足設(shè)備廠商對基座的剛度要求。

4 軸系對中校核

制冷壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸系對中要求為：角偏移量ΔL100、徑向偏移量ΔH100和軸向偏移量Δd100均在0.03mm/100mm以內(nèi)（見圖5）。

圖5 軸系偏移示意

根據(jù)基座在船體運(yùn)動(dòng)情況時(shí)的變形情況，可進(jìn)一步分析其對設(shè)備軸系校中的影響。有限元模型中設(shè)備本身的殼體和軸系被視為剛體，設(shè)備安裝位置的基座已由MPC單元?jiǎng)傂赃B接，因此相應(yīng)位置的變形值可近似等效為設(shè)備軸系本身的變形值。

將靠近制冷壓縮機(jī)自由端的基座安裝螺栓孔位置編號為 1，靠近輸入端的編號為 2；靠近驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端的編號為3，靠近自由端的編號為4。位置1與位置2的縱向距離為 LC，位置3與位置4的縱向距離為 LM，位置2與位置3的縱向距離為 LS，位置1的x向變形量為Δx1，位置2的y向變形量為Δy2，其他以此類推。

根據(jù)以上假設(shè)，制冷壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸系各方向偏移量可由以下等式求得。

1） 垂直于z平面的軸系每100mm長度上的角度偏移量為

2） 軸系每100mm長度上的徑向偏移量為

3） 軸系每100mm長度上的軸向偏移量為

由式（1）～式（3）可計(jì)算出基座未經(jīng)任何加強(qiáng)的情況下設(shè)備軸系的徑向偏移量 ΔH100的值為 0.1026mm/ 100mm，超過了軸系對中的許用值，不能滿足軸系對中的要求。為改善該狀況，后續(xù)對基座采取加強(qiáng)措施，方案如下。

（1） 方案1：對基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)，包括增加交叉支撐、縱向工字鋼和橫向肘板加強(qiáng)。

（2） 方案2：將基座下船體主甲板下的球扁鋼縱骨替換為T型材。

對以上加強(qiáng)方案進(jìn)行對比分析，得出方案1仍然無法滿足軸系對中要求，而方案2滿足要求，具體的基座加強(qiáng)前后變形值見表1。

表1 基座加強(qiáng)前后變形值

由表1可知：最大偏移量發(fā)生在徑向上，其他方向上的偏移量均在許用范圍內(nèi)；方案1對基座整體剛度的提升有限，可作為局部加強(qiáng)參考；方案1對設(shè)備軸系的橫向偏移改進(jìn)效果相對較小，原因是該方案僅限制了壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)各自對應(yīng)基座部位的變形，而對兩設(shè)備基座的相對變形約束較?。环桨?對基座整體剛度的提升較大，平均變形縮減比例超過70%，改進(jìn)之后徑向偏移量滿足對中要求。

5 基座模態(tài)分析

采用有限元分析方法對壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)基座進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算，以判斷壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是否引起基座共振，導(dǎo)致?lián)p壞。采用LANCZOS算法求解結(jié)構(gòu)的特征值和特征向量，即自由振動(dòng)固有頻率和模態(tài)［6］。前4階即出現(xiàn)典型模態(tài)振型，見圖6和圖7。

圖6 橫向振動(dòng)模態(tài)

圖7 縱向振動(dòng)模態(tài)

計(jì)算結(jié)果表明：壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)基座的橫向振動(dòng)固有頻率為 6.9Hz，縱向振動(dòng)固有頻率為 9.1Hz；由設(shè)備廠商提供的“驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)”中的啟動(dòng)特性曲線圖可知，扭矩的大小與轉(zhuǎn)速無關(guān)，且名義轉(zhuǎn)速為3589r/min，其激勵(lì)頻率約為60Hz，已大大超出壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)基座的固有頻率，可排除船體結(jié)構(gòu)共振問題。

6 結(jié) 語

通過計(jì)算分析可得到以下結(jié)論：

1） 基座強(qiáng)度滿足鋼材的屈服條件，剛度也在設(shè)備正常運(yùn)行的許用范圍內(nèi)，兩者在該問題中為非決定性因素；

2） 基座的橫向變形（角偏移和徑向偏移）對制冷壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸系對中影響較大，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加強(qiáng)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮，盡量減少基座的橫向相對變形量；

3） 基座結(jié)構(gòu)焊接在船體主甲板上，隨船體運(yùn)動(dòng)而變形，增大船體主甲板的結(jié)構(gòu)剛度對改善設(shè)備軸系校中質(zhì)量最為有效；

4） 改進(jìn)基座結(jié)構(gòu)對提高整體剛度的作用有限，若整體變形量在許用范圍內(nèi)，可考慮設(shè)備局部剛度的要求進(jìn)行加強(qiáng)；

5） 制冷壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高，可避免其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的船體結(jié)構(gòu)共振損壞。

對制冷壓縮機(jī)基座設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，所得結(jié)果可用于指導(dǎo)壓縮機(jī)基座設(shè)計(jì)，對類似工作有重要的參考作用。

［1］ 鄭凡，李小靈，鄭雷. 21000m3乙烯（LEG）運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］. 船舶與海洋工程，2015， 31 （5）： 1-5.

［2］ 陳文卿，沈九兵，邢子文. 國內(nèi)螺桿式制冷壓縮機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］. 制冷與空調(diào)，2012， 12 （2）： 90-94.

［3］ 耿厚才. 船舶軸系的動(dòng)態(tài)校中計(jì)算［J］. 中國造船，2006， 47 （3）： 51-56.

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［5］ 毛亮，梅志遠(yuǎn)，羅忠，等. 夾芯復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析［J］. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008， 20 （1）： 98-102.

［6］ 姚熊亮. 船體振動(dòng)［M］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2008.

Analysis on the Optimization of Compressor Foundation Design for Liquefied Ethylene Carrier

CHEN Xi，CHEN Zhi-cheng，LI Xiao-ling，ZHOU Qing-hua
（Jiangnan Shipyard （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China）

Compressor and motor are the critical equipment of the cargo handling system on Liquefied Ethylene Carriers（LEGC）. Their precision must comply with the strict requirements of quality and accuracy. As the foundation plays a crucial role in the operation of the compressor， the design of the foundation should be taken into carefully consideration in the early design stage. In accordance with the design requirements of the foundation of LEGC refrigeration compressor and motors， the defects of the original design were pointed out and the improvements were made on the basis of the analyses on the requirements of foundation stiffness， shafting alignment and equipment vibration. The effectiveness of the new design is proven when the performance improvement of the enhanced foundation designs was analyzed and compared， which could provide guidance for the compressor foundation structure design in practical projects.

ship and naval architecture； LEGC； compressor foundation； design； optimization

U674.13+3.3

A

2095-4069 （2016） 05-0045-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.009

2016-01-08

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝［2013］412號）

陳熙，男，助理工程師，1988年生。2011年7月畢業(yè)于天津大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)工作。