水力旋流器模態(tài)測試與振動特性分析

任向海，彭振華，張 園，丁 雯，李 森，徐德奎

（1.中國石化西北油田分公司 工程技術(shù)研究院，烏魯木齊830011；2.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 大慶163318；3.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶163453）

在旋流分離器運(yùn)行過程中，在內(nèi)部介質(zhì)或外界環(huán)境條件影響下，設(shè)備往往會存在不同的振動形式。振動不僅會使流經(jīng)振動設(shè)備的流場產(chǎn)生振蕩，還會使流體設(shè)備產(chǎn)生潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。而水力旋流器需要在一個(gè)穩(wěn)定的流場中才具有較高的分離性能。因此把握旋流器的振動特性有利于消除或減弱影響旋流器工作性能的不利因素，可為旋流器的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

目前，人們更多是關(guān)注流體設(shè)備振動對安全可靠性的影響，在結(jié)構(gòu)的安全性和可靠設(shè)計(jì)方面已取得了有價(jià)值的成果，為結(jié)構(gòu)的合理運(yùn)行與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了借鑒和指導(dǎo)[1–2]。但針對結(jié)構(gòu)振動對流場以及設(shè)備的工作性能的影響研究相對較少[3–4]。而對于一些流體設(shè)備而言，所關(guān)心的不僅是其運(yùn)行的可靠性問題，更關(guān)注設(shè)備的振動特性及振動是否會對內(nèi)部流場產(chǎn)生影響。

應(yīng)用LMS測試分析系統(tǒng)，采用最小二乘復(fù)頻域法對水力旋流器各階模態(tài)進(jìn)行參數(shù)識別，識別出水力旋流器在空管、充液和工作狀態(tài)的固有頻率和振型，分析其振動特性并確定水力旋流器的薄弱環(huán)節(jié)或潛在風(fēng)險(xiǎn)，可為相關(guān)流體機(jī)械設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模態(tài)試驗(yàn)設(shè)置

模態(tài)分析對象為直徑是28 mm 的水力旋流器，尾管長度為570 mm，大錐角和小錐角分別為20°和1.5°，水力旋流器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，壁厚為5.5 mm，密度為1.18×103kg/m3，E=3×109Pa，泊松比為0.347。流體部分流動介質(zhì)為水。這里認(rèn)為測試結(jié)構(gòu)具有連續(xù)分布的質(zhì)量與彈性[5]。

測試設(shè)備使用比利時(shí)LMS 公司24 通道SCADAS Mobile 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相應(yīng)LMS Test.Lab測試分析軟件。圖1為測試用水力旋流器實(shí)體。

圖1 水力旋流器有機(jī)玻璃材質(zhì)實(shí)體結(jié)構(gòu)

壓電式傳感器直接安裝在被測試旋流器上，傳感器應(yīng)用PCB 公司ICP 型加速度傳感器，數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集分析儀處理后，由顯示器顯示振動波形，如圖2所示。

圖2 信號采集分析儀

2 試驗(yàn)方案及測點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)中針對空管(無介質(zhì))、充液(有介質(zhì))和工作狀態(tài)(介質(zhì)流動，入口有3種速度)共5種工況下水力旋流器結(jié)構(gòu)的振動特性，制定具體測試方案如表1所示。

在水力旋流器上共布置10個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 變徑圓管上測點(diǎn)分布

由于幾何模型在圓周對稱，將結(jié)構(gòu)簡化成桿件，在同一截面位置的X軸和Y軸方向進(jìn)行布點(diǎn)測量。

3 試驗(yàn)方法

根據(jù)模態(tài)分析理論可知，要確定水力旋流器結(jié)構(gòu)的振動特性，需要測量其傳遞函數(shù)。本次試驗(yàn)采用單輸入單輸出方式進(jìn)行測量，即使用脈沖錘（力錘）施加激振力或依靠流體對結(jié)構(gòu)作用力，依次測得各點(diǎn)的響應(yīng)。在非工作狀態(tài)(空管和充液狀態(tài))對測試體使用力錘施加激振力，工作狀態(tài)模態(tài)的測量是依靠水力旋流器結(jié)構(gòu)內(nèi)流體沖擊力，然后將測得的信號經(jīng)采集、處理分析，計(jì)算得出激勵點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)。

在如圖1 所示的測試裝置中，結(jié)構(gòu)的底座與地面固定，認(rèn)為聯(lián)結(jié)處導(dǎo)納為零。用脈沖（力錘）激勵法測量時(shí)，敲擊遠(yuǎn)離傳感器位置的其它測點(diǎn)，可獲得跨點(diǎn)傳遞函數(shù)；敲擊傳感器附近測點(diǎn)，可獲得原點(diǎn)傳遞函數(shù)，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)用加速度傳感器，采用多次觸發(fā)的方法測得每點(diǎn)的響應(yīng)，取10 次測量的平均結(jié)果，根據(jù)振動理論可知，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對振動響應(yīng)影響較大，高階模態(tài)的影響可忽略不計(jì)。采用最小二乘復(fù)頻域法對水力旋流器各階模態(tài)進(jìn)行參數(shù)識別，頻率范圍為0～500 Hz，高于500 Hz 的頻率成分已事先采用濾波器濾除，頻率分辯精度為0.5 Hz。原始時(shí)域信號如圖4 所示。圖4 為入口速度為8.17 m/s時(shí)各測點(diǎn)時(shí)域波形圖。模態(tài)識別狀態(tài)圖如圖5 所示。g/N分別表示頻譜的幅值和穩(wěn)態(tài)圖的階次。圖中2 條曲線波峰和波谷交疊在一起，并在交匯處有一列S 和V 字母，S 表示此時(shí)極點(diǎn)的頻率、阻尼和向量均穩(wěn)定，V 表示向量穩(wěn)定，O 表示此位置存在噪聲，S和V重疊處的波谷線為虛頻曲線，波峰線是實(shí)頻曲線。圖中給出0～500 Hz 模態(tài)頻率范圍，可看出前3 階模態(tài)識別比較理想，圖中波峰波谷交疊在一起的位置就是水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)的固有頻率。

表1 測試方案

圖4 原始時(shí)域信號

圖5 變徑圓管模態(tài)識別狀態(tài)圖

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，分別測試水力旋流器結(jié)構(gòu)在5種試驗(yàn)工況下的模態(tài)。表2 給出了5 種實(shí)驗(yàn)工況下結(jié)構(gòu)的前3階固有頻率，圖6和圖7分別給出了水力旋流器結(jié)構(gòu)在空管、充液以及入口流速Vin=6.82 m/s時(shí)的1階和2階振形圖。

由圖可知水力旋流器結(jié)構(gòu)在各種條件下的振型基本沒有變化，同時(shí)，在1階振型中，結(jié)構(gòu)在測點(diǎn)4和5附近結(jié)構(gòu)變形幅度較大，此位置為水力旋流器結(jié)構(gòu)的小錐與尾管交匯處附近，而大錐和小錐的前端運(yùn)動幅度較小。

從測試結(jié)果可以看出水力旋流器的固有頻率隨著空管、充液及入口速度增加逐漸降低。結(jié)構(gòu)內(nèi)部充液后比空管結(jié)構(gòu)1階固有頻率降低2.76 Hz，2階固有頻率降低10.25Hz，3階固有頻率降低5.99Hz。

表2 固有頻率/Hz

圖6 1階模態(tài)

圖7 2階模態(tài)

分析原因，這主要是因?yàn)閮?nèi)部液體的存在使結(jié)構(gòu)存在附加質(zhì)量，從而降低了固有頻率。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)隨著入口速度增大，固有頻率略有降低，但在流速范圍內(nèi)降低幅度均不大。此現(xiàn)象在文獻(xiàn)[6–7]有相關(guān)論證。分析原因，這主要是由于流體介質(zhì)在流動的過程中對結(jié)構(gòu)的作用力表現(xiàn)為作用在結(jié)構(gòu)上的預(yù)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量增加，從而降低了固有頻率。

水力旋流器工作時(shí)，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動形態(tài)與振動1階振型基本一致，結(jié)合實(shí)驗(yàn)可知結(jié)構(gòu)的最大變形位置為小錐與尾管交匯處，這種運(yùn)動變形不但會對水力旋流器的分離性能產(chǎn)生影響，而且也是影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。因此，應(yīng)在工作時(shí)，采取適當(dāng)?shù)闹窝b置，改善結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，改善流場的穩(wěn)定性。

為了把握水力旋流器實(shí)際應(yīng)用中振動特性，針對不銹鋼水力旋流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動測試分析，直接對其工作狀態(tài)，即入口速度為6.82 m/s、8.17 m/s和10.2 m/s 3 種工況進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)分析，得到固有頻率分別為70.14 Hz、66.83 Hz及54.64 Hz。不銹鋼材料結(jié)構(gòu)運(yùn)動變形較大位置與有機(jī)玻璃材料的基本一致。通過分析發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)在測試條件下，1階固有頻率均大于有機(jī)玻璃材料結(jié)構(gòu)的1 階固有頻率。但隨著流速增大，不銹鋼材料結(jié)構(gòu)的固有頻率降低幅度大于有機(jī)玻璃材料結(jié)構(gòu)的固有頻率。應(yīng)用時(shí)也應(yīng)注意防范小錐與尾管交匯處振動過大所引起的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流場的不穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用合理的加固措施。

5 結(jié)語

對有機(jī)玻璃材料水力旋流器變徑圓管進(jìn)行試驗(yàn)研究，基本結(jié)論如下：

（1）水力旋流器結(jié)構(gòu)在空管、充液以及3種速度工作狀態(tài)下的振型基本保持不變；

（2）水力旋流器結(jié)構(gòu)的固有頻率按照空管、充液以及3 種速度工作狀態(tài)的次序依次降低，并且隨著入口速度增大，固有頻率隨之減小。

（3）水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)位置為小錐段與尾管的交匯處，是整個(gè)旋流器工作時(shí)的薄弱部位，在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮。