增壓機機械振動特性分析及結(jié)構(gòu)改進

張 濤

（山西藍焰煤層氣集團有限責任公司， 山西 古交 030200）

引言

增壓器作為天然氣運輸管道中的重要組成部分，其強度和效率會直接影響到整個天然氣系統(tǒng)的工況表現(xiàn)[1]。天然氣增壓機機械振動是設(shè)備在工作時存在的一種有害現(xiàn)象，會對增壓機的性能產(chǎn)生有害影響。機械振動主要是通過增加元件的應(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，機械振動還會造成功率浪費和噪聲污染等其他問題。所以研究增壓機機械振動的特性并根據(jù)振動特性提出改進意見。

1 增壓機結(jié)構(gòu)分析

以目前天然氣運輸系統(tǒng)中普遍使用的增壓機為例進行結(jié)構(gòu)分析。天然氣運輸系統(tǒng)增壓機由轉(zhuǎn)動設(shè)備轉(zhuǎn)子、固定設(shè)備定子和中間體組成[3]。增壓機定子通過兩個軸承被固定在中間體，為了保證軸承的穩(wěn)定性和壽命，在中間體還有對軸承進行冷卻和潤滑的油道。此外，還有密封裝置防止冷卻液和潤滑油進入增壓機轉(zhuǎn)子和定子。

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

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

由于驅(qū)動裝置導致的激勵和排氣管的次激勵都會引起增壓機外部殼體振動。這些振動可能會引起增壓機元件損壞、殼體斷裂或者密封面失效等。

圖1 增壓機結(jié)構(gòu)圖

2 增壓機機械振動有限元分析

以天然氣增壓機為例，使用CAD軟件完成增壓機的三維建模，將其載入ANSYS軟件中進行有限元分析。在ANSYS軟件預處理中，通過網(wǎng)格劃分為150 952個單元數(shù)目，含245 078個節(jié)點數(shù)位。在各個元件的螺栓連接處，節(jié)點間相互耦合，將增壓機進氣口法蘭處的螺栓孔都固定限制移動。

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

由上表可以看出有限元模態(tài)分析和增壓機實驗測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)增壓機機械振動。通過對模態(tài)云圖的觀察，得到以下結(jié)論：

1）在一階模態(tài)下增壓機蝸殼受到機械振動的影響較小，蝸殼沒有明顯的位移變化。但是增壓機中間體的位移較蝸殼要明顯，這時因為在整個增壓機中中間體與增壓機背板之間的連接是最薄弱的。此外，當背板由于機械振動發(fā)生位移時，固定在背板上的增壓機執(zhí)行器和蝸殼會將位移擴大，導致這些元件發(fā)生更大的位移。從模態(tài)圖中可以看出，在相同的振動頻率下，增壓機執(zhí)行器上出現(xiàn)了最大加速度，說明該元件在機械振動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)生在增壓機執(zhí)行器上，背板位移較第一模態(tài)振動也有所增加。但是蝸殼還是沒有出現(xiàn)明顯的位移，說明受到機械振動的影響較小。

3）在第三模態(tài)下，增壓機執(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)對模型進行諧響應(yīng)分析，通過對應(yīng)力抓圖的分析，發(fā)現(xiàn)增壓機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，說明在由于增壓機機械振動引起的波動中，增壓機背板將會受到最嚴重的損壞。

表1 有限元結(jié)果和實驗室結(jié)果對比 Hz

3 增壓機結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)上述增壓機的有限元分析，得知在機械振動中增壓機背板受到的損害最大，所以先對增壓機的背板進行改進。為了增強增壓機背板的穩(wěn)定性，可以采取將背板和中間體統(tǒng)一鑄造的方式，設(shè)計為整體式背板。在設(shè)計過程中，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)，也對其進行建模有限元分析，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各階固有頻率都顯著提升，通過諧響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)增壓機各個元件的應(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，為了消除增壓機在發(fā)動機工作時產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，增壓機的固有頻率一定要大于三階激勵。根據(jù)振動理論可知，被激勵元件和外界激勵之間的差異不小于25%，所以還要保證增壓機的固有頻率大于139 Hz。這樣可以有效避免由于發(fā)動機振動導致的增壓機共振現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）在增壓機進行工作時，增壓機背板不僅受到的機械振動影響較大，受到的等效應(yīng)力也遠遠大于其他元件，最容易受到損傷。

2）通過改變增壓機固有頻率可以達到減小甚至消除由驅(qū)動裝置工作給增壓機帶來的共振影響。

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