郎顯東 尹丹放 叢龍洋

（開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，河南 開封 47755000000）

離心壓縮機(jī)是制氧、石油化工、鋼鐵、發(fā)電等工廠企業(yè)的關(guān)鍵性心臟設(shè)備，其應(yīng)用非常廣泛，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域中都占有重要地位。高速大型離心壓縮機(jī)葉輪的振動(dòng)問(wèn)題一直是影響壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的大問(wèn)題，而葉輪是壓縮機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)部件，其能否安全穩(wěn)定地運(yùn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)講起著至關(guān)重要的作用。壓縮機(jī)如果產(chǎn)生問(wèn)題，一是影響生產(chǎn)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失；嚴(yán)重的情況下可能發(fā)生系統(tǒng)報(bào)廢甚至人員死傷的惡性事件。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及機(jī)組性能的持續(xù)改進(jìn)，離心式壓縮機(jī)大型、高速、高壓比是必然的發(fā)展方向，因而對(duì)葉輪的設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)提出了更高的要求。可是事實(shí)證明，以往的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已不能滿足壓縮機(jī)持續(xù)高速發(fā)展的需要，在如何設(shè)計(jì)安全可靠的葉輪這個(gè)問(wèn)題上，新的方法和新的理論不斷出現(xiàn)，振動(dòng)模態(tài)分析法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種更接近實(shí)際的力學(xué)模型分析方法，其在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)越來(lái)越被廣泛地重視和運(yùn)用。

1 離心壓縮機(jī)葉輪振動(dòng)原因分析

葉輪振動(dòng)甚至破壞的因素非常多，像在運(yùn)行中多次操作啟停車、為適應(yīng)工況變化而進(jìn)行反復(fù)調(diào)速等，這些會(huì)使葉輪產(chǎn)生交變應(yīng)力進(jìn)而引起疲勞斷裂；如果焊接葉輪的殘余焊接應(yīng)力沒(méi)有很好地去應(yīng)力處理便裝配運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)導(dǎo)致葉輪振動(dòng)甚至發(fā)生破壞；在實(shí)際工作中葉輪的受力情況非常復(fù)雜多變，不僅需要承受旋轉(zhuǎn)離心力和穩(wěn)定的氣流沖擊力，還要承受著非穩(wěn)定氣流沖擊力，像進(jìn)口預(yù)旋擾動(dòng)、蝸殼中的氣流反彈干擾等多個(gè)因素的疊加作用，這些因素的激振力極可能使葉輪產(chǎn)生振動(dòng)。此外，在葉輪焊接加工過(guò)程中制造誤差必然存在，由此對(duì)葉輪的對(duì)稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞而易造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，使葉輪產(chǎn)生局部化振動(dòng)，這將造成葉輪某些位置產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力，從而導(dǎo)致葉輪發(fā)生振動(dòng)疲勞破壞故障。例如，開封空分集團(tuán)有限公司在河北某用戶單位運(yùn)行的空分用離心壓縮機(jī)（進(jìn)口國(guó)外知名廠商的設(shè)備），在運(yùn)行很短時(shí)間后，轉(zhuǎn)子發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，機(jī)組跳車后經(jīng)拆開檢查，發(fā)現(xiàn)葉輪進(jìn)口處局部損壞，進(jìn)口葉片發(fā)生斷裂。經(jīng)再次更換葉輪，仍發(fā)生同樣故障。經(jīng)診斷應(yīng)為振動(dòng)局部化破壞的結(jié)果。

2 模態(tài)分析法

模態(tài)為機(jī)構(gòu)固有的振動(dòng)性質(zhì)，每種模態(tài)都有對(duì)應(yīng)的固定頻率和振型狀態(tài)。模態(tài)參數(shù)是表達(dá)其動(dòng)力特性的量，從數(shù)學(xué)上看，模態(tài)參數(shù)指的是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程的特征值和特征向量，而在試驗(yàn)上看則是試驗(yàn)得到的結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼和振型。所有的模態(tài)參數(shù)可以通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算（即數(shù)值模態(tài)分析）或試驗(yàn)分析（即試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析）獲得，計(jì)算或試驗(yàn)分析的過(guò)程就是模態(tài)分析。本文主要針對(duì)數(shù)值模態(tài)分析。有限元法是數(shù)值模態(tài)分析主要采用的方法。通過(guò)有限元法，結(jié)構(gòu)被離散為有限數(shù)量的彈性結(jié)構(gòu)單元，然后通過(guò)電腦程序進(jìn)行運(yùn)算得出預(yù)估的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。數(shù)值模態(tài)分析極大地提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性［1］。

2.1 葉輪有限元模型

離心式壓縮機(jī)葉輪具有復(fù)雜的幾何形狀，只有采用三維實(shí)體單元才能更準(zhǔn)確地對(duì)葉輪的幾何形狀和變形進(jìn)行?；４宋闹羞x用具有較高精度的10節(jié)點(diǎn)四面體三維實(shí)體單元。

因有限元?；?jì)算過(guò)程復(fù)雜，全部使用軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，本文應(yīng)用solidworks軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

2.2 葉輪振動(dòng)局部化分析

葉輪振動(dòng)的基本參數(shù)為振動(dòng)頻率、振型(即模態(tài))及應(yīng)力。

2.2.1 系統(tǒng)每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)即振動(dòng)頻率，它是葉輪振動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，單位是赫茲(Hz)。所有振動(dòng)都有相應(yīng)的多階振動(dòng)頻率，振動(dòng)頻率值隨階次升高而增大。葉輪的固有振動(dòng)頻率取決于葉輪的材料、幾何形狀及邊界條件因素，它是與外界因素?zé)o關(guān)的一個(gè)數(shù)值，葉輪的材料、幾何形狀及邊界條件因素確定之后，它的固有頻率也隨之確定［2］。

2.2.2 模態(tài)是葉輪以某階頻率振動(dòng)時(shí)其各點(diǎn)振動(dòng)位移的相對(duì)關(guān)系，它與相應(yīng)的頻率共同構(gòu)成葉輪的振動(dòng)屬性。依據(jù)研究理論，振型(即模態(tài))有三種主要形式：①傘形振動(dòng)，振動(dòng)形式相對(duì)于盤的中心是對(duì)稱的，有振幅為零的質(zhì)點(diǎn)。振動(dòng)就像傘張開一樣，這又被稱為節(jié)圓振動(dòng)。②扇形振動(dòng)，葉輪振動(dòng)時(shí)，在盤面上出現(xiàn)均勻分布的一條或者數(shù)條徑向節(jié)線（即節(jié)徑），輪盤被這些節(jié)徑分成凹凸交替的多個(gè)部分。每個(gè)部分形如扇面故稱為扇形振動(dòng)，又稱節(jié)徑振動(dòng)。③復(fù)合振動(dòng)、傘形振動(dòng)和扇形振動(dòng)復(fù)合形成復(fù)合振動(dòng)。復(fù)合振動(dòng)對(duì)應(yīng)的固有頻率通常較高。

2.2.3 葉輪系統(tǒng)在振動(dòng)中位移發(fā)生變化時(shí)，由變形所形成的交變應(yīng)力就是振動(dòng)應(yīng)力。在葉輪振動(dòng)中，振動(dòng)應(yīng)力取決于交變的激振力。振動(dòng)應(yīng)力經(jīng)過(guò)足夠多次循環(huán)特別是發(fā)生共振后，葉輪局部就會(huì)發(fā)生疲勞裂紋，甚至出現(xiàn)斷裂。葉輪中故障裂紋出現(xiàn)部位與振動(dòng)應(yīng)力分布有密切關(guān)系，故而振動(dòng)應(yīng)力分布成為預(yù)估葉輪壽命的可靠依據(jù)。

研究表明，振動(dòng)局部化主要體現(xiàn)在兩層面：分別是模態(tài)局部化和振動(dòng)傳遞的局部化。模態(tài)局部化是指葉輪的振型不是遍布至整個(gè)葉輪，而是集中在較少的部位，如個(gè)別葉片進(jìn)口、某幾個(gè)葉片出口等，這個(gè)時(shí)候整體看來(lái)葉輪大部分部位振幅很小，而局部化的少數(shù)位置的振幅很大，從而振型被局部化在個(gè)別位置。振動(dòng)傳遞的局部化是指施加在葉輪上的激振力被局限在局部位置，造成振動(dòng)的能量不能傳遞至其他位置。從而，施加到葉輪的能量不易傳播釋放出去，而只是被限制在振動(dòng)源附近，形成局部劇烈振蕩，繼而導(dǎo)致葉片斷裂等。

2.3 振動(dòng)局部化計(jì)算舉例

某半開式離心葉輪

①故障現(xiàn)象：葉輪個(gè)別葉片進(jìn)口斷裂。

②葉輪主要尺寸及技術(shù)參數(shù)：直徑D=Φ370mm，葉片數(shù) Z=18，葉片厚度δ=4mm，工作轉(zhuǎn)速n=22 535r/min，材料：合金鋼，屈服極限σs=8.50×108Pa，彈性模量E=2.1×1 011Pa，泊松比μ=0.28，材料密度ρ=7 700kg/m3。

③激振力來(lái)源：進(jìn)口導(dǎo)葉導(dǎo)致的激振力的頻率f1=2 653Hz；葉輪出口氣流反彈導(dǎo)致的激振力的頻率f2=10 891Hz。

④葉輪有限元模型：對(duì)整個(gè)葉輪采用10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元離散，共32 457個(gè)節(jié)點(diǎn)，18 775個(gè)單元，其有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

圖1

圖2

⑤對(duì)葉輪進(jìn)行模態(tài)分析：應(yīng)用solidworks模態(tài)分析模塊對(duì)劃分好網(wǎng)格的葉輪進(jìn)行模態(tài)化，得出葉輪的各階振型圖，分析振型圖后發(fā)現(xiàn)，葉輪在第8階振型圖中，出現(xiàn)了局部振動(dòng)的情況且其對(duì)應(yīng)的固有頻率為2 631.3Hz，與進(jìn)口導(dǎo)葉導(dǎo)致的激振力的頻率f1=2 653Hz非常接近。振動(dòng)區(qū)域?yàn)槿~片進(jìn)口處，振型如圖2。據(jù)此我們判斷葉片斷裂與葉輪結(jié)構(gòu)振型局部化有密切關(guān)聯(lián)。

⑥故障的處理方式：在無(wú)法對(duì)葉輪葉片數(shù)、直徑等參數(shù)進(jìn)行更改的情況下，對(duì)葉輪葉片進(jìn)口的尖部進(jìn)行了切削處理，處理后壓縮機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 總結(jié)

離心壓縮機(jī)葉輪運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，不僅決定于靜強(qiáng)度分析，還決定于全面的振動(dòng)模態(tài)分析。多次分析發(fā)現(xiàn)葉輪的葉片進(jìn)口、輪蓋的進(jìn)口及出口及葉輪整個(gè)外圓口圈是整個(gè)葉輪中易發(fā)生局部化振動(dòng)的部位。振動(dòng)模態(tài)局部化理論更貼近實(shí)際情況，更準(zhǔn)確可靠，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)振動(dòng)局部化研究，有效防止了葉輪振動(dòng)疲勞破壞的發(fā)生，并成為葉輪振動(dòng)控制、故障診斷和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

［1］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［2］張錦，劉曉平.葉輪機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析理論及數(shù)值方法［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.