陳 熙，陳志成，李小靈，周清華

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

輪機與輔機

乙烯運輸船壓縮機基座設計優(yōu)化分析

陳 熙，陳志成，李小靈，周清華

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

壓縮機及驅動電機是乙烯運輸船液貨系統(tǒng)中的關鍵設備，對其實際質量和精度的要求均較高，屬于精密設備，其基座設計關系到壓縮機及驅動電機在船舶營運過程中能否正常運營，需在前期設計中予以充分考慮。針對液化乙烯運輸船的制冷壓縮機及驅動電機基座設計需求，從基座剛度需求、軸系校中需求和設備運行振動等3個方面進行分析，指出原始設計的不足并提出改進方案。通過分析對比各基座改進方案在各性能指標上的提升量，得出新改進措施的有效性，結果可用于指導實際項目的壓縮機基座結構設計工作。

船舶、艦船工程；乙烯船；壓縮機基座；設計；優(yōu)化

0 引 言

乙烯是重要的化工原料，標準大氣壓下的沸點低至-104℃。為減少乙烯液化過程中的能量消耗，乙烯運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)的關鍵設備為制冷壓縮機和驅動電機。

目前，江南造船（集團）有限責任公司的液化乙烯運輸船均采用制冷壓縮機對冷卻液進行二級循環(huán)制冷。為加快船廠搭載速度，縮短船臺船塢周期，將該設備通過鋼制框架基座與其他液貨設備及管道連接，形成液貨單元，整體吊裝［1］。但是，制冷壓縮機的安裝需滿足較高的精度要求，且壓縮機作為回轉運動機械必然會對相鄰基座結構產(chǎn)生激振力影響，因此合理的基座設計是保證制冷壓縮機正常運營的關鍵［2］。

1 系統(tǒng)參數(shù)和安裝要求

制冷壓縮機設備通常包含螺桿式制冷壓縮機、驅動電機和聯(lián)軸器（見圖1）。整個設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。制冷壓縮機自重2040kg，最大工作扭矩5922N·m；驅動電機自重3170kg，最大工作扭矩5922N·m。設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個變形量≤0.03mm/100mm。壓縮機的名義轉速約為3600r/min，其激振頻率約為60Hz。

圖1 制冷壓縮機及驅動電機基座

2 問題分析

基座作為制冷壓縮機設備的支撐結構，起到固定連接設備和船體的作用，同時還受到設備的動靜載荷和船體航行時產(chǎn)生的載荷的影響。根據(jù)該基座所受載荷的特點，設計分析方向歸為以下3點。

2.1 基座剛度

對于常規(guī)船體結構，在強度滿足要求的情況下，剛度一般無明確要求。但是對于設備基座這類對支撐構件的位移限制要求較高的結構而言，按強度條件設計的結構往往過于單薄，此時剛度條件可能起到?jīng)Q定性作用?；趯嶋H使用需求，壓縮機基座剛度的要求為：在實際運營工況下，設備2個縱向安裝位置的相對位移≤1mm/1m。

2.2 軸系校中［3］

軸系校中質量對保證設備正常運營至關重要。校中質量不好，運轉時會造成軸承迅速磨損甚至使設備損毀。軸系校中通常僅考慮設備在剛性基礎上進行校中的條件，而船體和設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 振動模態(tài)［4］

該壓縮機為雙螺桿式制冷壓縮機，與活塞式壓縮機相比無明顯的不平衡力（力矩），振動性能相對較好。但是，設備在運行過程中吸氣排氣產(chǎn)生的壓力差會對壓縮機轉子產(chǎn)生較大的沖擊力，使設備產(chǎn)生一定幅度的振動；同時，壓縮機和驅動電機因有一定的制造誤差而在轉動過程中同樣會產(chǎn)生振動，當該振動的頻率接近或達到設備基座的固有頻率時，可能會產(chǎn)生共振，對設備造成損壞。因此，合理設計設備基座需要使其振動固有頻率避開設備的激振頻率。

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

圖2 基座有限元模型

3 基座剛度分析

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

1） 由于壓縮機設備本身的剛度遠遠超過基座剛度，因此進行有限元計算時假定設備為剛體；

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

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

4） 根據(jù)基座上設備安裝點的縱向位移量計算基座的縱向變形；

5） 與基座剛度要求相比較，檢驗基座設計是否滿足要求。

圖3和圖4為基座結構變形云圖及應力云圖。

圖3 基座結構變形云圖

圖4 基座結構應力云圖

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

4 軸系對中校核

制冷壓縮機及驅動電機的軸系對中要求為：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（見圖5）。

圖5 軸系偏移示意

根據(jù)基座在船體運動情況時的變形情況，可進一步分析其對設備軸系校中的影響。有限元模型中設備本身的殼體和軸系被視為剛體，設備安裝位置的基座已由MPC單元剛性連接，因此相應位置的變形值可近似等效為設備軸系本身的變形值。

將靠近制冷壓縮機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；靠近驅動電機輸出端的編號為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，制冷壓縮機和驅動電機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）可計算出基座未經(jīng)任何加強的情況下設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)對基座采取加強措施，方案如下。

（1） 方案1：對基座結構進行相應加強，包括增加交叉支撐、縱向工字鋼和橫向肘板加強。

（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。

對以上加強方案進行對比分析，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，具體的基座加強前后變形值見表1。

表1 基座加強前后變形值

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；方案1對基座整體剛度的提升有限，可作為局部加強參考；方案1對設備軸系的橫向偏移改進效果相對較小，原因是該方案僅限制了壓縮機及驅動電機各自對應基座部位的變形，而對兩設備基座的相對變形約束較??；方案2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及驅動電機基座進行振動計算，以判斷壓縮機及驅動電機的旋轉運動是否引起基座共振，導致?lián)p壞。采用LANCZOS算法求解結構的特征值和特征向量，即自由振動固有頻率和模態(tài)［6］。前4階即出現(xiàn)典型模態(tài)振型，見圖6和圖7。

圖6 橫向振動模態(tài)

圖7 縱向振動模態(tài)

計算結果表明：壓縮機及驅動電機基座的橫向振動固有頻率為 6.9Hz，縱向振動固有頻率為 9.1Hz；由設備廠商提供的“驅動電機參數(shù)”中的啟動特性曲線圖可知，扭矩的大小與轉速無關，且名義轉速為3589r/min，其激勵頻率約為60Hz，已大大超出壓縮機及驅動電機基座的固有頻率，可排除船體結構共振問題。

6 結 語

通過計算分析可得到以下結論：

1） 基座強度滿足鋼材的屈服條件，剛度也在設備正常運行的許用范圍內，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）對制冷壓縮機和驅動電機的軸系對中影響較大，進行結構設計和加強時應重點考慮，盡量減少基座的橫向相對變形量；

3） 基座結構焊接在船體主甲板上，隨船體運動而變形，增大船體主甲板的結構剛度對改善設備軸系校中質量最為有效；

4） 改進基座結構對提高整體剛度的作用有限，若整體變形量在許用范圍內，可考慮設備局部剛度的要求進行加強；

5） 制冷壓縮機及驅動電機的轉速高，可避免其旋轉運動引起的船體結構共振損壞。

對制冷壓縮機基座設計進行了分析，所得結果可用于指導壓縮機基座設計，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）運輸船結構設計［J］. 船舶與海洋工程，2015， 31 （5）： 1-5.

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

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

［4］ 宋瑞旭，王開用. 螺桿壓縮機損壞原因分析與改進［J］. 石油化工設備，2006， 35 （4）： 77-78.

［5］ 毛亮，梅志遠，羅忠，等. 夾芯復合材料基座結構設計與強度分析［J］. 海軍工程大學學報，2008， 20 （1）： 98-102.

［6］ 姚熊亮. 船體振動［M］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，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

工信部高技術船舶科研項目（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)于天津大學船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶結構開發(fā)設計工作。