張 濤
(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司, 山西 古交 030200)
增壓器作為天然氣運(yùn)輸管道中的重要組成部分,其強(qiáng)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(jī)機(jī)械振動是設(shè)備在工作時(shí)存在的一種有害現(xiàn)象,會對增壓機(jī)的性能產(chǎn)生有害影響。機(jī)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(jī)械振動還會造成功率浪費(fèi)和噪聲污染等其他問題。所以研究增壓機(jī)機(jī)械振動的特性并根據(jù)振動特性提出改進(jìn)意見。
以目前天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)中普遍使用的增壓機(jī)為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)增壓機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)入增壓機(jī)轉(zhuǎn)子和定子。
葉輪是增壓機(jī)的做功元件,通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn),增壓機(jī)中的氣體獲得動能和速度[4]。然后通過擴(kuò)壓機(jī)將氣體的動能轉(zhuǎn)化為壓力能,經(jīng)彎道流向增壓機(jī)的下一級元件。在蝸殼處,天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)將增壓后的氣體收集起來然后引導(dǎo)出機(jī)器,蝸殼也有降速和減壓的作用。增壓機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
離心式壓氣機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速,壓力調(diào)節(jié)大小也取決于增壓機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速高、負(fù)荷大的工況下時(shí),葉輪排出的氣體能量高,此時(shí)增壓壓力較高。反之,在低轉(zhuǎn)速、負(fù)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(dǎo)致的激勵和排氣管的次激勵都會引起增壓機(jī)外部殼體振動。這些振動可能會引起增壓機(jī)元件損壞、殼體斷裂或者密封面失效等。
圖1 增壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖
以天然氣增壓機(jī)為例,使用CAD軟件完成增壓機(jī)的三維建模,將其載入ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析。在ANSYS軟件預(yù)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(diǎn)數(shù)位。在各個元件的螺栓連接處,節(jié)點(diǎn)間相互耦合,將增壓機(jī)進(jìn)氣口法蘭處的螺栓孔都固定限制移動。
利用ANSY進(jìn)行增壓機(jī)模態(tài)分析,一階振動模態(tài)為增壓機(jī)在中間體進(jìn)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(jī)的一階固有頻率為172 Hz。二階模態(tài)為增壓機(jī)在進(jìn)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(jī)在進(jìn)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(jī)在實(shí)驗(yàn)室測得固有頻率進(jìn)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)機(jī)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(jī)蝸殼受到機(jī)械振動的影響較小,蝸殼沒有明顯的位移變化。但是增壓機(jī)中間體的位移較蝸殼要明顯,這時(shí)因?yàn)樵谡麄€增壓機(jī)中中間體與增壓機(jī)背板之間的連接是最薄弱的。此外,當(dāng)背板由于機(jī)械振動發(fā)生位移時(shí),固定在背板上的增壓機(jī)執(zhí)行器和蝸殼會將位移擴(kuò)大,導(dǎo)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(jī)執(zhí)行器上出現(xiàn)了最大加速度,說明該元件在機(jī)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(jī)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(jī)械振動的影響較小。
3)在第三模態(tài)下,增壓機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)機(jī)械振動引起的波動中,增壓機(jī)背板將會受到最嚴(yán)重的損壞。
表1 有限元結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果對比 Hz
根據(jù)上述增壓機(jī)的有限元分析,得知在機(jī)械振動中增壓機(jī)背板受到的損害最大,所以先對增壓機(jī)的背板進(jìn)行改進(jìn)。為了增強(qiáng)增壓機(jī)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(jì)為整體式背板。在設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)在發(fā)動機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象,增壓機(jī)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(jī)的固有頻率大于139 Hz。這樣可以有效避免由于發(fā)動機(jī)振動導(dǎo)致的增壓機(jī)共振現(xiàn)象。
1)在增壓機(jī)進(jìn)行工作時(shí),增壓機(jī)背板不僅受到的機(jī)械振動影響較大,受到的等效應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他元件,最容易受到損傷。
2)通過改變增壓機(jī)固有頻率可以達(dá)到減小甚至消除由驅(qū)動裝置工作給增壓機(jī)帶來的共振影響。
3)整體式增壓機(jī)背板的設(shè)計(jì)可以提高增壓機(jī)的固有頻率,降低響應(yīng)應(yīng)力,提高元件的抗振性。