增压机机械振动特性分析及结构改进

张 涛

（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司， 山西 古交 030200）

引言

增压器作为天然气运输管道中的重要组成部分，其强度和效率会直接影响到整个天然气系统的工况表现[1]。天然气增压机机械振动是设备在工作时存在的一种有害现象，会对增压机的性能产生有害影响。机械振动主要是通过增加元件的应力，引起疲劳损坏，破坏设备的密封性能，损坏元件的精度，从而降低了设备的可靠性和使用寿命[2]。此外，机械振动还会造成功率浪费和噪声污染等其他问题。所以研究增压机机械振动的特性并根据振动特性提出改进意见。

1 增压机结构分析

以目前天然气运输系统中普遍使用的增压机为例进行结构分析。天然气运输系统增压机由转动设备转子、固定设备定子和中间体组成[3]。增压机定子通过两个轴承被固定在中间体，为了保证轴承的稳定性和寿命，在中间体还有对轴承进行冷却和润滑的油道。此外，还有密封装置防止冷却液和润滑油进入增压机转子和定子。

叶轮是增压机的做功元件，通过叶轮的高速旋转，增压机中的气体获得动能和速度[4]。然后通过扩压机将气体的动能转化为压力能，经弯道流向增压机的下一级元件。在蜗壳处，天然气运输系统将增压后的气体收集起来然后引导出机器，蜗壳也有降速和减压的作用。增压机的结构图如图1所示。

离心式压气机上也配置了压力调节装置，叶轮排出的气体能量决定了增压机的转速，压力调节大小也取决于增压机的转速。当转子在转速高、负荷大的工况下时，叶轮排出的气体能量高，此时增压压力较高。反之，在低转速、负荷小的工况下排出的气体能量低、增压小。

由于驱动装置导致的激励和排气管的次激励都会引起增压机外部壳体振动。这些振动可能会引起增压机元件损坏、壳体断裂或者密封面失效等。

图1 增压机结构图

2 增压机机械振动有限元分析

以天然气增压机为例，使用CAD软件完成增压机的三维建模，将其载入ANSYS软件中进行有限元分析。在ANSYS软件预处理中，通过网格划分为150 952个单元数目，含245 078个节点数位。在各个元件的螺栓连接处，节点间相互耦合，将增压机进气口法兰处的螺栓孔都固定限制移动。

利用ANSY进行增压机模态分析，一阶振动模态为增压机在中间体进出油孔轴线和转子中轴线组成的平面内的振动，增压机的一阶固有频率为172 Hz。二阶模态为增压机在进出油孔垂直轴线和转子轴线平面内的振动，二阶固有频率为210 Hz。三阶模态为增压机在进出油孔轴线和出油孔垂直轴线平面内的振动，三阶固有频率为345 Hz。将得到的固有频率数据与天然气增压机在实验室测得固有频率进行比较，得到表1所示结果。

由上表可以看出有限元模态分析和增压机实验测得固有频率在各阶上的误差都小于5%，有限元模态分析可以有效反应增压机机械振动。通过对模态云图的观察，得到以下结论：

1）在一阶模态下增压机蜗壳受到机械振动的影响较小，蜗壳没有明显的位移变化。但是增压机中间体的位移较蜗壳要明显，这时因为在整个增压机中中间体与增压机背板之间的连接是最薄弱的。此外，当背板由于机械振动发生位移时，固定在背板上的增压机执行器和蜗壳会将位移扩大，导致这些元件发生更大的位移。从模态图中可以看出，在相同的振动频率下，增压机执行器上出现了最大加速度，说明该元件在机械振动中的位移距离也最大。

2）在二阶模态下最大位移仍然发生在增压机执行器上，背板位移较第一模态振动也有所增加。但是蜗壳还是没有出现明显的位移，说明受到机械振动的影响较小。

3）在第三模态下，增压机执行器和蜗壳都发了绕转子轴线的位移，且位移距离较大。最大位移发生在执行器上，在第三模态下蜗壳也发生了一些位移。

完成模态分析后再继续对模型进行谐响应分析，通过对应力抓图的分析，发现增压机背板和中间体的连接处等效应力和第一主应力都是最高的。相比于其他位置元件，该位置的应力都是其他位置的数倍，说明在由于增压机机械振动引起的波动中，增压机背板将会受到最严重的损坏。

表1 有限元结果和实验室结果对比 Hz

3 增压机结构改进

根据上述增压机的有限元分析，得知在机械振动中增压机背板受到的损害最大，所以先对增压机的背板进行改进。为了增强增压机背板的稳定性，可以采取将背板和中间体统一铸造的方式，设计为整体式背板。在设计过程中，保证背板与执行器等其他元件之间的尺寸不发生变化。为了研究整体式背板的工况表现，也对其进行建模有限元分析，得到如表2所示的各阶固有频率数值。从表中可以看出使用整体背板后增压机各阶固有频率都显著提升，通过谐响应分析发现增压机各个元件的应力值都有所降低，元件的抗振表现都有所提高。

表2 整体背板的固有频率 Hz

此外，为了消除增压机在发动机工作时产生的共振现象，增压机的固有频率一定要大于三阶激励。根据振动理论可知，被激励元件和外界激励之间的差异不小于25%，所以还要保证增压机的固有频率大于139 Hz。这样可以有效避免由于发动机振动导致的增压机共振现象。

4 结论

1）在增压机进行工作时，增压机背板不仅受到的机械振动影响较大，受到的等效应力也远远大于其他元件，最容易受到损伤。

2）通过改变增压机固有频率可以达到减小甚至消除由驱动装置工作给增压机带来的共振影响。

3）整体式增压机背板的设计可以提高增压机的固有频率，降低响应应力，提高元件的抗振性。