往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)分析

1、往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)分析吳剛，段權(quán)（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安710049）摘要：利用ANSYS軟件對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道、管道內(nèi)氣柱進(jìn)行建模、加載、 模態(tài)與諧響應(yīng)求解，得到管道、管道內(nèi)氣柱的各階固有頻率以及諧響應(yīng)下管道的 變形位移，從中找出管道振動(dòng)的主要原因，采取有效減振措施來控制管道的振動(dòng)。 關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；振動(dòng)；管道；ANSYSApplication of Ansys In The Analysis of Vibration of Reciprocating Compressor Outlet PipelineWU Gang , DUAN Quan（School of

2、Energy & Power Engineering, Department of Process Equipment and Control Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049,China）Abstract: By employing ansys software to build the model of reciprocating compressor outlet pipeline and gas column in the pipeline, apply the loads,and obtain the solutio

3、n of modal analysis and hamonic analysis,and reviewing the results such as natural frequencies of the pipeline and the gas column and displacements of the pipeline, the main reason for vibration can be found out. Effective measures can be worked out to put the vibration under control.Keywords compre

4、ssor;vibration;pipeline; ANSYS收稿日期：作者簡(jiǎn)介：吳剛（1981），男,陜西人，碩士研究生，主要從事設(shè)備故障診斷分 析工作往復(fù)式壓縮機(jī)具有壓力范圍廣、排氣量穩(wěn)定、效率高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國 民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。由于往復(fù)式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)，當(dāng)管道、管道內(nèi)的氣柱固有頻 率與壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)激發(fā)頻率相接近形成共振時(shí)，或者是氣流脈動(dòng)壓力不均勻度 較大時(shí)，就會(huì)引起管道的劇烈疲勞振動(dòng)，管道與其附件的連接部位易發(fā)生松動(dòng)和 破裂，威脅著裝置的安全運(yùn)行。本文將融結(jié)構(gòu)、流體、聲學(xué)分析于一體的有限元 分析軟件ANSYS應(yīng)用到某石化廠往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)分析中，找出管道 振動(dòng)的主要原因，給

5、出相應(yīng)減振措施。1.壓縮機(jī)、管道相關(guān)參數(shù)壓縮機(jī)主要介質(zhì)氮?dú)?，雙作用、轉(zhuǎn)速333r/min、出口壓力0.56Mpa。壓縮機(jī) 出口管道材質(zhì)20號(hào)鋼，管徑與管道走向示意圖見圖一。圖一管道走向示意圖2.ANYS有限元計(jì)算與振動(dòng)原因分析2.1壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)激發(fā)主頻率計(jì)算c mn 2 x 333f = 11.1Hz(1)6060式中m壓縮機(jī)作用方式，雙作用m=2； n壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速r/min2.2壓縮機(jī)出口管道內(nèi)氣柱模態(tài)分析管道內(nèi)氣柱為具有連續(xù)質(zhì)量和固有頻率的彈性氣柱振動(dòng)系統(tǒng)，氣柱在氣流脈 動(dòng)作用下產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，氣柱固有頻率與氣流脈動(dòng)激發(fā)主頻率相接近時(shí)將產(chǎn)生氣 柱共振現(xiàn)象。ANSYS建模中，管道內(nèi)氣柱選用FL

6、UID30單元。管道入口為緩沖 罐，出口為冷凝器，都視為聲學(xué)開口邊界條件。選取模態(tài)分析類型，用 Block Lanczos法算出管道內(nèi)氣柱的前6階固有頻率值，見表一。根據(jù)結(jié)果可見管道內(nèi) 氣柱的一二階固有頻率避開了壓縮機(jī)的激發(fā)主頻率的共振區(qū)。表一：管道內(nèi)氣柱的固有頻率表階次 123456f2.3 4.9 7.5 9.2 10.213.22.3壓縮機(jī)出口管道結(jié)構(gòu)模態(tài)分析管道結(jié)構(gòu)為具有連續(xù)質(zhì)量和固有頻率的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，管道結(jié)構(gòu)在氣流脈動(dòng) 作用下產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，管道結(jié)構(gòu)固有頻率與氣流脈動(dòng)激發(fā)主頻率相接近時(shí)將產(chǎn)生 管道結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。ANSYS建模中，直管選用PIPE16單元，彎頭選用PIPE18 單元，三

7、通選用PIPE18單元，閥門選用VALVE單元，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管支架約束施 加邊界條件。選取模態(tài)分析類型，用Block Lanczos法算出管道結(jié)構(gòu)的前6階固 有頻率值，見表二。根據(jù)結(jié)果可見管道結(jié)構(gòu)的一二階固有頻率避開了壓縮機(jī)的激 發(fā)主頻率的共振區(qū)。表二：管道結(jié)構(gòu)的固有頻率表階次 123456f 1.2 1.6 2.7 3.1 4.7 7.82.4氣流脈動(dòng)作用下的管道諧響應(yīng)往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)為吸排氣呈間歇性和周期性變化，激起管內(nèi)氣體呈 脈動(dòng)狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱之為氣流脈動(dòng)。實(shí)踐表明；生產(chǎn)中遇到的壓縮機(jī)裝置振動(dòng) 絕大多數(shù)是氣流脈動(dòng)引起的。脈動(dòng)的氣流，沿管道輸送遇到彎頭、異徑管、閥門、 盲板等元件時(shí)，將

8、產(chǎn)生隨時(shí)間變化的激振力，受此激振力作用，管道系統(tǒng)便產(chǎn) 生一定的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)，氣流脈動(dòng)越強(qiáng)，管道振動(dòng)的位移峰值。管道內(nèi)氣體的平均壓力p為0.56 Mpa，測(cè)得管道入口處氣體最大壓力p max為0.585 Mpa，最小壓力pmin為0.540 Mpa，則壓力不均勻度按下式計(jì)算maxmin0.585 - 0.540056=8%(2)根據(jù)原列寧格勒化工機(jī)械研究院對(duì)大型對(duì)置式壓縮機(jī)管道壓力不均勻度的 允許值，可知管道氣流脈動(dòng)壓力不均勻度值超過了 6%。管道內(nèi)壓力脈動(dòng)最大幅值A(chǔ)p按下式計(jì)算Ap =J P min20.585 - 0.5402=0.0225Mpa(3)壓力脈動(dòng)幅值作用在彎頭上會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)激振力

9、，將激振力作用在管道的有限 元模型上，從頻率值為515Hz，分100個(gè)子步對(duì)管道進(jìn)行諧響應(yīng)計(jì)算。畫出在 氣流脈動(dòng)激發(fā)頻率11.1 Hz下的管道結(jié)構(gòu)的位移變形圖，如圖二所示，管道最大 位移振幅為4.13mm。根據(jù)美國的威爾遜以及其他一些國家提出往復(fù)式壓縮機(jī)許 用雙振幅的標(biāo)準(zhǔn)，可知管道的振幅處于危險(xiǎn)值，需要采取減振措施。圖二管道位移變形圖單位mm2.5壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)主要原因分析通過以上計(jì)算分析，可知管道振動(dòng)的原因?yàn)闅饬髅}動(dòng)壓力脈動(dòng)不均勻度8% 偏大，超過了允許值；管道與管支架為線接觸，管支架只約束了管道的豎向自由 度，并沒有約束管道的橫向自由度。4減振措施針對(duì)管道振動(dòng)的主要原因，采取的減振措施

10、為壓縮機(jī)出口緩沖罐入口法蘭處 加孔板以及改進(jìn)管道管卡結(jié)構(gòu)4.1壓縮機(jī)出口緩沖罐入口法蘭處加孔板在壓縮機(jī)出口緩沖罐入口法蘭處加孔板是消除管道氣流脈動(dòng)以及管道振動(dòng) 的有效措施，經(jīng)驗(yàn)推薦的孔板孔徑比公式為d/D=0.500.43 以及 h=35 mm(4)式中d為孔板內(nèi)徑；D為管道內(nèi)徑；h為孔板厚度本例管道內(nèi)的氣流為低聲速工質(zhì)，d/D取0.48，h=4 mm。D=260mm，則d 取125 mm?？装宓牟馁|(zhì)與管道材質(zhì)相同取20號(hào)鋼，孔板內(nèi)徑邊緣處保留銳利棱 角。4.2改進(jìn)管卡結(jié)構(gòu)合理地設(shè)計(jì)管卡結(jié)構(gòu)能夠減小管道的振動(dòng)。采用防振管卡，增大管卡與管道 之間的接觸面積使管卡能夠卡緊，防振管卡采用10mm扁鋼，管卡與管道之間襯 以3mm石棉橡膠墊，限制管道的豎向位移約束和橫向位移約束，從而減小管道 的振動(dòng)。結(jié)論利用ANSYS軟件對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道、管道內(nèi)氣柱進(jìn)行建模、加載、 模態(tài)與諧響應(yīng)求解，得到管道、管道內(nèi)氣柱的各階固有頻率以及諧響應(yīng)下管道的 變形位移，分析得出氣流脈動(dòng)不均勻度偏大、管卡設(shè)計(jì)不良而非管道、管道內(nèi)氣 柱共振是管道振動(dòng)的主要原因，采取壓縮機(jī)出