大型壓縮機振動及噪音分析概述--摘要

  引言   壓縮機是用于壓縮氣體提高氣體壓力的機械,壓縮機的用途十分廣泛,遍及了工業、農業、國防、化工等各個領域。壓縮機有很多種類,常用的有離心式壓縮機、往復式壓縮機、螺桿式壓縮機等。   隨著技術的發展,對壓縮機的性能要求越來越高,壓縮機振動噪聲問題越來越引起重視。壓縮機結構振動和噪聲是直接影響機械性能和使用壽命的因素,研究其動力學特性、輻射聲場規律并尋求一種低振動、低噪聲的現代設計方法,對于提高壓縮機的機械性能、降低噪聲污染等都具有廣闊的工程應用及市場前景。   1振動和噪聲的產生機理   壓縮機的零部件都屬于彈性零件,應用中采用多種方式連接在一起,形成內部傳導力的機構。通過各種途徑傳遞,振動以波動的形式傳遞到氣缸體、連接軸等組成的外部承載結構,引起外表面的振動,從而向周圍輻射噪聲。   壓縮機振動的類型可以有很多種,現在就振動的原因做論述。   1.1壓縮機喘振   離心式壓縮機向下游管網供氣時,某種不利工況使流量明顯減少,壓縮機葉輪出現嚴重的旋轉脫離,形成突變的失速。這時葉輪雖然仍在旋轉,但是已經不能再提高壓力,壓縮機出口壓力大幅度下降。由于管網緩沖容量大,管網壓力不會馬上降低,于是出現了管網壓力反而高于壓縮機出口壓力的情況,管網中的氣體向壓縮機倒流,直到壓縮機出口壓力高于管網壓力,倒流暫時停止。管網壓力回升之后壓力又大于壓縮機出口壓力,壓縮機的排氣受到阻礙,流量下降,流動氣體又產生倒流。如此周期循環,壓縮機出現的反常的不穩定運行工況成為壓縮機的喘振。   喘振引起強烈的周期性氣流噪聲的同時,伴有機體的強烈振動,引起軸位移、軸溫過高,軸承、密封、葉輪和轉子受到損害,也會導致機組的壽命和效率大大降低。   1.2常見原因引起的壓縮機振動分析   離心壓縮機的各種故障中,最經常碰到的就是振動問題,引起振動的因素很多,最重要的就是找出各種振動的特點和規律,迅速找出原因,提出相應的解決對策。   壓縮機最常見的振動原因及其處理方法有:   (1)轉子的結構共振,機器的某些部件或組裝機器本身共振。消除該原因引起的共振,根本措施是改變部件的設計,改變部件的自振頻率。即使有該原因引起的振動問題,在壓縮機試車期間可以發現,一旦發生用戶難以自身解決,需要廠家從根本上改變設計消除隱患,而在正常生產運轉過程中這種原因引起的振動不常見。   (2)操作轉速接近臨界轉速。在這種情況下,平衡的微小變化、磨損均會造成強烈振動,解決方法是改變操作轉速或通過設計調整臨界轉速,避開臨界轉速附近區域。這種原因引起的壓縮機振動已經得到廣大操作人員的普及,在操作過程中一般都會有意識的避開。   (3)壓縮機基礎不足夠堅實。這種情況下,轉子稍有不平衡即引起機組強烈共振,在停車階段或由其他振源引起基礎表面振幅較大。解決的根本措施是修補基礎,加強土建基礎的牢固性。隨著壓縮機應用的普及,一般都能在設計施工階段得以有效避免。   (4)轉子的不平衡。轉子由于受到加工技術、雜質沉積或沖蝕作用、安裝不對中等各方面的影響,使轉子旋轉時形成周期性的離心力干擾,在軸承上產生動載荷,使機器產生振動。消除轉子的不平衡引起的壓縮機振動,根本的措施是消除壓縮機轉子的物理不平衡,消除引起振動的根源。   1.3管道振動引起的壓縮機振動   管道系統是具有連續質量和結構固頻的彈性結構系統,壓縮機氣流脈動產生脈動壓力,脈動激振壓力引起管道強迫振動響應。激振頻率與結構固頻接近時,脈動激振引起管道結構共振響應;激振頻率與氣柱固頻接近時,脈動激振力引起管道氣柱共振響應;激振頻率同時接近結構固頻和氣柱固頻時,結構和氣柱共振產生較大管道振動。   管道減振措施有:(1)降低氣流脈動幅度,減少脈動激振力,降低強迫振動強度。減振可采用出口緩沖容積、聲學濾波器(脈動衰減器)、大容器入口孔板等措施;(2)合理設計管道動力特性,使結構固頻和氣柱固頻避開激振頻率。   2振動分析方法概述   早期的結構聲學研究,主要致力于求解規則幾何形狀的結構振動的解析。但是對于大多數工程實際問題,由于壓縮機結構復雜,結構振動引起的聲輻射無法用解析解的形式予以解決。隨著計算機和數值計算技術的飛速發展,利用各種數值方法求解壓縮機的振動聲輻射已經成為研究的主要方法。   2.1機體振動分析   壓縮機機體振動分析可以歸結為機體的動態響應分析,在分析中,機體阻尼起到重要作用,阻尼是表征物理結構內部的能量消耗特性。由于機體安裝部件眾多,機體的阻尼非常復雜,實際計算時候將所有阻尼簡化到結構阻尼上。   機體邊界條件的確定包括位移邊界條件確定和力邊界條件的確定。機體激勵力是機體動態響應分析計算的關鍵因素,為了盡量真實模擬機體的振動響應,除了要有準確反映機體動態特性的有限元模型,還必須要求機體激勵力盡可能模擬實際工況。   有了上述假設和簡化后,可以通過有限元模態分析求解機體振動方程。使用該法模擬可以獲得與實測較好的契合度的結果,但是由于模擬過程復雜以及受荷載誤差、約束條件誤差以及建模誤差的影響,以及簡化條件與實際情況的偏差,反映出一定的約束性,想要用純理論計算模擬出所有機型的振動情況難度較大,該方法適用于機體特征容易簡化的模型,采用該法模擬可以得到較好結果。   2.2部件振動分析   由于機體幾何特征的復雜性以及整機模擬分析的復雜性,大多數情況下壓縮機的振動分析還是由分析某關鍵部分著手進行,由于針對性更強往往能得到更好的結果。   2.2.1葉輪振動分析   葉輪整體的模態分析,常見的方法有兩種:   (1)對整個葉輪系統進行模態分析計算;   獲取葉輪內孔直徑、外圓直徑、葉片長度、葉片質量、回轉半徑、葉輪轉速、材料彈性模量及密度、葉輪位移約束。建立整體模型,選取合適的節點數和單元數,在振動頻率范圍內進行模態模態模擬計算。   (2)采用循環對稱結構的模態分析方法對葉輪的振動進行模態分析。首先需要確定基本扇區模型,然后確定循環對稱面,復制與基本扇區相同的扇區,對二扇區邊界條件以不同的節徑進行約束,對建立的模型進行模態分析求解,最后求解結果按不同節徑擴展到整個圓周范圍。   模擬計算方法正確的前提下,兩種模擬結果可以獲得相當一致的計算結果。可以模擬葉輪不同振動形式下的振動結果,可以計算葉輪在不同節徑下的臨界轉速。   2.2.2轉子振動分析   隨著壓縮機設備朝著大型化的發展,壓縮機轉子也朝著跨度大、剛度小、外伸長度長的方向發展,這樣壓縮機轉子的臨界轉速有不同程度的降低,更容易引起共振。在成熟動力學軟件的基礎上,通過采用梁結構,可以實現有限元法對轉子進行動力學分析。通過動力學分析,可以使機組轉子的動力學分析、試車測試、監測保護等工作可以有機的結合起來,使機組可以更加平穩的運行。   2.2.3管道振動分析   管道振動的研究到上世紀70年代有了突破性的進展,計算機技術的應用使得管道振動的研究進入了實用性階段。利用計算機可以得到滿足邊界條件的符合要求的數值解;采用有限元分析法,把框架結構固有頻率值的解析法應用于管道系統,通過與壓縮機整機或者部件振動特征進行比對,可以應用所得結果進行響應分析。   管道系統主要有兩種建模方式:梁模型和圓柱殼模型。在實際工程中,低頻、低馬赫數、細長管等,可以用梁模型代替圓柱殼模型來簡化計算方程。對于空間復雜管道結構,必須采用有效的數值計算方法,常用的計算方法有:特征線法、有限元法、模態綜合分析法等。   3結語   壓縮機系統的噪聲分析與系統的穩定運行有著直接緊密的聯系,也是分析壓縮機系統故障的重要著手點,所以壓縮機振動及噪聲分析有著重要深遠的意義。同時噪聲分析由于其間接性和復雜性,僅僅通過噪聲分析來判斷和解決壓縮機運行的故障和問題,有著一定的復雜性和難度。目前對于壓縮機的振動噪聲分析,還沒有形成完整的理論系統,這方面的研究還需要廣大科研工作者做進一步深入的研究和探討。

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