葉輪與葉片擴(kuò)壓器耦合引起管路振動(dòng)分析

王胤龍 全紅飛 李慧峰 郭九梅

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110869）

一、壓縮機(jī)運(yùn)行情況

某空氣壓縮機(jī)，型號(hào)為MCO1404，結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作轉(zhuǎn)速：5 050r/min，臨界轉(zhuǎn)速：1 834/3 451/7 941r/min；電機(jī)功率：22 500kW；進(jìn)/出口壓力：0.084/0.65MPa；流量：220 000m3/h；一級(jí)葉輪（懸臂輪）葉片數(shù)：13；一級(jí)葉片擴(kuò)壓器葉片數(shù)：22。

圖1 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

該壓縮機(jī)安裝完畢，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)各項(xiàng)指標(biāo)正常，投負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)85h后，一級(jí)出口管路膨脹節(jié)發(fā)生斷裂。開始認(rèn)為是由于膨脹節(jié)存在缺陷或設(shè)計(jì)參數(shù)有偏差，委托膨脹節(jié)制造廠重新核算并加工新的膨脹節(jié)，新膨脹節(jié)連續(xù)運(yùn)行約120h后出現(xiàn)裂縫，現(xiàn)場(chǎng)用手感覺膨脹節(jié)附近管路振動(dòng)劇烈，壓縮機(jī)軸系振動(dòng)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。由于生產(chǎn)流程的需要，采取了臨時(shí)固定措以維持短時(shí)期內(nèi)氣量供應(yīng)，在此期間利用便攜式振動(dòng)分析儀對(duì)管路與壓縮機(jī)殼體進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。

二、振動(dòng)特征

利用CSI2130便攜式振動(dòng)分析儀測(cè)量壓縮機(jī)及膨脹節(jié)附近管路，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，管路振動(dòng)具有如下特征。

1.測(cè)試位置、幅值、頻率（表1）。

從表1可以看出，振動(dòng)主要表現(xiàn)為膨脹節(jié)附近管路的橫向振動(dòng)，不穩(wěn)定、時(shí)大時(shí)小；由于管路振動(dòng)沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，因此無法定性分析，直觀上感覺振動(dòng)非常劇烈；蝸殼振動(dòng)超出ISO10816振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)（11mm/s）。

表1 振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

2.振動(dòng)波形頻譜圖如圖2所示，蝸殼振動(dòng)以葉片通過頻率1 090Hz為主，有時(shí)也存在2倍或3倍的葉片通過頻率，而管路上則集中在0～20Hz，振動(dòng)波形沒有明顯的周期。

圖2 波形頻譜圖

3.一出管路出口法蘭到膨脹節(jié)位置管路溫度很高，通過探棒感覺振動(dòng)也同樣劇烈。

三、振動(dòng)分析

在排除膨脹節(jié)問題的情況下，對(duì)蝸殼振動(dòng)頻譜進(jìn)行詳細(xì)分析，CSI2130頻譜分析中羅列了振動(dòng)幅值從大到小的20個(gè)頻率，主要為葉片通過頻率及其邊頻，利用LABVIEW重新生成振動(dòng)波形，對(duì)波形細(xì)化發(fā)現(xiàn)了多源拍振現(xiàn)象，如圖3所示，拍振周期都在20Hz以內(nèi)，利用同樣方法，對(duì)一臺(tái)未發(fā)生管路振動(dòng)，但也存在葉片通過頻率的空壓機(jī)重新生成波形，沒有出現(xiàn)拍振，進(jìn)而確定了管路的振動(dòng)是由拍振引起的。

圖3 LABVIEW仿真波形

所謂拍振是指兩個(gè)頻率相近（1

表2 蝸殼振動(dòng)頻率成分

由于蝸殼處存在多源拍振，且從波形上看拍振頻率低于20Hz，蝸殼的振動(dòng)亦超出了旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)水平，因此誘發(fā)了蝸殼出口處管路的20Hz以內(nèi)的劇烈振動(dòng)，膨脹節(jié)相對(duì)薄弱，出現(xiàn)了斷裂的現(xiàn)象。

四、解決措施

根據(jù)上述分析，可以確定是由于葉輪與擴(kuò)壓器之間耦合、相互干涉引起的多源拍振，葉輪與擴(kuò)壓器的相互作用是個(gè)非常復(fù)雜的過程，可通過數(shù)值模擬得出葉輪葉片表面靜壓隨時(shí)間周期性變化，如圖4所示，葉片擴(kuò)壓器對(duì)葉輪有著一定的沖擊，當(dāng)流量減少時(shí)沖擊強(qiáng)度更大。

圖4 葉輪葉片表面靜壓隨時(shí)間變化

為了削弱葉輪與擴(kuò)壓器的相互作用，將原有擴(kuò)壓器葉片高度106.5mm改為53mm，即將全高擴(kuò)壓器改為半高擴(kuò)壓器，如圖5所示，去掉虛線橢圓所圈的黑色填充部分。在生產(chǎn)廠加工新的擴(kuò)壓器，準(zhǔn)備更換。

更換新擴(kuò)壓器后，從DCS提供的數(shù)據(jù)看壓縮機(jī)氣動(dòng)性能影響甚微，一段出口管路振動(dòng)明顯降低，運(yùn)行至今再未出現(xiàn)膨脹節(jié)斷裂現(xiàn)象。

圖5 擴(kuò)壓器改進(jìn)示意圖

五、結(jié)語

解決本管路振動(dòng)問題的關(guān)鍵是發(fā)現(xiàn)多源拍振，查根溯源進(jìn)一步確定葉輪與擴(kuò)壓器耦合作用引起，壓縮機(jī)管路振動(dòng)問題多為支撐、減振措施不當(dāng)引起，鮮有葉輪與葉片擴(kuò)壓器耦合作用引起且作用效果非常嚴(yán)重的情況，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在某些細(xì)節(jié)上已不能滿足如今離心壓縮機(jī)向著高轉(zhuǎn)速、高壓力、大流量發(fā)展的需要，進(jìn)行有效的數(shù)學(xué)計(jì)算與仿真是非常必要的。

[1]陳茉莉，李舜酩，溫衛(wèi)東等.多源拍振分析方法與試驗(yàn)[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷.2011，31（2）：202-206.

[2]李杰.葉片擴(kuò)壓器對(duì)葉輪沖擊的研究[J].大連：大連理工大學(xué).2012.