水力旋流器模態測試與振動特性分析

任向海，彭振華，張 園，丁 雯，李 森，徐德奎

（1.中國石化西北油田分公司 工程技術研究院，烏魯木齊830011；2.東北石油大學 機械科學與工程學院, 黑龍江 大慶163318；3.大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶163453）

在旋流分離器運行過程中，在內部介質或外界環境條件影響下，設備往往會存在不同的振動形式。振動不僅會使流經振動設備的流場產生振蕩，還會使流體設備產生潛在的安全風險。而水力旋流器需要在一個穩定的流場中才具有較高的分離性能。因此把握旋流器的振動特性有利于消除或減弱影響旋流器工作性能的不利因素，可為旋流器的設計提供基礎。

目前，人們更多是關注流體設備振動對安全可靠性的影響，在結構的安全性和可靠設計方面已取得了有價值的成果，為結構的合理運行與結構設計提供了借鑒和指導[1–2]。但針對結構振動對流場以及設備的工作性能的影響研究相對較少[3–4]。而對于一些流體設備而言，所關心的不僅是其運行的可靠性問題，更關注設備的振動特性及振動是否會對內部流場產生影響。

應用LMS測試分析系統，采用最小二乘復頻域法對水力旋流器各階模態進行參數識別，識別出水力旋流器在空管、充液和工作狀態的固有頻率和振型，分析其振動特性并確定水力旋流器的薄弱環節或潛在風險，可為相關流體機械設計提供依據。

1 模態試驗設置

模態分析對象為直徑是28 mm 的水力旋流器，尾管長度為570 mm，大錐角和小錐角分別為20°和1.5°，水力旋流器材質為有機玻璃，壁厚為5.5 mm，密度為1.18×103kg/m3，E=3×109Pa，泊松比為0.347。流體部分流動介質為水。這里認為測試結構具有連續分布的質量與彈性[5]。

測試設備使用比利時LMS 公司24 通道SCADAS Mobile 數據采集系統及相應LMS Test.Lab測試分析軟件。圖1為測試用水力旋流器實體。

圖1 水力旋流器有機玻璃材質實體結構

壓電式傳感器直接安裝在被測試旋流器上，傳感器應用PCB 公司ICP 型加速度傳感器，數據經數據采集分析儀處理后，由顯示器顯示振動波形，如圖2所示。

圖2 信號采集分析儀

2 試驗方案及測點布置

實驗中針對空管(無介質)、充液(有介質)和工作狀態(介質流動，入口有3種速度)共5種工況下水力旋流器結構的振動特性，制定具體測試方案如表1所示。

在水力旋流器上共布置10個測點，測點位置如圖3所示。

圖3 變徑圓管上測點分布

由于幾何模型在圓周對稱，將結構簡化成桿件，在同一截面位置的X軸和Y軸方向進行布點測量。

3 試驗方法

根據模態分析理論可知，要確定水力旋流器結構的振動特性，需要測量其傳遞函數。本次試驗采用單輸入單輸出方式進行測量，即使用脈沖錘（力錘）施加激振力或依靠流體對結構作用力，依次測得各點的響應。在非工作狀態(空管和充液狀態)對測試體使用力錘施加激振力，工作狀態模態的測量是依靠水力旋流器結構內流體沖擊力，然后將測得的信號經采集、處理分析，計算得出激勵點與響應點的傳遞函數。

在如圖1 所示的測試裝置中，結構的底座與地面固定，認為聯結處導納為零。用脈沖（力錘）激勵法測量時，敲擊遠離傳感器位置的其它測點，可獲得跨點傳遞函數；敲擊傳感器附近測點，可獲得原點傳遞函數，試驗時應用加速度傳感器，采用多次觸發的方法測得每點的響應，取10 次測量的平均結果，根據振動理論可知，結構的低階模態對振動響應影響較大，高階模態的影響可忽略不計。采用最小二乘復頻域法對水力旋流器各階模態進行參數識別，頻率范圍為0～500 Hz，高于500 Hz 的頻率成分已事先采用濾波器濾除，頻率分辯精度為0.5 Hz。原始時域信號如圖4 所示。圖4 為入口速度為8.17 m/s時各測點時域波形圖。模態識別狀態圖如圖5 所示。g/N分別表示頻譜的幅值和穩態圖的階次。圖中2 條曲線波峰和波谷交疊在一起，并在交匯處有一列S 和V 字母，S 表示此時極點的頻率、阻尼和向量均穩定，V 表示向量穩定，O 表示此位置存在噪聲，S和V重疊處的波谷線為虛頻曲線，波峰線是實頻曲線。圖中給出0～500 Hz 模態頻率范圍，可看出前3 階模態識別比較理想，圖中波峰波谷交疊在一起的位置就是水力旋流器變徑圓管結構的固有頻率。

表1 測試方案

圖4 原始時域信號

圖5 變徑圓管模態識別狀態圖

4 試驗結果及分析

根據實驗方案，分別測試水力旋流器結構在5種試驗工況下的模態。表2 給出了5 種實驗工況下結構的前3階固有頻率，圖6和圖7分別給出了水力旋流器結構在空管、充液以及入口流速Vin=6.82 m/s時的1階和2階振形圖。

由圖可知水力旋流器結構在各種條件下的振型基本沒有變化，同時，在1階振型中，結構在測點4和5附近結構變形幅度較大，此位置為水力旋流器結構的小錐與尾管交匯處附近，而大錐和小錐的前端運動幅度較小。

從測試結果可以看出水力旋流器的固有頻率隨著空管、充液及入口速度增加逐漸降低。結構內部充液后比空管結構1階固有頻率降低2.76 Hz，2階固有頻率降低10.25Hz，3階固有頻率降低5.99Hz。

表2 固有頻率/Hz

圖6 1階模態

圖7 2階模態

分析原因，這主要是因為內部液體的存在使結構存在附加質量，從而降低了固有頻率。同時也發現隨著入口速度增大，固有頻率略有降低，但在流速范圍內降低幅度均不大。此現象在文獻[6–7]有相關論證。分析原因，這主要是由于流體介質在流動的過程中對結構的作用力表現為作用在結構上的預應力，使結構的附加質量增加，從而降低了固有頻率。

水力旋流器工作時，結構的運動形態與振動1階振型基本一致，結合實驗可知結構的最大變形位置為小錐與尾管交匯處，這種運動變形不但會對水力旋流器的分離性能產生影響，而且也是影響設備安全穩定運行的重要因素。因此，應在工作時，采取適當的支撐裝置，改善結構的穩定性，改善流場的穩定性。

為了把握水力旋流器實際應用中振動特性，針對不銹鋼水力旋流器結構進行了振動測試分析，直接對其工作狀態，即入口速度為6.82 m/s、8.17 m/s和10.2 m/s 3 種工況進行模態試驗分析，得到固有頻率分別為70.14 Hz、66.83 Hz及54.64 Hz。不銹鋼材料結構運動變形較大位置與有機玻璃材料的基本一致。通過分析發現金屬結構在測試條件下，1階固有頻率均大于有機玻璃材料結構的1 階固有頻率。但隨著流速增大，不銹鋼材料結構的固有頻率降低幅度大于有機玻璃材料結構的固有頻率。應用時也應注意防范小錐與尾管交匯處振動過大所引起的結構和內部流場的不穩定性，設計時應采用合理的加固措施。

5 結語

對有機玻璃材料水力旋流器變徑圓管進行試驗研究，基本結論如下：

（1）水力旋流器結構在空管、充液以及3種速度工作狀態下的振型基本保持不變；

（2）水力旋流器結構的固有頻率按照空管、充液以及3 種速度工作狀態的次序依次降低，并且隨著入口速度增大，固有頻率隨之減小。

（3）水力旋流器變徑圓管結構的最大響應位置為小錐段與尾管的交匯處，是整個旋流器工作時的薄弱部位，在設計中應重點考慮。