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摘要：利用有限元法计算了带有尾气透平的某型压缩机转子动力特性，现场动平衡表明了计算的正确性；分析了尾气透平对整个转子力学特性的影响，发现转子在联轴器和尾气透平处具有不平衡敏感性，经常引起机组振动超标，在自动平衡试验的基础上，采用主动平衡技术的解决方案。
关键词：离心式压缩机 尾气透平 临界转速 不平衡响应 主动平衡
中图分类号：TH452 文献标识码：B
文章编号：1006-8155（2005）05-0047-04
Abstract：Using finite element method, rotor dynamic characteristics of a centrifugal compressor with tail gas turbine are calculated, which is verified by field balance. Further investigation is done on the effect of dynamic characteristic of tail gas turbine for the compressor rotor. A unique feature is discovered that the unbalance response at the coupling and tail gas turbine is very sensitive, thus, the solving plan of auto-balancing is brought forward on the basis of auto balancing test.
Keyword: Centrifugal compressor Tail gas turbine Critical speed Unbalance response Auto-balancing
1 引言
利用生产过程中化学反应释放出大量高温高压尾气的热能和动能来降低消耗，达到降低生产成本，提高能量综合利用水平和企业效益的目的，文献[1,2]表明，采用此技术可为厂家年节省数百万元。尾气的回收处理有多种途径[1,2]，其中一种是设计空气压缩机时将尾气膨胀透平直接与压缩机连成一体，以此作为空气压缩机的辅助动力。这种方式的好处就是结构紧凑，无需专门的透平机械。缺点是对压缩机的设计要求很高，尤其应考虑到联轴器和尾透处是产生机器振动和失稳的最主要根源[3，4]。本文针对某实际空气压缩机采用的有限元方法作动力特性计算分析，计算了转子的前三阶临界转速和不平衡响应。现场动平衡和超速试验表明了计算的正确性，得出了联轴器和尾气透平处是不平衡最敏感地方，还进一步分析了其它影响因素，提出了采用主动平衡技术的解决方案。
2 转子模型的建立
图1为转子结构示意图。建立梁模型，转子总长为1730mm，总质量245.3kg支撑跨度为1190mm，分成124个节点，123个梁单元，图2为转子有限元模型图。
3 临界转速和不平衡计算
按照转轴室温下的弹性模量2.23×1011Pa，密度7.87×103 kg/m3计算。根据ISO1994平衡等级G2.5[6]，转子质量245.3kg ，计算各关键节点的单峰值见表1和表2。
3.1 临界转速计算
按照作用在进气端轴承和排气端的轴承力 [5]进行插值计算。计算结果：一阶临界转速6840r/min；二阶9990 r/min；三阶22980 r/min。从现场动平衡及超速试验可以看出前二阶分别约为7000 r/min和10000 r/min，与计算值非常吻合(见图3)，由于动平衡试验的转速小于16000 r/min，三阶无法比较。
3.2 不平衡响应计算
表1 各节点的单峰振幅 μm
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节点 |
加载2号节点 |
加载57号节点 |
加载120号节点 |
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第一峰值振幅 |
第二峰值振幅 |
第三峰值振幅 |
第一峰值振幅 |
第二峰值振幅 |
三阶峰值振幅 |
第一峰值振幅 |
第二峰值振幅 |
第三峰值振幅 |
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2 |
35.0 |
9.73 |
57.2 |
89.4 |
3.30 |
18.2 |
90.5 |
17.0 |
55.0 |
|
14 |
12.9 |
3.45 |
103 |
34.9 |
1.24 |
2.27 |
35.3 |
6.50 |
7.55 |
|
57 |
89.4 |
3.32 |
18.2 |
251 |
8.98 |
2.80 |
254 |
46.5 |
21.5 |
|
97 |
10.5 |
3.90 |
128 |
29.2 |
10.6 |
4.92 |
30.9 |
70.1 |
15.8 |
|
120 |
90.5 |
17.0 |
54.9 |
254 |
46.5 |
2.15 |
252 |
305 |
23.0 |
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注：2. 联轴器 14. 进气端轴承 57. 中间叶轮处 97. 排气端轴承 120. 尾气透平 |
表2 工作转速下的各点振幅 μm
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加载位置 |
2号节点 |
14号节点 |
57号节点 |
97号节点 |
120号节点 |
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2号节点 |
28.8 |
9.27 |
1.40 |
0.6 |
0.2 |
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57号节点 |
1.40 |
0.66 |
3.47 |
1.62 |
0.6 |
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120号节点 |
0.17 |
0.4 |
0.6 |
6.72 |
27.3 |
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注：2. 联轴器 57. 中间叶轮处 120. 尾气透平 |
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