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離心壓縮機段間隔板可靠性設計
發布時間:2018.04.16
計算得到的隔板最大等效應力分布見圖4,最大等效應力計算值約為734MPa,大于材料抗拉強度400MPa,不滿足強度要求;隔板軸向變形分布見圖5,最大軸向變形計算值約為4.2mm,不滿足隔板變形要求。

1.1.2 處理方案及目前機組運行狀態
  根據分析結果,將隔板空心結構更換為實心結構。經計算得到的應力和變形均滿足設計要求。

表 2 隔板改為實心結構后計算結果

  機組重新安裝后投料開車,運行良好。
1.2 案例二
  2009年3月,某公司氧氣壓縮機起火,機組被燒毀見圖6。


圖6 燒毀機組圖
1.2.1 原因分析
  氧氣壓縮機機殼多為焊接形式[6] ,對不同使用場合,通過變形設計以保證內部流道可視性焊接,這就導致有的變形設計時完全沒有考慮對隔板止口強度以及剛度進行核算[7-9] 。由圖7可以看出,由于支撐環剛度不夠,造成壓縮機在異常、極端工況時隔板(止口)強度和剛度不夠(比如下游管道突然壞掉,即下游壓力為1kgf/cm2的情況),引起隔板與葉輪發生刮碰形成火花起火,將機組燒壞。


圖7    葉輪和隔板磕碰圖

1.2.2 處理方案及目前機組運行狀態
  原設計為兩塊板,但由于沒有對機殼、隔板止口進行強度和剛度校核,導致結構不合理,只有一塊板承受軸向力。新設計對各種極端惡劣工況隔板、機殼止口進行強度和剛度校核計算,保證其此工況下的安全可靠性,見圖7(b),新機組開車后,運行良好。
   
(a)剛度不足設計圖        (b)改進后設計圖
圖8  改進前后對比圖
2 段間隔板的可靠性設計
  由以上兩個案例可以看出,若在離心壓縮機設計中對隔板可靠性考慮不周,將會對機組長周期安全運轉帶來極大后患。
  由于隔板承受的主要載荷是壓縮機運轉過程中隔板兩側的工質壓力差[10] ,所以應該通過計算確定在所有設計工況下,隔板都能滿足強度和剛度的要求。強度方面主要是考慮隔板止口位置的應力,確保材料強度滿足要求;剛度方面主要是考慮隔板的變形小于隔板與葉輪之間的預留間隙。
  目前,針對段間隔板的計算主要有兩種方式,一種是基于理論公式的保守計算,另一種是基于有限元方法的三維實體仿真計算。
2.1 理論公式計算
2.1.1 鑲嵌計算[11]
  圖9為采用理論公式對隔板進行計算的結構尺寸選取示意圖,查找圖中參數對應的結構尺寸,輸入到預先設計好的計算表格中,補充相關載荷信息,就會得到相應的計算輸出結果,如果未能通過理論公式的計算判別,則應調整結構尺寸或者開展詳細的三維有限元分析以確定最終設計方案的合理性。


圖9  隔板計算參數選擇圖

  進行計算時,假設隔板及其止口是永久剛體,而機殼上的半圓支承環是彈性體。

圖10  隔板應力分布圖
其中:R為隔板外半徑;r為靠近軸的內半徑;Rm為隔板旋轉在圓周上的平均半徑,并假定機殼反作用力已產生;△為流經隔板的壓差; p=Δp(πR2/2-πr2/2)為作用在半圓隔板上的負荷。
  假設半圓板的半圓周上,機殼的反作用壓力隨著距隔板載線上q值最大點的遠近而逐點變化。
  
  求出qmax后,就應驗算半圓隔板的止口。按隔板厚1cm,在與隔板軸線成45°的AB截面上,求出其承受的彎曲、扭轉和剪切應力值如下。
     


圖11  隔板止口參數圖

  針對實際的隔板設計,隔板止口位置的應力值按照相應的特征參數乘以對應的放大系數即可得到。
2.1.2 厚度驗算
  關于隔板厚度的驗算是基于下述經驗公式進行的,其中ψ是與隔板內孔半徑和平均半徑相關的特征參數,其取值可以根據圖12所示曲線進行確定。

圖12  隔板厚度計算系數表
2.2 有限元分析計算
  基于隔板三維模型的有限元分析判別方法是隨著計算機分析技術的發展逐漸成熟起來的。分析工程師會根據設計工程師提交的初步設計方案,建立如圖13所示的隔板詳細三維模型,然后在有限元分析軟件中進行網格劃分、載荷施加、接觸關系設置并完成仿真計算,如圖14所示,然后針對計算結果進行應力與變形的核算,見圖15,并根據核算結果決定是否進行結構優化。


圖13  隔板三維幾何模型圖

圖14  隔板有限元網格模型與載荷施加視圖

圖15  隔板有限元計算得到的等效應力與軸向變形分布圖

  一般認為,基于完整隔板(葉盤+側板+螺釘)的應力和變形計算是最準確的分析,隨著有限元數值仿真技術的發展[11] ,數值計算的精度和效率水平不斷提高[12] ,針對隔板組件的高精度三維有限元分析正在被越來越多地應用到產品設計中,發揮著越來越重要的作用。
3 結論
  根據上述案例分析可知,由于段間較大的差壓導致段間隔板變形是造成高速旋轉的葉輪與隔板刮碰的主要原因,這就要求在進行隔板可靠性分析時要考慮以下兩點:
1) 在設計所有壓縮機時都應該考慮極端異常情況下隔板和機殼強度以及剛度的校核計算,并把該項計算納入產品評審項,以保證產品不出現隔板和機殼強度及剛度問題;
2) 若有的大機殼確實變形量過大,要通過密封結構非常規設計,保證在較大隔板變形的情況下不會與葉輪、平衡盤等轉子部件刮碰,確保機組的安全可靠。
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