大型压缩机振动及噪音分析概述
引言
压缩机是用于压缩气体提高气体压力的机械，压缩机的用途十分广泛，遍及了工业、农业、国防、化工等各个领域。压缩机有很多种类，常用的有离心式压缩机、往复式压缩机、螺杆式压缩机等。 随着技术的发展，对压缩机的性能要求越来越高，压缩机振动噪声问题越来越引起重视。压缩机结构振动和噪声是直接影响机械性 能和使用寿命的因素，研究其动力学特性、辐射声场规律并寻求一种低振动、低噪声的现代设计方法，对于提高压缩机的机械性能、降低噪声污染等都具有广阔的工程应用及市场前景，同时还具有重要的学术意义和社会意义。 1振动和噪声的产生机理 压缩机的零部件都属于弹性零件，应用中采用多种方式连接在一起，形成内部传导力的机构。通过各种途径传递，振动以波动的形式传递到气缸体、连接轴等组成的外部承载结构，引起外表面的振动，从而向周围辐射噪声。 压缩机振动的类型可以有很多种，现在就振动的原因做论述。 1.1压缩机喘振 离心式压缩机向下游管网供气时，某种不利工况使流量明显减少，压缩机叶轮出现严重的旋转脱离，形成突变的失速。这时叶轮虽然仍在旋转，但是已经不能再提高压力，压缩机出口压力大幅度下降。由于管网缓冲容量大，管网压力不会马上降低，于是出现了管网压力反而高于压缩机出口压力的情况，管网中的气体向压缩机倒流，直到压缩机出口压力高于管网压力，倒流暂时停止。管网压力回升之后压力又大于压缩机出口压力，压缩机的排气受到阻碍，流量下降，流动气体又产生倒流。如此周期循环，压缩机出现的反常的不稳定运行工况成为压缩机的喘振。 喘振引起强烈的周期性气流噪声的同时，伴有机体的强烈振动，引起轴位移、轴温过高，轴承、密封、叶轮和转子受到损害，也会导致机组的寿命和效率大大降低。 离心压缩机的各种故障中，最经常碰到的就是振动问题，引起振动的因素很多，最重要的就是找出各种振动的特点和规律，迅速找出原因，提出相应的解决对策。 压缩机最常见的振动原因及其处理方法有： （1）转子的结构共振，机器的某些部件或组装机器本身共振。消除该原因引起的共振，根本措施是改变部件的设计，改变部件的自振频率。即使有该原因引起的振动问题，在压缩机试车期间可以发现，一旦发生用户难以自身解决，需要厂家从根本上改变设计消除隐患，而在正常生产运转过程中这种原因引起的振动不常见。 （2）操作转速接近临界转速。在这种情况下，平衡的微小变化、磨损均会造成强烈振动，解决方法是改变操作转速或通过设计调整临界转速，避开临界转速附近区域。这种原因引起的压缩机振动已经得到广大操作人员的普及，在操作过程中一般都会有意识的避开。 （3）压缩机基础不足够坚实。这种情况下，转子稍有不平衡即引起机组强烈共振，在停车阶段或由其他振源引起基础表面振幅较大。解决的根本措施是修补基础，加强土建基础的牢固性。随着压缩机应用的普及，一般都能在设计施工阶段得以有效避免。 （4）转子的不平衡。转子由于受到加工技术、杂质沉积或冲蚀作用、安装不对中等各方面的影响，使转子旋转时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，使机器产生振动。消除转子的不平衡引起的压缩机振动，根本的措施是消除压缩机转子的物理不平衡，消除引起振动的根源。 1.3管道振动引起的压缩机振动 管道系统是具有连续质量和结构固频的弹性结构系统，压缩机气流脉动产生脉动压力，脉动激振压力引起管道强迫振动响应。激振频率与结构固频接近时，脉动激振引起管道结构共振响应；激振频率与气柱固频接近时，脉动激振力引起管道气柱共振响应；激振频率同时接近结构固频和气柱固频时，结构和气柱共振产生较大管道振动。 2振动分析方法概述 早期的结构声学研究，主要致力于求解规则几何形状的结构振动的解析。但是对于大多数工程实际问题，由于压缩机结构复杂，结构振动引起的声辐射无法用解析解的形式予以解决。随着计算机和数值计算技术的飞速发展，利用各种数值方法求解压缩机的振动声辐射已经成为研究的主要方法。 2.1机体振动分析 压缩机机体振动分析可以归结为机体的动态响应分析，在分析中，机体阻尼起到重要作用，阻尼是表征物理结构内部的能量消耗特性。由于机体安装部件众多，机体的阻尼非常复杂，实际计算时候将所有阻尼简化到结构阻尼上。 机体边界条件的确定包括位移边界条件确定和力边界条件的确定。机体激励力是机体动态响应分析计算的关键因素，为了尽量真实模拟机体的振动响应，除了要有准确反映机体动态特性的有限元模型，还必须要求机体激励力尽可能模拟实际工况。 有了上述假设和简化后，可以通过有限元模态分析求解机体振动方程。使用该法模拟可以获得与实测较好的契合度的结果，但是由于模拟过程复杂以及受荷载误差、约束条件误差以及建模误差的影响，以及简化条件与实际情况的偏差，反映出一定的约束性，想要用纯理论计算模拟出所有机型的振动情况难度较大，该方法适用于机体特征容易简化的模型，采用该法模拟可以得到较好结果。 2.2部件振动分析 由于机体几何特征的复杂性以及整机模拟分析的复杂性，大多数情况下压缩机的振动分析还是由分析某关键部分着手进行，由于针对性更强往往能得到更好的结果。 2.2.1叶轮振动分析 叶轮整体的模态分析，常见的方法有两种： （1）对整个叶轮系统进行模态分析计算； 获取叶轮内孔直径、外圆直径、叶片长度、叶片质量、回转半径、叶轮转速、材料弹性模量及密度、叶轮位移约束。建立整体模型，选取合适的节点数和单元数，在振动频率范围内进行模态模态模拟计算。 （2）采用ANSYS循环对称结构的模态分析方法对叶轮的振动进行模态分析。首先需要确定基本扇区模型，然后确定循环对称面，复制与基本扇区相同的扇区，对二扇区边界条件以不同的节径进行约束，对建立的模型进行模态分析求解，最后求解结果按不同节径扩展到整个圆周范围。 模拟计算方法正确的前提下，两种模拟结果可以获得相当一致的计算结果。可以模拟叶轮不同振动形式下的振动结果，可以计算叶轮在不同节径下的临界转速。 2.2.2转子振动分析 随着压缩机设备朝着大型化的发展，压缩机转子也朝着跨度大、刚度小、外伸长度长的方向发展，这样压缩机转子的临界转速有不同程度的降低，更容易引起共振。在成熟动力学软件的基础上，通过采用梁结构，可以实现有限元法对转子进行动力学分析。通过动力学分析，可以使机组转子的动力学分析、试车测试、监测保护等工作可以有机的结合起来，使机组可以更加平稳的运行。 2.2.3管道振动分析 管道振动的研究到上世纪70年代有了突破性的进展，计算机技术的应用使得管道振动的研究进入了实用性阶段。利用计算机可以得到满足边界条件的符合要求的数值解；采用有限元分析法，把框架结构固有频率值的解析法应用于管道系统，通过与压缩机整机或者部件振动特征进行比对，可以应用所得结果进行响应分析。 管道系统主要有两种建模方式：梁模型和圆柱壳模型。在实际工程中，低频、低马赫数、细长管等，可以用梁模型代替圆柱壳模型来简化计算方程。对于空间复杂管道结构，必须采用有效的数值计算方法，常用的计算方法有：特征线法、有限元法、模态综合分析法等。 3结语 压缩机系统的噪声分析与系统的稳定运行有着直接紧密的联系，也是分析压缩机系统故障的重要着手点，所以压缩机振动及噪声分析有着重要深远的意义。同时噪声分析由于其间接性和复杂性，仅仅通过噪声分析来判断和解决压缩机运行的故障和问题，有着一定的复杂性和难度。目前对于压缩机的振动噪声分析，还没有形成完整的理论系统，这方面的研究还需要广大科研工作者做进一步深入的研究和探讨。