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离心压缩机段间隔板可靠性设计
发布时间:2018.04.16
计算得到的隔板最大等效应力分布见图4,最大等效应力计算值约为734MPa,大于材料抗拉强度400MPa,不满足强度要求;隔板轴向变形分布见图5,最大轴向变形计算值约为4.2mm,不满足隔板变形要求。

1.1.2 处理方案及目前机组运行状态
  根据分析结果,将隔板空心结构更换为实心结构。经计算得到的应力和变形均满足设计要求。

表 2 隔板改为实心结构后计算结果

  机组重新安装后投料开车,运行良好。
1.2 案例二
  2009年3月,某公司氧气压缩机起火,机组被烧毁见图6。


图6 烧毁机组图
1.2.1 原因分析
  氧气压缩机机壳多为焊接形式[6] ,对不同使用场合,通过变形设计以保证内部流道可视性焊接,这就导致有的变形设计时完全没有考虑对隔板止口强度以及刚度进行核算[7-9] 。由图7可以看出,由于支撑环刚度不够,造成压缩机在异常、极端工况时隔板(止口)强度和刚度不够(比如下游管道突然坏掉,即下游压力为1kgf/cm2的情况),引起隔板与叶轮发生刮碰形成火花起火,将机组烧坏。


图7    叶轮和隔板磕碰图

1.2.2 处理方案及目前机组运行状态
  原设计为两块板,但由于没有对机壳、隔板止口进行强度和刚度校核,导致结构不合理,只有一块板承受轴向力。新设计对各种极端恶劣工况隔板、机壳止口进行强度和刚度校核计算,保证其此工况下的安全可靠性,见图7(b),新机组开车后,运行良好。
   
(a)刚度不足设计图        (b)改进后设计图
图8  改进前后对比图
2 段间隔板的可靠性设计
  由以上两个案例可以看出,若在离心压缩机设计中对隔板可靠性考虑不周,将会对机组长周期安全运转带来极大后患。
  由于隔板承受的主要载荷是压缩机运转过程中隔板两侧的工质压力差[10] ,所以应该通过计算确定在所有设计工况下,隔板都能满足强度和刚度的要求。强度方面主要是考虑隔板止口位置的应力,确保材料强度满足要求;刚度方面主要是考虑隔板的变形小于隔板与叶轮之间的预留间隙。
  目前,针对段间隔板的计算主要有两种方式,一种是基于理论公式的保守计算,另一种是基于有限元方法的三维实体仿真计算。
2.1 理论公式计算
2.1.1 镶嵌计算[11]
  图9为采用理论公式对隔板进行计算的结构尺寸选取示意图,查找图中参数对应的结构尺寸,输入到预先设计好的计算表格中,补充相关载荷信息,就会得到相应的计算输出结果,如果未能通过理论公式的计算判别,则应调整结构尺寸或者开展详细的三维有限元分析以确定最终设计方案的合理性。


图9  隔板计算参数选择图

  进行计算时,假设隔板及其止口是永久刚体,而机壳上的半圆支承环是弹性体。

图10  隔板应力分布图
其中:R为隔板外半径;r为靠近轴的内半径;Rm为隔板旋转在圆周上的平均半径,并假定机壳反作用力已产生;△为流经隔板的压差; p=Δp(πR2/2-πr2/2)为作用在半圆隔板上的负荷。
  假设半圆板的半圆周上,机壳的反作用压力随着距隔板载线上q值最大点的远近而逐点变化。
  
  求出qmax后,就应验算半圆隔板的止口。按隔板厚1cm,在与隔板轴线成45°的AB截面上,求出其承受的弯曲、扭转和剪切应力值如下。
     


图11  隔板止口参数图

  针对实际的隔板设计,隔板止口位置的应力值按照相应的特征参数乘以对应的放大系数即可得到。
2.1.2 厚度验算
  关于隔板厚度的验算是基于下述经验公式进行的,其中ψ是与隔板内孔半径和平均半径相关的特征参数,其取值可以根据图12所示曲线进行确定。

图12  隔板厚度计算系数表
2.2 有限元分析计算
  基于隔板三维模型的有限元分析判别方法是随着计算机分析技术的发展逐渐成熟起来的。分析工程师会根据设计工程师提交的初步设计方案,建立如图13所示的隔板详细三维模型,然后在有限元分析软件中进行网格划分、载荷施加、接触关系设置并完成仿真计算,如图14所示,然后针对计算结果进行应力与变形的核算,见图15,并根据核算结果决定是否进行结构优化。


图13  隔板三维几何模型图

图14  隔板有限元网格模型与载荷施加视图

图15  隔板有限元计算得到的等效应力与轴向变形分布图

  一般认为,基于完整隔板(叶盘+侧板+螺钉)的应力和变形计算是最准确的分析,随着有限元数值仿真技术的发展[11] ,数值计算的精度和效率水平不断提高[12] ,针对隔板组件的高精度三维有限元分析正在被越来越多地应用到产品设计中,发挥着越来越重要的作用。
3 结论
  根据上述案例分析可知,由于段间较大的差压导致段间隔板变形是造成高速旋转的叶轮与隔板刮碰的主要原因,这就要求在进行隔板可靠性分析时要考虑以下两点:
1) 在设计所有压缩机时都应该考虑极端异常情况下隔板和机壳强度以及刚度的校核计算,并把该项计算纳入产品评审项,以保证产品不出现隔板和机壳强度及刚度问题;
2) 若有的大机壳确实变形量过大,要通过密封结构非常规设计,保证在较大隔板变形的情况下不会与叶轮、平衡盘等转子部件刮碰,确保机组的安全可靠。
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