对压缩机强度及驱动设施的研发探究

1随着国民经济的不断发展， 工艺用往复式压缩机正向大型化迈进。我国沈阳气体压缩机厂在1998年研制成功活塞推力 80吨的大型氢气压缩机组， 上海压缩机有限公司也于 2008年制造出活塞力达 100吨的压缩机， 并投入运行。随着活塞力的增大， 压缩机各部件及整体的受力状况应得到重视，比如活塞力对基础造成的影响， 惯性力及惯性力矩不平衡引起的机组振动等等。在压缩机的设计过程中， 大都只完成热力计算和动力计算。动力计算的目的在于计算压缩机中的作用力， 确定压缩机所需要的飞轮矩及各种型式压缩机惯性力、惯性力矩的平衡情况， 并根据平衡情况初步设计压缩机所需要的基础。然而现场实际运行时， 有时会出现虽然动力平衡性能良好， 但机组振动较大， 或者作为驱动机的同步电机电流波动过大， 导致停机的问题。因此， 有必要在完成压缩机的热力计算和动力计算之后， 进行曲轴的强度、曲轴轴系的扭转振动以及驱动电机电流波动的计算。基于此目的， 作者开发了主要用于曲轴强度分析、轴系扭转振动计算和驱动电机电流波动计算的软件。

2 软件介绍

2. 1 程序流程

软件主要分为 4个部分： 相关参数输入模块、动力计算数据导入模块、计算模块以及结果输出模块（界面显示及生成报告 ）。

在相关参数输入模块中， 输入各计算模块所需的必要参数， 如曲轴材料的选择、机组基本参数的输入、曲轴轴向尺寸及其它参数设定。其中， 根据实际曲轴为单拐轴 （相邻主轴颈轴承之间有 1个曲柄销 ）或双拐轴 （相邻主轴颈轴承之间有 2个曲柄销 ）， 在曲轴轴向尺寸设定界面可以进行相应的选择。

在动力计算数据导入模块中， 动力计算的结果，即各压缩机列在不同曲轴转角时的切向力、法向力、综合活塞力， 以及机组的总切向力和平均切向力数值通过此模块导入。

计算模块是软件的核心部分， 包括强度计算、扭转振动计算和电机电流波动计算。该 3部分可分别独立完成相应功能。

在结果输出模块中， 可以生成*后的完整计算报告， 包括机组的基本参数、强度计算结果、扭转振动计算结果和电机电流波动计算结果。

2. 2 主要功能

2 .2 .1 强度计算

曲轴强度计算内容主要包括单位曲拐两侧轴承支反力计算， 各校核截面所受弯矩、扭矩和轴力计算， 各个校核截面正应力和切应力， 以及由此得到的各危险截面及危险点的安全系数。使用分段法计算轴承支反力。分段法对曲轴的受力情况先作如下简化： （ 1）对于多支承曲轴， 在主轴承中点处切开成分段简支梁考虑； （ 2）连杆力集中作用在曲柄销中点处； （ 3）略去回转惯性力； （ 4）略去曲轴自重。可以查看单位曲拐受*大活塞力或*大输入转矩作用时， 各个危险截面的安全系数及相应的弯矩、扭矩以及轴力计算结果。

2. 2. 2 扭振计算石油化工行业中使用的大型活塞压缩机的功率一般超过 150 kW， 此时压缩机多由同步电动机直接驱动， 电机与压缩机间刚性连接。因此， 进行压缩机轴系的扭转振动计算时， 需要对包括同步电机转子以及电机与压缩机之间可能存在的飞轮在内的整体轴系进行计算， 若压缩机由驱动电机通过皮带轮间接驱动， 由于皮带为弹性体， 计算时可以只考虑压缩机曲轴轴系。

通过扭振计算可以得到压缩机机组的各阶固有频率， 进而得到相应的临界转速。由此， 可以校核压缩机转速是否在共振危险区域， 降低风险。

分别为参数输入和计算结果输出显示界面。在计算结果输出显示面中， 通过点击不同的标签页， 可以分别查看当量惯量及柔度、自由扭转振动以及强制扭转振动的计算结果。

2. 2 .3 电机电流波动计算

压缩机的总切向力矩由平均切向力矩和多余转矩 （或称脉动转矩 ）组成。多余转矩的存在会使直接驱动压缩机的同步电机产生电流波动， 导致电机定子绕组温度升高， 影响电机正常工作， 严重时出现停机。电机电流波动亦会引起输电网中电压的变化， 从而影响到同一电网中的其他用户。根据美国石油学会 618标准， 电机电流波动必须控制在额定值的 66%范围内。因此， 在设计压缩机过程中以及对已有压缩机进行校核分析时， 计算同步电机电流波动值就显得非常有必要。

电机电流波动计算的输入参数界面和计算结果显示界面分别所示。

3 计算实例

选择一某工艺用往复压缩机， 压缩机组机械效率为 0 92， 曲柄半径 0 160 m.通过前期热力和动力计算， 得到压缩机组平均切向力为 490000 N， 所需轴功率约 1800 kW.同步电机的相关参数。

经软件计算， 现有驱动条件下， 同步电机电流波动约 20%， 低于 66% ， 符合 API 618标准。然而即使如此， 同步驱动电机还有可能出现功率波动过大、电机温度过高的问题， 所以实际运行中允许的电流波动还需结合电机和电网因素考虑。

4 结束语

（ 1）该计算软件采用 V isual Basic6 0 开发， 界面友好， 易于操作；（ 2）国内多数压缩机厂商在设计过程中， 一般只完成热力和动力计算， 较少进行曲轴轴系扭转振动计算和配套驱动电机电流波动的计算， 该软件首次实现了这些功能；（ 3）软件为基于 W indows中文版本， 易于移植及推广， 可替代早期基于 DOS的相关软件， 将产生一定的经济效益及社会效益。