离心压缩机水压仿真及试验研究

曹万林，刘 超，于震远

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

压缩机壳体的液压测试是压缩机组装过程的重要部分，该液压测试可以检测压缩机壳体的焊缝是否有缺陷。当机壳焊接不达标时，在高压条件下，水就会从缺陷处渗出。水压测试同时还可以检验机壳的各处强度，是否会在高压的环境下产生变形。如果有上述问题出现，需要采取必要的措施进行补救。液压模拟测试主要是在内部压力下对壳体的各个部分进行测试，比如中压法兰、中缝螺栓孔和其他部分，是通过对焊接壳体进行液压测试。随着内部压力的增加，应力和应变发生变化，分析并评估焊接套管的强度，发现缺陷和不足之处，并在以后的设计过程中加以改进。

1 有限元建模及验证

压缩机机壳结构复杂，可整体焊接铸造。外边是进出口，里面用隔板分隔成房间。为了便于有限元网格的划分，合理地简化和分割了三维模型。水压测试时，要堵住压气机进出口和高档轴孔，以保证水压测试的密封性能。上壳体和下壳体用螺栓连接。锚杆只是一种提供预紧力的部件，在水压试验模拟分析中没有引起足够的重视。把螺栓简化为圆形横梁单元。两个端子分别与上下缸相连，作用在螺栓梁上，相当于固体螺栓对上下缸的作用。机壳选用有中间节点的高次四面体单元，螺栓选用有中间节点的三维梁单元。

当有限元分析模型建立后，为了保证模型能进行合理、可靠的计算分析，必须对其适用性和真实性进行验证。对该模型进行了有限元分析，验证了其压力自平衡特性和缸模位移。压力自平衡主要检查壳体的密封性，而模态缸体移位主要检查壳体各部位的连接。利用1 MPa 的内压作用，使壳体的外支反力接近于0，并对壳体进行了模态分析，结果表明，所建立的有限元模型是有效的，其结果也是正确的。

水压试验边界条件：离心式压缩机壳体的水压试验是压缩机分析过程中的重要环节，能够检验出压气机壳体焊后各部位的抗压强度，焊缝密封度以及中间表面的气密性是否达到使用标准。在水压试验前进行有限元分析，可初步分析出壳体的强度，如分析结果发现壳体有薄弱部位，应该先对壳体薄弱部位进行结构改进，降低水压试验带来的风险。外壳在试验中要保证以下2 点：①确保外壳固定在外壳底座上而不会转动或移动；②保证外壳可自由伸缩。其约束方式按猫爪支撑方式作用于下机壳的开口表面，如图1 所示。

图1 约束方式

根据水压试验现场的不同，A 处约束X、Y、Z方向的自由度；B 处约束X、Z方向的自由度；C 处约束5.5 MPa，高压水压试验分为低压加载和高压加载两种，低压加载2.3 MPa，高压加载5.5 MPa。在预紧力为961 090 N 时，考虑了重力的影响。中间部分采用摩擦接触形式，摩擦系数取推荐值0.15。

2 水压试验的密封

在进行水压试验时，一定要确保设备的密封性，为了确保在完全封闭的环境中进行水压测试，必须将与外部连通的所有零件采用适当的密封形式密封。只有这样，液压测试的结果才能可靠、准确。我们将采用以下密封形式。

3 水压试验的方法及步骤

水平剖分机壳作水压试验之前，要对合箱分面自由间隙进行检查。首先要对试验的零件进行清洗，在壳体壁上涂抹防锈油，在接合面上加密封填料，安装压力试件。用油脂润滑螺母的底面，该油脂必须是黄油或另一种摩擦系数为0.15的油脂。使用扭矩板将密封螺栓安装在壳体上，扭矩公差为-5%～+10%。必须在远离中心线的蜗壳位置开始在水平分流器壳体中的螺栓布置顺序，然后在首次进气后沿拧紧方向转动。组合拧紧4 个螺母，然后先拧紧一侧再将另一侧中心线旋紧。对于水平剖分机壳螺栓，应分2 步进行：①使用定额扭矩60%进行紧固；②用100%定额扭矩进行紧固检查，对至少10%的螺栓进行采样检查，如果一根螺栓的扭矩超出公差范围，则必须按照规定值检查并拧紧所有螺栓。折水是在试验前按组装顺序进行的，充水时在最上部留一个未关闭的孔，将壳体型腔内全部充水，确保内部空气全部从上方孔道逸出，然后将该孔关闭。

4 离心压缩机试验过程

4.1 试验内容

在自重、螺栓预紧力和内部压力共同作用下的壳体静态应变测量和位移测量：在壳体、风管和螺栓的特定部分上贴上标记，在这些位置测量静应变、计算应力值。位移传感器用于测量轴承端部的轴向位移，法兰中间的径向和垂直位移以及顶壳表面中心的垂直位移。

4.2 具体方案

设计人员、计算人员和测试人员应根据测试目的设计合理的测量点放置计划。使用电阻应变仪测量应变，使用YHD位移传感器测量位移，并使用UCAL-10A 通用数据采集系统进行测量和记录。

4.3 试验载荷及工况

在进行机壳水压试验时，测量荷载是水压试验时的机壳内压，不用考虑机壳和水的自重荷载。机壳的正常工作压力是2.0 MPa，在水压试验中，该套必须承受2.9 MPa 以上的压力。按照实验方案，内压为0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa。数据先由低压力到高压力进行测量，再由高压力到低压力进行测量。

4.4 试验系统和试验点布置

试验采用电测量方法。数据采集系统和微机对输出信号进行采集，并对输出信号进行处理。测试结果表明：双向力和应变直角测量点分别为4 点和28 点，共测得82 片。测量10 次位移。

在测试中，总共测量了4 个点的双向应力和28 个直角应变，并且总共测量了82 个点。测量10 个位移点。

4.5 试验结果

4．5．1 试验数据

因篇幅所限，本报告未列出所有试验数据，仅选择性地列出试压成功后的一段试压数据。部分数据如表1 所示。

表1 各测点的位移测试值结果

4．5．2 实验结果分析

焊接机壳在水压试验中，对壳体结构的变形和位移进行了静态试验研究。当工作压力为1.5 倍或3.0 MPa 时，外壳的最大应力值没有超出材料的容许范围，并且没有发生永久性变形。最大测试应力在支撑轴承密封体（上）端板连接处（端板）和推轴承密封体（上）端板连接处（端板）测点上。从试验结果中可以看出，应力测点的2 个试验值的重复性很好。

5 结束语

通过测试数据的收集和分析，可以确认在测试用例的每个点上都没有发生永久变形，并且在每个点上的应力和应变都在材料可接受的范围内，以确保测试用例的静态、强度符合设计要求。同时本次实验明确了水压过程中各部位应力应变情况，并且找到最大应力部位，对于现场具有很大的指导性意义。在现场实际工作中将对最大应力部位采取加大预紧力的方法给予控制，同时对最大应力部分做设计加厚处理。本次实验将为今后压缩机的机壳设计提供资料。