計(jì)算得到的隔板最大等效應(yīng)力分布見圖4，最大等效應(yīng)力計(jì)算值約為734MPa，大于材料抗拉強(qiáng)度400MPa，不滿足強(qiáng)度要求；隔板軸向變形分布見圖5，最大軸向變形計(jì)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(jī)組運(yùn)行狀態(tài)
根據(jù)分析結(jié)果，將隔板空心結(jié)構(gòu)更換為實(shí)心結(jié)構(gòu)。經(jīng)計(jì)算得到的應(yīng)力和變形均滿足設(shè)計(jì)要求。
表 2 隔板改為實(shí)心結(jié)構(gòu)后計(jì)算結(jié)果
機(jī)組重新安裝后投料開車，運(yùn)行良好。
1.2 案例二
2009年3月，某公司氧氣壓縮機(jī)起火，機(jī)組被燒毀見圖6。
圖6 燒毀機(jī)組圖
1.2.1 原因分析
氧氣壓縮機(jī)機(jī)殼多為焊接形式[6] ，對不同使用場合，通過變形設(shè)計(jì)以保證內(nèi)部流道可視性焊接，這就導(dǎo)致有的變形設(shè)計(jì)時(shí)完全沒有考慮對隔板止口強(qiáng)度以及剛度進(jìn)行核算[7-9] 。由圖7可以看出，由于支撐環(huán)剛度不夠，造成壓縮機(jī)在異常、極端工況時(shí)隔板（止口）強(qiáng)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(fā)生刮碰形成火花起火，將機(jī)組燒壞。
圖7 葉輪和隔板磕碰圖
1.2.2 處理方案及目前機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)
原設(shè)計(jì)為兩塊板，但由于沒有對機(jī)殼、隔板止口進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不合理，只有一塊板承受軸向力。新設(shè)計(jì)對各種極端惡劣工況隔板、機(jī)殼止口進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核計(jì)算，保證其此工況下的安全可靠性，見圖7（b），新機(jī)組開車后，運(yùn)行良好。
（a）剛度不足設(shè)計(jì)圖 ?。╞）改進(jìn)后設(shè)計(jì)圖
圖８ 改進(jìn)前后對比圖
2 段間隔板的可靠性設(shè)計(jì)
由以上兩個(gè)案例可以看出，若在離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中對隔板可靠性考慮不周，將會(huì)對機(jī)組長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)帶來極大后患。
由于隔板承受的主要載荷是壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中隔板兩側(cè)的工質(zhì)壓力差[10] ，所以應(yīng)該通過計(jì)算確定在所有設(shè)計(jì)工況下，隔板都能滿足強(qiáng)度和剛度的要求。強(qiáng)度方面主要是考慮隔板止口位置的應(yīng)力，確保材料強(qiáng)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(yù)留間隙。
目前，針對段間隔板的計(jì)算主要有兩種方式，一種是基于理論公式的保守計(jì)算，另一種是基于有限元方法的三維實(shí)體仿真計(jì)算。
2.1 理論公式計(jì)算
2.1.1 鑲嵌計(jì)算[11]
圖9為采用理論公式對隔板進(jìn)行計(jì)算的結(jié)構(gòu)尺寸選取示意圖，查找圖中參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸，輸入到預(yù)先設(shè)計(jì)好的計(jì)算表格中，補(bǔ)充相關(guān)載荷信息，就會(huì)得到相應(yīng)的計(jì)算輸出結(jié)果，如果未能通過理論公式的計(jì)算判別，則應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸或者開展詳細(xì)的三維有限元分析以確定最終設(shè)計(jì)方案的合理性。
圖９ 隔板計(jì)算參數(shù)選擇圖
進(jìn)行計(jì)算時(shí)，假設(shè)隔板及其止口是永久剛體，而機(jī)殼上的半圓支承環(huán)是彈性體。
圖１０ 隔板應(yīng)力分布圖
其中：R為隔板外半徑；r為靠近軸的內(nèi)半徑；Rm為隔板旋轉(zhuǎn)在圓周上的平均半徑，并假定機(jī)殼反作用力已產(chǎn)生；△為流經(jīng)隔板的壓差； p=Δp(πR2/2-πr2/2)為作用在半圓隔板上的負(fù)荷。
假設(shè)半圓板的半圓周上，機(jī)殼的反作用壓力隨著距隔板載線上q值最大點(diǎn)的遠(yuǎn)近而逐點(diǎn)變化。
求出qmax后，就應(yīng)驗(yàn)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(zhuǎn)和剪切應(yīng)力值如下。
圖１１ 隔板止口參數(shù)圖
針對實(shí)際的隔板設(shè)計(jì)，隔板止口位置的應(yīng)力值按照相應(yīng)的特征參數(shù)乘以對應(yīng)的放大系數(shù)即可得到。
2.1.2 厚度驗(yàn)算
關(guān)于隔板厚度的驗(yàn)算是基于下述經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行的，其中ψ是與隔板內(nèi)孔半徑和平均半徑相關(guān)的特征參數(shù)，其取值可以根據(jù)圖12所示曲線進(jìn)行確定。
圖１２ 隔板厚度計(jì)算系數(shù)表
2.2 有限元分析計(jì)算
基于隔板三維模型的有限元分析判別方法是隨著計(jì)算機(jī)分析技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟起來的。分析工程師會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)工程師提交的初步設(shè)計(jì)方案，建立如圖13所示的隔板詳細(xì)三維模型，然后在有限元分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、載荷施加、接觸關(guān)系設(shè)置并完成仿真計(jì)算，如圖14所示，然后針對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力與變形的核算，見圖15，并根據(jù)核算結(jié)果決定是否進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
圖１３ 隔板三維幾何模型圖
圖１４ 隔板有限元網(wǎng)格模型與載荷施加視圖
圖１５ 隔板有限元計(jì)算得到的等效應(yīng)力與軸向變形分布圖
一般認(rèn)為，基于完整隔板（葉盤+側(cè)板+螺釘）的應(yīng)力和變形計(jì)算是最準(zhǔn)確的分析，隨著有限元數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展[11] ，數(shù)值計(jì)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(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，發(fā)揮著越來越重要的作用。
3 結(jié)論
根據(jù)上述案例分析可知，由于段間較大的差壓導(dǎo)致段間隔板變形是造成高速旋轉(zhuǎn)的葉輪與隔板刮碰的主要原因，這就要求在進(jìn)行隔板可靠性分析時(shí)要考慮以下兩點(diǎn)：
1） 在設(shè)計(jì)所有壓縮機(jī)時(shí)都應(yīng)該考慮極端異常情況下隔板和機(jī)殼強(qiáng)度以及剛度的校核計(jì)算，并把該項(xiàng)計(jì)算納入產(chǎn)品評審項(xiàng)，以保證產(chǎn)品不出現(xiàn)隔板和機(jī)殼強(qiáng)度及剛度問題；
2） 若有的大機(jī)殼確實(shí)變形量過大，要通過密封結(jié)構(gòu)非常規(guī)設(shè)計(jì)，保證在較大隔板變形的情況下不會(huì)與葉輪、平衡盤等轉(zhuǎn)子部件刮碰，確保機(jī)組的安全可靠。-
上虞風(fēng)機(jī)
