气流脉动引起往复压缩机管道系统振动的分析

气流脉动引起往复压缩机管道系统振动的分析摘要:管道及其支架和与之相连接的各种设备或装置构成一个复杂的机械系统,该系统产生的振动是由多种原因引起的,其中最主要原因之一是由于气流脉动引起,气流脉动激发管路作机械振动。

关键词:气流脉动压缩机振动

气流在管路中流动如没有压力和速度的波动,则气流对管路只有静力作用而无动力作用,也就不会引起振动。由于活塞式压缩机,吸、排气过程是间歇性的。使气流的压力和速度呈周期性的变化,导致管内气体呈脉动状态,致使管内气体参数不仅随位置变化,而且随时间作周期性变化,如压力、速度、密度等,这就产生了气流脉动。若将气体在管道内的流动视为一元流动,则气体各参数除和时间有关外,还与气体在管道中所处的位置有关,因此这种流动属于非定常流动。所谓气流脉动指像上述所述不仅随位置变化,而且随时间变化的现象称为气流脉动。气流压力的脉动和速度的脉动统称为气流脉动。实际上,由于气流脉动而引起施加在管道上的干扰力(如气流通过弯管或通流截面变化处),也确是压力脉动和速度脉动的共同结果.但是,在压缩机管道中,这种干扰力属于因速度脉动引起的还不到10%,因此主要是压力脉动所引起。这种脉动使得气流对管路产生激振力。在弯头、异径管、阀门和盲板等处其冲击作用尤为明显。

1 气流的压力脉动

往复压缩机的工作特点是活塞在气缸中作往复运动。因为压缩机吸气、排气的间歇性,使管道内气流呈脉动状态,由此可见压力脉动是管道产生振动的主要振源。压力随时间的变化如图1所示。

压力脉动的幅度通常以压力不均匀度δ表示,压力不均匀度是在正常情况下管路内出现的最高峰值压力与最低峰值压力的差除以平均压力所得的百分比。只要有压力不均匀度δ=存在,管道就会发生振动,压力不均匀度的表达式如下:

式中——管道平均压力(绝),[MPa];——管道内径,[mm];——脉动主频率,[Hz]。

压力脉动在管道中沿气柱(所谓气柱是指管道系统内的气体)这个弹性体以声速进行传播。同时,致使管道中的不同位置随着波峰和

波谷到达的时间不同在同一瞬间的压力是不同的。在相邻的两个弯头处,由于压力波的相位有差异,使得两处的压力瞬时值有差异,产生一个压差,这个压差乘以管道的横截面积就是一个沿管道轴向的不平衡力F,即F=A。由于和是周期性变化的,所以不平衡力F出现周期性变化,管道在这个周期性变化的不平衡力F作用下产生振动,即由不平衡力引起的振动,振动方向沿管道的轴向,振动频率等于活塞的激发频率。

脉动的气流通过弯头、异径管、控制阀、盲板等元件处,均会对管道施加集中的周期性干扰力。实际上,无论在何种情况下,只要气流方向发生变化,就会产生作用在管道上的力,使脉动气流的能量转化为管道振动的机械能。

2 气柱共振

所谓共振指对于一个具体的振动系统,存在着某种激发,在这种激发下系统产生的强烈的响应。而共振分为两类:一类是气柱共振;另一类是管道的机械共振。

管路系统内所容纳的气体称为气柱。气体像任何振动物体一样,它具有一定的质量,可以压缩、膨胀,具有一定弹性,所以气柱本身就像一个弹簧那样,在一定激发力作用下会发生振动。压缩机装在管路的始端,活塞运动时周期性的向管路吸气、排气,对管路中的气柱产生激

发力,引起气柱振动。气柱是一个连续的弹性体,在接受了激发后,就把所形成的振动能量以声速向管道远方传播。对于气柱振动系统,根据配管的情况和始端的边界条件,有着自己一系列固有频率,其中最低的频率称为一阶固有频率或基频,其次的一系列气体固有频率由低到高分别称为二阶、三阶……当往复压缩机的激发频率与某阶的气柱固有频率相重合时,则气柱系统将呈现出最大的振动响应,形成强烈的气流压力脉动,这种现象称为气柱共振。

参考文献

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