乙烯运输船压缩机基座设计优化分析

陈 熙，陈志成，李小灵，周清华

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

轮机与辅机

乙烯运输船压缩机基座设计优化分析

陈 熙，陈志成，李小灵，周清华

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

压缩机及驱动电机是乙烯运输船液货系统中的关键设备，对其实际质量和精度的要求均较高，属于精密设备，其基座设计关系到压缩机及驱动电机在船舶营运过程中能否正常运营，需在前期设计中予以充分考虑。针对液化乙烯运输船的制冷压缩机及驱动电机基座设计需求，从基座刚度需求、轴系校中需求和设备运行振动等3个方面进行分析，指出原始设计的不足并提出改进方案。通过分析对比各基座改进方案在各性能指标上的提升量，得出新改进措施的有效性，结果可用于指导实际项目的压缩机基座结构设计工作。

船舶、舰船工程；乙烯船；压缩机基座；设计；优化

0 引 言

乙烯是重要的化工原料，标准大气压下的沸点低至-104℃。为减少乙烯液化过程中的能量消耗，乙烯运输船的货物液化系统采用二级循环冷却，而二级冷却中冷却液循环的关键设备为制冷压缩机和驱动电机。

目前，江南造船（集团）有限责任公司的液化乙烯运输船均采用制冷压缩机对冷却液进行二级循环制冷。为加快船厂搭载速度，缩短船台船坞周期，将该设备通过钢制框架基座与其他液货设备及管道连接，形成液货单元，整体吊装［1］。但是，制冷压缩机的安装需满足较高的精度要求，且压缩机作为回转运动机械必然会对相邻基座结构产生激振力影响，因此合理的基座设计是保证制冷压缩机正常运营的关键［2］。

1 系统参数和安装要求

制冷压缩机设备通常包含螺杆式制冷压缩机、驱动电机和联轴器（见图1）。整个设备由工字钢组成的基座支撑，安装在船体主甲板上。基座有一定高度，便于与周围的液货管系连接。制冷压缩机自重2040kg，最大工作扭矩5922N·m；驱动电机自重3170kg，最大工作扭矩5922N·m。设备初始安装轴系对中要求为：角偏移量、径向偏移量和轴向偏移量3个变形量≤0.03mm/100mm。压缩机的名义转速约为3600r/min，其激振频率约为60Hz。

图1 制冷压缩机及驱动电机基座

2 问题分析

基座作为制冷压缩机设备的支撑结构，起到固定连接设备和船体的作用，同时还受到设备的动静载荷和船体航行时产生的载荷的影响。根据该基座所受载荷的特点，设计分析方向归为以下3点。

2.1 基座刚度

对于常规船体结构，在强度满足要求的情况下，刚度一般无明确要求。但是对于设备基座这类对支撑构件的位移限制要求较高的结构而言，按强度条件设计的结构往往过于单薄，此时刚度条件可能起到决定性作用。基于实际使用需求，压缩机基座刚度的要求为：在实际运营工况下，设备2个纵向安装位置的相对位移≤1mm/1m。

2.2 轴系校中［3］

轴系校中质量对保证设备正常运营至关重要。校中质量不好，运转时会造成轴承迅速磨损甚至使设备损毁。轴系校中通常仅考虑设备在刚性基础上进行校中的条件，而船体和设备基座本身为弹性体，因此船舶航行过程中船体和基座变形对轴系校中的影响也不可忽视。

2.3 振动模态［4］

该压缩机为双螺杆式制冷压缩机，与活塞式压缩机相比无明显的不平衡力（力矩），振动性能相对较好。但是，设备在运行过程中吸气排气产生的压力差会对压缩机转子产生较大的冲击力，使设备产生一定幅度的振动；同时，压缩机和驱动电机因有一定的制造误差而在转动过程中同样会产生振动，当该振动的频率接近或达到设备基座的固有频率时，可能会产生共振，对设备造成损坏。因此，合理设计设备基座需要使其振动固有频率避开设备的激振频率。

根据以上设备资料和精度要求，利用通用有限元分析软件Patran和Nastran对基座的刚度、轴系校中及振动模态进行计算分析。有限元模型见图2。

图2 基座有限元模型

3 基座刚度分析

考虑设备重力、设备工作载荷和船体加速度的影响，通过有限元计算和数据分析得出设备安装基座面板的变形，从而判断基座刚度是否满足设备安装的刚度需求［5］。计算方法为：

1） 由于压缩机设备本身的刚度远远超过基座刚度，因此进行有限元计算时假定设备为刚体；

2） 建立多点约束（Multi-Point Constraints，MPC）单元，将基座安装面板与设备质心刚性连接；

3） 外部载荷（包括设备重力、工作扭矩和船体在设备处的加速度）根据设备实际运营工况加载在设备的质心位置；

4） 根据基座上设备安装点的纵向位移量计算基座的纵向变形；

5） 与基座刚度要求相比较，检验基座设计是否满足要求。

图3和图4为基座结构变形云图及应力云图。

图3 基座结构变形云图

图4 基座结构应力云图

由计算结果可知，基座在压缩机自重与船体加速度共同作用下的应力最大值为71.4MPa，远小于钢材的屈服强度 235MPa，因此设备基座的强度在该问题中并非决定性因素；基座的变形最大值为 3.67mm，两设备安装垫片位置的纵向相对变形量为0.133mm/1m，同样满足设备厂商对基座的刚度要求。

4 轴系对中校核

制冷压缩机及驱动电机的轴系对中要求为：角偏移量ΔL100、径向偏移量ΔH100和轴向偏移量Δd100均在0.03mm/100mm以内（见图5）。

图5 轴系偏移示意

根据基座在船体运动情况时的变形情况，可进一步分析其对设备轴系校中的影响。有限元模型中设备本身的壳体和轴系被视为刚体，设备安装位置的基座已由MPC单元刚性连接，因此相应位置的变形值可近似等效为设备轴系本身的变形值。

将靠近制冷压缩机自由端的基座安装螺栓孔位置编号为 1，靠近输入端的编号为 2；靠近驱动电机输出端的编号为3，靠近自由端的编号为4。位置1与位置2的纵向距离为 LC，位置3与位置4的纵向距离为 LM，位置2与位置3的纵向距离为 LS，位置1的x向变形量为Δx1，位置2的y向变形量为Δy2，其他以此类推。

根据以上假设，制冷压缩机和驱动电机的轴系各方向偏移量可由以下等式求得。

1） 垂直于z平面的轴系每100mm长度上的角度偏移量为

2） 轴系每100mm长度上的径向偏移量为

3） 轴系每100mm长度上的轴向偏移量为

由式（1）～式（3）可计算出基座未经任何加强的情况下设备轴系的径向偏移量 ΔH100的值为 0.1026mm/ 100mm，超过了轴系对中的许用值，不能满足轴系对中的要求。为改善该状况，后续对基座采取加强措施，方案如下。

（1） 方案1：对基座结构进行相应加强，包括增加交叉支撑、纵向工字钢和横向肘板加强。

（2） 方案2：将基座下船体主甲板下的球扁钢纵骨替换为T型材。

对以上加强方案进行对比分析，得出方案1仍然无法满足轴系对中要求，而方案2满足要求，具体的基座加强前后变形值见表1。

表1 基座加强前后变形值

由表1可知：最大偏移量发生在径向上，其他方向上的偏移量均在许用范围内；方案1对基座整体刚度的提升有限，可作为局部加强参考；方案1对设备轴系的横向偏移改进效果相对较小，原因是该方案仅限制了压缩机及驱动电机各自对应基座部位的变形，而对两设备基座的相对变形约束较小；方案2对基座整体刚度的提升较大，平均变形缩减比例超过70%，改进之后径向偏移量满足对中要求。

5 基座模态分析

采用有限元分析方法对压缩机及驱动电机基座进行振动计算，以判断压缩机及驱动电机的旋转运动是否引起基座共振，导致损坏。采用LANCZOS算法求解结构的特征值和特征向量，即自由振动固有频率和模态［6］。前4阶即出现典型模态振型，见图6和图7。

图6 横向振动模态

图7 纵向振动模态

计算结果表明：压缩机及驱动电机基座的横向振动固有频率为 6.9Hz，纵向振动固有频率为 9.1Hz；由设备厂商提供的“驱动电机参数”中的启动特性曲线图可知，扭矩的大小与转速无关，且名义转速为3589r/min，其激励频率约为60Hz，已大大超出压缩机及驱动电机基座的固有频率，可排除船体结构共振问题。

6 结 语

通过计算分析可得到以下结论：

1） 基座强度满足钢材的屈服条件，刚度也在设备正常运行的许用范围内，两者在该问题中为非决定性因素；

2） 基座的横向变形（角偏移和径向偏移）对制冷压缩机和驱动电机的轴系对中影响较大，进行结构设计和加强时应重点考虑，尽量减少基座的横向相对变形量；

3） 基座结构焊接在船体主甲板上，随船体运动而变形，增大船体主甲板的结构刚度对改善设备轴系校中质量最为有效；

4） 改进基座结构对提高整体刚度的作用有限，若整体变形量在许用范围内，可考虑设备局部刚度的要求进行加强；

5） 制冷压缩机及驱动电机的转速高，可避免其旋转运动引起的船体结构共振损坏。

对制冷压缩机基座设计进行了分析，所得结果可用于指导压缩机基座设计，对类似工作有重要的参考作用。

［1］ 郑凡，李小灵，郑雷. 21000m3乙烯（LEG）运输船结构设计［J］. 船舶与海洋工程，2015， 31 （5）： 1-5.

［2］ 陈文卿，沈九兵，邢子文. 国内螺杆式制冷压缩机行业现状与发展趋势［J］. 制冷与空调，2012， 12 （2）： 90-94.

［3］ 耿厚才. 船舶轴系的动态校中计算［J］. 中国造船，2006， 47 （3）： 51-56.

［4］ 宋瑞旭，王开用. 螺杆压缩机损坏原因分析与改进［J］. 石油化工设备，2006， 35 （4）： 77-78.

［5］ 毛亮，梅志远，罗忠，等. 夹芯复合材料基座结构设计与强度分析［J］. 海军工程大学学报，2008， 20 （1）： 98-102.

［6］ 姚熊亮. 船体振动［M］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2008.

Analysis on the Optimization of Compressor Foundation Design for Liquefied Ethylene Carrier

CHEN Xi，CHEN Zhi-cheng，LI Xiao-ling，ZHOU Qing-hua
（Jiangnan Shipyard （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China）

Compressor and motor are the critical equipment of the cargo handling system on Liquefied Ethylene Carriers（LEGC）. Their precision must comply with the strict requirements of quality and accuracy. As the foundation plays a crucial role in the operation of the compressor， the design of the foundation should be taken into carefully consideration in the early design stage. In accordance with the design requirements of the foundation of LEGC refrigeration compressor and motors， the defects of the original design were pointed out and the improvements were made on the basis of the analyses on the requirements of foundation stiffness， shafting alignment and equipment vibration. The effectiveness of the new design is proven when the performance improvement of the enhanced foundation designs was analyzed and compared， which could provide guidance for the compressor foundation structure design in practical projects.

ship and naval architecture； LEGC； compressor foundation； design； optimization

U674.13+3.3

A

2095-4069 （2016） 05-0045-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.009

2016-01-08

工信部高技术船舶科研项目（工信部联装［2013］412号）

陈熙，男，助理工程师，1988年生。2011年7月毕业于天津大学船舶与海洋工程专业，现从事船舶结构开发设计工作。