某型天然气发动机振动试验研究

王盘龙，曲其磊，代 伟，齐 凤，吴瑞斌，党向萍，韩云龙

（中国石油集团济柴动力有限公司，山东济南 250306）

0 引言

济柴动力有限公司研发的12 V 天然气发动机，多用于为油田钻井平台配套发电机组提供生活区用电，也可应用于社会市场为中小型发电机组提供动力。在应用于社会发电市场的时候，用户为了获取最大利润，使该型发动机长期运行于满负荷工况，此时的机械振动相对剧烈，甚至会影响机组的寿命。因此，有必要对该型天然气发动机进行振动试验研究[1]。

1 天然气发动机产生振动的原因分析

（1）发动机设计、装配和工艺等存在缺陷。一般发动机的强迫振动和自激振动多由设计缺陷造成，而装配的精度不够和工艺的粗糙也是造成机械振动异常的原因之一[1-2]。

（2）发动机在安装时存在问题。如果发动机在安装时存在底盘水平度不够、未加装减振垫造成刚性连接和配套发电机组时对中度不够等，也会造成发动机异常振动[1-2]。

（3）发动机使用不当造成的振动。在发动机运行过程中，如果使用不当也会造成发动机的异常振动。如长期满负荷运行、各缸点火不均匀、发动机过度使用、冷却和润滑系统故障等[1-3]。

2 振动测量方法和测量仪器

该型天然气发动机的相关参数见表1。其中，P标为标定功率，n标为标定转速。

表1 该型发动机概况

该型天然气发动机的振动测量及品质评定按照GB/T 7184—2008《中小功率柴油机振动测量及评级》的要求进行[2-3]。振动试验测量仪器为丹麦B＆K 4321V 加速度传感器、B＆K 2647B 信号变换器、B＆K PULSE 11.0 测试系统。振动试验测量系统如图1 所示。

3 振动试验测点布置及测量工况

3.1 振动试验测点布置及测量方向设计

针对该型发动机的型式特点，进行了振动测点布置和测量方向的设计（图2）。其中，测点1 位于发动机功率输出端的上端，测点2 位于发动机自由端的上端，测点3 位于发动机功率输出端的底部，测点4位于发动机自由端的底部[1-3]。发动机与底座刚性连接，传感器采用磁力座连接。

图1 振动实验测量系统

3.2 振动试验的测量工况设计

根据该型天然气发动机的负荷特性，对该振动试验的测量工况进行了设计，如表2所示。其中，P测为测试功率，r 为测试功率百分比。

图2 振动试验测点布置及测量方向

4 振动试验测量及计算结果

在标定转速，对该型发动机各测试功率段的振动数据进行测量，各表中数据均为加速度、速度、位移测量值的方均根值，震动频率范围为2～1000 Hz。因保密需要，本文只列出空载、50%负荷和满载时的测试数据。

表2 振动试验的测量工况设计

4.1 空载振动测量试验数据

空载振动测量试验数据，分别对X、Y 和Z 轴方向的加速度、速度、位移测量值求出方均根值，并得到振动烈度（表3）。其中，a 为加速度，v 为速度，d 为位移。

由表3 的数据可得到振动烈度等级，在X 轴水平方向，1.8 级≤振动烈度≤11 级；在Y 轴水平方向，2.8 级≤振动烈度≤11 级；Z 轴水平方向，2.8 级≤振动烈度≤11 级，均满足SY/T 5641—2019《石油天然气工业天然气发动机》标准中规定的要求[3]。

4.2 50%负荷振动测量试验数据

50%负荷振动测量试验数据，分别对X、Y和Z 轴方向的加速度、速度、位移测量值，求出方均根值，并得到振动烈度。

由表4 的数据可知，在X 轴水平方向，7.1级≤振动烈度≤11 级；在Y 轴水平方向，4.5级≤振动烈度≤18 级；Z 轴水平方向，7.1 级≤振动烈度≤18 级，均满足SY/T 5641—2019 标准中规定的要求[3]。

4.3 满载振动测量试验数据

满载振动测量试验数据，分别对X、Y 和Z轴方向的加速度、速度、位移测量值，求出方均根值，并得到振动烈度。

由表5 的数据可知，在X 轴、Y 轴和Z 轴水平方向振动烈度范围相同，11 级≤振动烈度≤18 级，均满足SY/T 5641—2009 标准中规定的要求[1-3]。

6 结论

该型天然气发动机经振动试验验证，各项振动数据均满足SY/T 5641—2019《石油天然气工业天然气发动机》标准中规定的要求。未发现影响振动的设计缺陷，正常安装后发动机运行的各监视参数均正常。

表3 P测为空载时X、Y、Z 轴振动测试数据

表4 P测为50%负荷时X、Y、Z 轴振动测试数据

表5 P测为满载时X、Y、Z 轴振动测试数据