离心式压缩机基础设计与分析

张亚非

(安徽实华工程技术股份有限责任公司，安徽安庆 246002)

1 概述

离心式压缩机基础一般采用构架式，它是由底板、柱、顶板(或纵、横梁)构成的钢筋混凝土空间结构。它是一个无限自由度的空间体系，与其关联的因素很多，如基础本身质量和刚度的分布，设备质量的刚度，地基的影响，扰力的大小和相位等都对它们有不同的影响。石油化工企业的压缩机机组是由原动机和汽轮机以及其他设备组成。原动机一般为电动机和汽轮机，当原动机和压缩机的转速不同时，它们之间设有变速器［3］。原动机和压缩机都是由定子和转子两部分组成，其中转子在工作中做旋转运动，而转子的质量中心又不可能和它的旋转中心完全重合。所以，运动着的转子使机组产生运动不平衡力，即扰力，引起机组产生振动。

2 构架式基础动力计算的内容

动力计算的主要内容包括:1)基础的自振频率;2)基础的垂直振动反应;3)基础的扭转振动反应，由于在基础平面布置时，一般机组的质心和形心的偏心距要满足不应超过相应方向的3%的要求［1］，故可不做基础的扭转振动影响。构架式基础可采用多自由度计算模型进行动力分析，此时不考虑地基的弹性，混凝土结构的阻尼比取0.062 5，弹性模量取静弹性模量［2］。并取工作转速±20%范围进行扫频，即对工作转速±20%以内的自频做共振计算，并将得到的最大振幅作为计算振幅。另外，地基的弹性对构架式基础的振动有一定的影响，其影响是降低了基础的自频，这对高频的压缩机基础影响不大，故这里不考虑地基弹性的影响。混凝土材料的弹性模量对结构的自频影响较小，故也不考虑其动态弹性。现行规范对高速透平压缩机组基础是按最大振动速度进行控制的，即基础顶面的振动速度允许值为5 mm/s或速度均方根值Vmax≤3.5 mm/s［1］。如果厂家提供的是振幅要求，应转化成振动速度允许值。

3 空间多自由度计算模型

构架式压缩机基础在计算时可简化为由横梁、纵梁及柱子组成的正交结构体系。构架的结构自重、机器重均集中在若干个节点上。荷载作用下，构架各杆件均视为空间梁单元，通过柱子固定在基础底板上。集中质量法将离散的系统简化建立为多自由度计算模型，见图1。计算各质点重力时应考虑的荷载为:基础顶板重，机器重以及柱子1/2高度重量。1)顶板质量的确定，是以柱内边为准，将顶板按45°角分成若干块小面积，将每块面积的重量集中到邻近的纵横梁的质点处［1］。2)机器设备折算重力的确定，按荷载作用点与纵、横梁的距离成反比的原则集中到相应的质点上，如图2所示(参见文献［1］中附录A A.0.3)。A点所分配的重力为:WA=ξAW。其中，ξA=(1/b1)/(1/a1+1/a2+1/b1+1/b2)。3)机器扰力作用，也是按扰力作用点与纵、横梁的距离成反比的原则集中到相应的质点上。

图1 多自由度计算模型

图2 重力分配图

4 工程实例

实例概况:已建成使用的某100万t/年延迟焦化装置的离心压缩机基础，基础顶板标高 6.10 m;长9.2 m，宽4.9 m;板厚1.2 m;柱子4根;横向柱距3.7 m;纵向柱距8.0 m;柱截面0.85 m×0.85 m;混凝土C30，采用《构架式动力机器基础(FMCAD)》进行动力分析并设计基础，该透平压缩机主要工艺参数如表1所示。

表1 透平压缩机主要工艺参数

图3 荷载作用点布置图

图3中S1，S2，S3，S4为电机转子作用点，按照与纵、横梁的距离成反比的原则作用到质点上。

计算结果比较分析:FMCAD计算软件中计算振动线位移是取机器工作转速±25%范围内的最大线位移进行扫频此构架式压缩机基础，经过4柱，6柱和柱长不同的方案计算，相应的基础振动反应是变化的，见表2。

刚度分析:从表2中可以看出:顶板的质量增加，基础的自振频率增加，振动速度亦增加，而6柱方案因基础太刚，振动速度则超过允许值。基础的形式及各构件的截面大小决定了结构的刚度，从而也确定了结构的自振频率。动力基础设计必须使其自振频率远离机器的工作频率，以避开共振区。由于机器频率一般较高，结构的刚度越大，就越靠近机器频率，因而振动效应也大。所以在满足强度和稳定性的要求下，降低结构刚度，有利于避开机器的工作频率，减少共振。

表2 基础顶板振动速度计算结果

设计工作的实践证明构架式压缩机基础的截面设计极少是由强度计算控制的。规范规定满足一定的构造要求，可不进行强度验算:如顶板或刚架梁的净跨不大于4.0 m;柱截面尺寸不小于0.6 m×0.6 m;柱纵向总配筋率和混凝土强度都有最低要求标准指标。这里最重要的是基础平面布置时机组的总重心与压缩机基础平面的形心力求不偏心，当偏心不可避免时，其纵向和横向的偏心距不应超过相应方向的3%。构架式压缩机基础应进行地基强度验算，这时地基承载力要乘以动力折减系数0.8。

5 结语

构架式压缩机基础动力计算时，在满足强度和稳定性的要求下，柱截面不宜太刚，适当减少柱子的刚度，有利于减少基础顶面的振动。

［1］HG 20555-93，离心式压缩机基础设计规定［S］.

［2］GB 50040-96，动力机器基础设计规范［S］.

［3］陈加叶.石化离心式压缩机基础的设计计算［J］.石油化工建筑设计，1997(23):44-49.

［4］梁秀岩.高转速离心压缩机构架基础振动分析［J］.石油工程建设，2005(6):22-23.