API 688

API Rec comm mend ded P Practtice 6 688 Pulsattion and Vibra ation Co ontrol in n Positive Disp placem ment Machinery Systems S s for Pe etroleum m, Petro ochemical, an nd al Gas Industrry Services Natura FIRST EDITIION | APRIL 20 012 | 128 PAGE ES | $151.00 | PRODUCT NO. C689801

The purpose e of this docum ment is to provvide guidance on o the application of o pulsation an nd vibration co ontrol requirem ments found in the e API purchasin ng specifications for positive displacemen nt machinery. The fundamen ntals of pulsatiion and piping system s analysis are presente ed in this Part. The text beg gins with an ovverview of the fundamentals f of pulsation an nd mechanical theory in Secttion 3. The inte ent of Section 3 is to introduce terminology and define the elements off the analysis process. p Sectio on 4 begins witth a discussion of o the acousticc and mechanical modeling techniques associated witth the differentt design philosophiess, which emph hasize either pu ulsation or mechanical control, and concludes c with a discussion on o the appropriate selection of a Design Approa ach and Philossophy. Section 5 discusses the efffects of pulsa ation on the accuracy of various types of flow measu urement device es. Section 6 su ummarizes the e requirementss for documentting study resultss. Section 7 offfers guidance on the performance e of field testin ng to validate the t results of the t design proce ess and to trou ubleshoot pulssation or vibrattion problems. Finally, F methodologies for con nducting a dyn namic analysis of the t compresso or or pump valvve performancce are described in n Section 8. Th he material in this t Part is gen nerally applicable to o all types of positive p displaccement machinery. Part 2 dealss specifically with w reciprocating compressors and provide es commentaryy regarding eacch paragraph of o Clause 7.9 of o API 618, 5th h Edition. It is the t intent of th he API Subcommitttee on Mechan nical Equipmen nt that similar material be provided on re eciprocating pu umps and scre ew compressorrs in future edittions.

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Part 1: Pulsation and Vibration Control Fundamentals for Positive Displacement Machinery 1

Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2

Terms and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

3 3.1 3.2

Fundamentals of Pulsation and Mechanical Vibration Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Overview of Pulsation Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Overview of Mechanical Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Fundamentals of Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overview of Acoustic Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overview of Mechanical Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Concurrent Acoustical and Mechanical Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Design Philosophies For Varying Degrees Of Acoustic And Mechanical Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . Design Approach and Philosophy Selection Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66 66 73 73 74 76

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

Flow Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flow Measurement by Measuring Differential Pressure (DP) - Orifice Plate, Nozzle, and Venturi . . . . . Flow Measurement by Turbine Flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flow Measurement by Vortex Flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flow measurement by ultrasonic flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flow Measurement by Coriolis Flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78 78 80 80 80 81 82 82

6 6.1 6.2

Results Reporting Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Field testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Confirmation that Design Requirements Have Been Met . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vibration Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Excessive Pressure Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Premature Valve Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Driver Overload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Failure to Deliver Expected Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89 89 89 90 90 90 90

8 8.1 8.2 8.3 8.4

Valve Dynamic Performance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . The VDPA Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valve Reliability and Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application Of Analysis Results To Valve Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valve Dynamics Analysis Report. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90 90 91 91 93

Figures 1 Piston Motion and Velocity for a Slider Crank Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Single Acting Compressor Cylinder with Rod Length/Stroke = ∞ and No Valve Losses . . . . . . . . . . . . . . 5 3 Symmetrical, Double Acting Compressor Cylinder with Rod Length/Stroke = ∞ and No Valve Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 v

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4 5 6 7 9 8 10 12 11 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 47

Unsymmetrical, Double Acting Compressor Cylinder with Rod Length/Stroke = 5 and No Valve Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Traveling Wave in Infinite Length Pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Mode Shapes of Half Wave Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Mode Shapes of Quarter Wave Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Reducer with Dynamic Forces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Elbow with Dynamic Forces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Tee with Dynamic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Pulsation Suppression Device with Dynamic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Elbow with Dynamic Forces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Shaking Force for Sample Pulsation Damper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Shaking Force for Sample Pipe Lateral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Head End (HE) Pressure-Volume Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Ideal (Adiabatic) PV Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Valve Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Losses Due to Pulsation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Losses Due to Pressure Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Effect of Clearance Volume, Condition 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Effect of Clearance Volume, Condition 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Effect of Clearance Volume, Condition 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Effect of Suction Temperature, Condition 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Effect of Suction Temperature, Condition 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Effect of Suction Pressure, Condition 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Effect of Suction Pressure, Condition 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Pump Cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Pump Cavitation Field Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Components of Pump Section Head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Amplification Factor for Various Damping Ratios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Effect of Separation Margin from Mechanical Natural Frequency on Amplification Factor. . . . . . . . . . . 39 Common Piping Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Non-dimensional Piping Shaking Force Guideline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 API 618 Design Vibration Guideline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Non-dimensional Pulsation Suppression Device Shaking Force Guideline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Example of Internal Cylinder Pressure Force versus Crank Angle and Frequency Spectrum . . . . . . . . 48 Example of Rod Loads Due to Gas Force, Inertial Force and Combined Rod Load . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Conceptual Guidelines for Vent and Drain Piping Valve Supports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Conceptual Guidelines for Vent and Drain Piping Valve Supports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Conceptual Guidelines for Vent and Drain Piping Valve Supports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Frequency Factors for Idealized Pipe Spans and Bends (1st and 2nd Natural Frequencies) . . . . . . . . . 53 Frequency Factor (l) versus Ratio (L/h) for Uniform U-Bend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Concentrated Weight-Correction Factors for Ideal Piping Spans (P = Concentrated Load, W = Weight per Unit Length) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Typical Compressor Flange Deflections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Plot of a Pipe System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Typical Branch Connection Finite Element Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

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46 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63

Lowest Mode Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Example of a Partial Finite Element Model of a Compressor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typical Dynamically Fixed Clamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Example of a Hold Down Type Support with no Allowance for Thermal Displacement in the Vertical Direction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Example of a Spring Hold Down Type Support which Allows Thermal Motion in the Vertical Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allowable Shaking Forces per API 618, 5th Edition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Example of Pipe and Support Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lumped Acoustic Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analogous Electrical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Electronic Analog for One Pipe Section (Simplified Version without Flow Resistance) . . . . . . . . . . . . . Measuring Flow Expressed a Change of the Vortex Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Compressor Configuration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cylinder Nozzle Pulsation (Predicted vs. Guideline). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pulsation Suppression Device Line-Side Pulsation (Predicted vs. Guideline) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pulsation Suppression Device Shaking Force (Predicted vs. Guideline). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Compressor System Finite Element Model with Test Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typical Display of Valve Motion versus Crank Angle, Cylinder Pressure versus Volume and Analysis Results Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Tables 1 Frequency Factors for Various Pipe and Support Arrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2 Example of a Maximum Span Table for 25 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3 Effect of Pipe Support Structures on Mechanical Natural Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4 Generic Piping Shaking Force Criterion from Clause 7.9 of the 5th Edition of API 618 . . . . . . . . . . . . . . 64 5 Generic Piping Shaking Force Criterion from Clause 7.9 of the 5th Edition of API — Based on Pipe Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 Overview of Pulsation Impact on Various Flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7 Compressor Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 8 Operating Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 9 Gas Composition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 10 Lowest Mode Shape and Mechanical Natural Frequency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 11 Recommended Design Results for Cylinder Stretch Load Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 12 Expected Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

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Part 2: Reciprocating Compressors 1

General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

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Comments On API 618, 5th Edition, Clause 7.9 – Pulsation and Vibration Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

API 618 Annex M (informative) Design Approach Work Process Flowcharts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 API 618 Annex N (informative) Guideline for Compressor Gas Piping Design and Preperation for an Acoustic Simulation Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 API 618 Annex O (informative) Guidelines for Sizing Low Pass Acoustic Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 API 618 Annex P (informative) Piping and Pulsation Supression Device Shaking Force Guidelines . . . . . . . 122 Figures 618-4Piping Design Vibration at Discrete Frequencies108 M-1 Design Approach 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M-2 Design Approach 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M-3 Design Approach 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O-1 Nonsymetrical Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-1 Non-dimensional Piping Shaking Force Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-2 Non-dimensional Pulsation Supression Device Shaking Force Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-3 Shaking Forces along the Piping Axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-4 Shaking Forces along the Pulsation Supression Device Axis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-5 Examples of Shaking Force Restraints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Tables 618-6Design Approach Selection97 N-1 Compressor Data Required for Acoustic Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 P-1 Cylinder Assembly Weights Possibly Requiring Strengthening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127