基于有限元分析的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化

管綺珺

摘 要：離心式壓縮機(jī)作為一種用途廣泛的能量轉(zhuǎn)換裝置，其制冷量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、運(yùn)行平穩(wěn)以及效率高等特點(diǎn)，在許多行業(yè)中都占據(jù)了重要的地位。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，離心壓縮機(jī)的輸出冷量也越來(lái)越大，對(duì)離心式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為離心壓縮機(jī)的核心組件，對(duì)其性能的影響也是最重要的。文章以雙級(jí)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象，在研究雙級(jí)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的構(gòu)造、性能及其影響因素的基礎(chǔ)上，采用了理論分析、仿真計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法手段，對(duì)雙級(jí)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究，設(shè)計(jì)出了中央空調(diào)樣機(jī)，并且通過(guò)了相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：雙級(jí)離心壓縮機(jī)；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；動(dòng)力學(xué)；傳遞矩陣法；有限元分析

中圖分類號(hào)：TH452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）15-0023-02

目前，在實(shí)際應(yīng)用中雙級(jí)壓縮離心式中央空調(diào)會(huì)出現(xiàn)噪聲超出設(shè)計(jì)值的情況。為了解決這個(gè)問(wèn)題，決定使用有限元軟件對(duì)離心式中央空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使離心式中央空調(diào)整體性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 建模分析

ANSYS軟件是目前國(guó)際上最著名的大型通用有限元分析軟件，接下來(lái)本文將利用ANSYS軟件對(duì)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行建模并進(jìn)行有限元分析。

1.1 簡(jiǎn)化模型

在建立離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型的時(shí)候，必須對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

①將葉輪模型上一些過(guò)渡圓角和一些裝配用的圓孔去除，因?yàn)樗鼈儗?duì)計(jì)算結(jié)果的影響微乎其微。

②圓柱滾子軸承只保留內(nèi)圈結(jié)構(gòu)，因?yàn)閳A柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)特性決定了其只有內(nèi)圈會(huì)隨著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。

③將一些不必要的旋轉(zhuǎn)零件去除，例如固定用的端板、軸套等。

這樣，一方面可以使有限元分析不會(huì)復(fù)雜化，另一方面也避免了這些因素會(huì)對(duì)實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生影響，使結(jié)果產(chǎn)生異常的可能性。

1.2 網(wǎng)格劃分

在有限元分析中網(wǎng)格劃分應(yīng)遵循以下原則：

①在滿足計(jì)算精度要求的前提下，網(wǎng)格劃分不宜過(guò)細(xì)，以節(jié)省計(jì)算成本。

②重點(diǎn)關(guān)注部位、應(yīng)力集中以及幾何尺寸突變處網(wǎng)格劃分宜細(xì)化，但是最小與最大單元尺寸比值不宜過(guò)大。

③幾何、材料、載荷分界處，應(yīng)選為節(jié)點(diǎn)。

④單元邊長(zhǎng)近似相等以提高精度。

根據(jù)以上原則，離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子模型采用BEAM188、MASS21和COMBI214這3個(gè)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸段、葉輪和軸承。

1.3 參數(shù)設(shè)定

對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)施加載荷，由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是周期旋轉(zhuǎn)件，所以只有在Z方向上設(shè)定載荷，如圖1所示。

離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是依靠2個(gè)軸承支點(diǎn)來(lái)固定和支撐，因此約束施加在2個(gè)軸承支點(diǎn)上。

1.4 計(jì)算分析

由ANSYS得到坎貝爾，如圖2所示，可得到該離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的8階臨界轉(zhuǎn)速，具體數(shù)值，見(jiàn)表1。已知離心式壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為8 000 r/min。

表1中，BW代表反轉(zhuǎn)，F(xiàn)W代表正轉(zhuǎn)，第5階至第8階臨界轉(zhuǎn)速顯示NONE是因?yàn)樵贏NSYS計(jì)算前設(shè)置了最高轉(zhuǎn)速20 000 r，第5階至第8階的臨界轉(zhuǎn)速超過(guò)了20 000 r，所以顯示為NONE。另外，由于反轉(zhuǎn)的臨界轉(zhuǎn)速并不適用于本轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，所以，11 037 rpm是本離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，并且其大于工作轉(zhuǎn)速的37.9%，所以此轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還是較為合理的。

1.5 ANSYS與傳遞矩陣法計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速的比較

將ANSYS的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2，與傳統(tǒng)的傳遞矩陣法理論計(jì)算結(jié)果相比較，可以看到隨著階數(shù)升高兩種計(jì)算結(jié)果的差異性也逐漸變大。

2 優(yōu)化和改進(jìn)

2.1 提出方案

我們對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，得出離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要提出2種方案。

2.1.1 優(yōu)化方案1

對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的優(yōu)化具體如下：

①減小葉輪進(jìn)口處的端蓋前端厚度和葉輪出口處的端蓋前端厚度。

②減少主軸的重量。

③對(duì)裝配零部件進(jìn)行優(yōu)化，得到相應(yīng)的裝配精度。

2.1.2 優(yōu)化方案2

重新對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行布局，對(duì)葉輪，主軸，軸承等零部件都會(huì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠互相配合。保留原有軸承配置，只對(duì)軸承的支承位置進(jìn)行改變。

2.2 方案對(duì)比

根據(jù)有限元分析方法對(duì)以上2個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行了有限元分析，得到相應(yīng)8階臨界轉(zhuǎn)速，見(jiàn)表3、表4。

優(yōu)化方案1的臨界轉(zhuǎn)速為9 588.3 rpm，沒(méi)有達(dá)到工作轉(zhuǎn)速的120%，說(shuō)明優(yōu)化方案1在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振。究其原因，應(yīng)該是在優(yōu)化葉輪和主軸時(shí)，為了減小主軸的振動(dòng)，改變了葉輪和主軸的某些參數(shù)，而導(dǎo)致了改變了葉輪和主軸的結(jié)構(gòu)，從而降低了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，使之沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)化方案2的臨界轉(zhuǎn)速雖然超過(guò)了工作轉(zhuǎn)速的120%，但和原設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）相比有所降低。分析其原因應(yīng)該是由于對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，軸承支承位置、各個(gè)零部件結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化修改，臨界轉(zhuǎn)速受此影響而有所降低。盡管如此，優(yōu)化方案2仍然是一個(gè)比較合理的設(shè)計(jì)方案。

2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析及比較

根據(jù)ANSYS分析結(jié)果，我們選擇方案2為最終優(yōu)化方案，并制造組裝成測(cè)試機(jī)組。通過(guò)測(cè)試得出測(cè)試數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

空調(diào)工況：10 k0 V-3 ph-50 Hz。

如上表所示，噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)有了明顯的改善，并且這次的測(cè)試大部分性能指標(biāo)也都有了些許提高，但有些測(cè)試數(shù)據(jù)比原先有了些許下降（表中加黑數(shù)據(jù)），這有可能是因?yàn)闄C(jī)組制造和裝配精度的原因。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)地分析了原有轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，并建立動(dòng)力學(xué)模型。基于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及有限元基本理論，利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)雙級(jí)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，對(duì)2套不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和模擬，之后進(jìn)行了機(jī)組整機(jī)測(cè)試，得到了滿意的測(cè)試結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 舒信偉，谷傳綱，王彤，等.一種離心壓縮機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].熱能動(dòng)力工程，2008，（2）.