某新型高速渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性分析

溥江 張秀華 蘇亞鋒 姚宏

摘要：作為第三代主流壓縮機(jī)的渦旋壓縮機(jī)，因其轉(zhuǎn)子為偏心結(jié)構(gòu)，在受到動(dòng)渦旋盤(pán)偏心回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力作用下導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)加劇，使其一般只能在低于7 000 RPM的轉(zhuǎn)速下正常工作，極大制約了系統(tǒng)效率的提升。為此，對(duì)正在研發(fā)的最高工作轉(zhuǎn)速為12 000 RPM的渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力特性研究?；诘刃ЯW(xué)模型及動(dòng)平衡方程，確定平衡塊的質(zhì)量及位置，由坎貝爾圖、各轉(zhuǎn)速下渦動(dòng)頻率及振型云圖得知，在0～12 000 RPM轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生共振，且運(yùn)行平穩(wěn)。證明該系統(tǒng)的工作效率可通過(guò)提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這也為偏心結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一理論參考。

關(guān)鍵詞：渦旋壓縮機(jī);動(dòng)力特性;坎貝爾圖;渦動(dòng)頻率;共振

中圖分類號(hào)：TH16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

作為第三代主流壓縮機(jī)的渦旋壓縮機(jī)，因其微振低噪、結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)[1-5]，得到廣泛應(yīng)用。由于其轉(zhuǎn)子為偏心結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致系統(tǒng)目前正常工作轉(zhuǎn)速均低于7 000 RPM，極大地限制了系統(tǒng)效率的提高[6-9]。由壓縮機(jī)制冷量與轉(zhuǎn)速近似線性關(guān)系可知，系統(tǒng)工作效率的提升可由工作轉(zhuǎn)速的提高得到。為此，就一最高工作轉(zhuǎn)速為12 000 RPM、制冷量為8 000 W的新型渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于轉(zhuǎn)子等效力學(xué)模型及動(dòng)平衡方程，對(duì)其臨界轉(zhuǎn)速、不同轉(zhuǎn)速下的渦動(dòng)頻率、坎貝爾圖及各階模態(tài)振型云圖進(jìn)行分析，為渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)平衡設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供一定理論參考。

1渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

渦旋壓縮機(jī)是一借助容積變化實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的流體機(jī)械裝置[10]，作為其核心部件的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作過(guò)程為：主軸在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)動(dòng)渦旋盤(pán)繞靜渦旋盤(pán)旋轉(zhuǎn)，從而形成若干對(duì)封閉的月牙形容腔，通過(guò)這些容腔的擴(kuò)大/縮小，完成整機(jī)的吸氣、壓縮及排氣過(guò)程。

2轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等效力學(xué)模型

對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡，是有效降低整機(jī)振動(dòng)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率、壽命的舉措之一[11，12]，該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)平衡等效力學(xué)模型如圖2所示。

轉(zhuǎn)子受到的力：偏心軸、動(dòng)渦旋盤(pán)及動(dòng)渦旋盤(pán)軸承三者產(chǎn)生的離心慣性力F1，主、副軸承的支反力F2、F4，電機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)小平衡塊的離心慣性力F3、F6，偏心套的離心慣性力F5，電機(jī)轉(zhuǎn)子的自重G。

3渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析與臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

3.1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元分析模型的建立

3.2模態(tài)分析求解設(shè)置與臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

（1）網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分如圖4所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)45 486，網(wǎng)格單元12 786。

（2）邊界條件與載荷

電機(jī)轉(zhuǎn)子與曲軸為過(guò)盈配合，設(shè)置電機(jī)與曲軸為綁定約束;動(dòng)渦旋旋盤(pán)與動(dòng)渦旋軸承作為集中質(zhì)量點(diǎn)添加到動(dòng)渦旋盤(pán)軸承內(nèi)圈直接接觸的表面;添加主、副軸承的約束，并在其內(nèi)圈接觸的內(nèi)表面分別設(shè)置遠(yuǎn)端位移約束，限制其繞Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)及沿X軸向移動(dòng);添加旋轉(zhuǎn)速度并考慮陀螺效應(yīng)影響，設(shè)置轉(zhuǎn)速0～12 000 rpm，設(shè)置后的模型如圖5所示。

（3）臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)某一轉(zhuǎn)速的頻率與其固有頻率相等，會(huì)引起劇烈振動(dòng)[13]。提取該轉(zhuǎn)子前六階擴(kuò)展模態(tài)，從圖6所示的坎貝爾圖中可知，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在0 rpm～12 000 rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)渦動(dòng)線與各階模態(tài)頻率線沒(méi)有產(chǎn)生交點(diǎn)，表明轉(zhuǎn)子系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生共振。

由表2所示的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速與不同轉(zhuǎn)速下的渦動(dòng)頻率關(guān)系可以看出，各轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子渦動(dòng)特性基本一致，且前6階渦動(dòng)方向按前后交替呈現(xiàn)，但前渦動(dòng)將增加轉(zhuǎn)子剛性，更易激發(fā)振動(dòng)。

4結(jié)論

（1）根據(jù)渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行工況，建立其等效力學(xué)模型及動(dòng)平衡方程，為同類型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和動(dòng)平衡分析提供理論依據(jù);

（2）該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析和臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)精確的平衡設(shè)計(jì)后，在高速工況下，不會(huì)產(chǎn)生共振;通過(guò)提高曲軸轉(zhuǎn)速來(lái)提升渦旋壓縮機(jī)制冷量的途徑是可行的。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）