往復(fù)式壓縮機(jī)溫度計(jì)套管的有限元仿真分析

李首霖 ，楊 娜

（1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)往復(fù)機(jī)有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110869； 2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)齒輪壓縮機(jī)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

引言

緩沖器是往復(fù)式壓縮機(jī)中重要組成部分，溫度計(jì)套管被安裝在往復(fù)壓縮機(jī)工藝管道或者緩沖器上，容易產(chǎn)生共振而受損。在對(duì)溫度計(jì)套管周圍流場(chǎng)及其對(duì)溫度計(jì)套管的影響等問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí)，分析計(jì)算域被簡(jiǎn)化為均勻來(lái)流的圓柱繞流問(wèn)題，但由于溫度計(jì)套管根部距離壓力容器壁面較近，會(huì)對(duì)溫度計(jì)套管周圍流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響，因此采用三維流動(dòng)分析，對(duì)溫度計(jì)套管進(jìn)行三維流固耦合數(shù)值分析。

1 溫度計(jì)套管的穩(wěn)態(tài)分析

1.1 溫度計(jì)套管穩(wěn)態(tài)數(shù)值的計(jì)算分析

1.1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

緩沖器筒體直徑700 mm，溫度計(jì)套管長(zhǎng)400 mm，其中浸于流場(chǎng)內(nèi)的部分長(zhǎng)250 mm。分析選用ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，壁面首層0.01 mm，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.1.2 溫度計(jì)套管周圍流場(chǎng)的數(shù)值分析

溫度計(jì)套管周圍流場(chǎng)模型計(jì)算域?yàn)橹睆?00mm的緩沖器，一端均勻進(jìn)氣。計(jì)算邊界條件為：定常計(jì)算；定常計(jì)算湍流模型為k-ωSST，非定常計(jì)算湍流模型為DES。入口邊界條件為：總壓15.9 MPa、總溫313 K、進(jìn)氣方向Z軸正向。出口邊界條件為：排氣方向Z軸正向，流速10 m/s。計(jì)算介質(zhì)為理想氫氣。固壁絕熱無(wú)滑移。

計(jì)算結(jié)果顯示，截取溫度計(jì)套管頂部和根部，流速分布、總壓分布及流線分布分別如圖2—圖7所示，其中Y值為在模型坐標(biāo)系中溫度套管在緩沖器中的徑向位置坐標(biāo)值。從圖中可以看出，由溫度計(jì)套管頂部到根部，由于受壁面影響，經(jīng)過(guò)溫度計(jì)套管后的尾跡旋渦不斷增強(qiáng)。

圖2 端部Y=105 mm處截面流速（m/s）分布圖

圖3 端部Y=105 mm處截面壓力（Pa）分布圖

1.1.3 溫度計(jì)套管流固耦合數(shù)值的分析

以溫度計(jì)套管周圍流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果為輸入，對(duì)溫度計(jì)套管進(jìn)行流固耦合分析。由對(duì)溫度計(jì)套管周圍流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析可知，溫度計(jì)套管周圍流場(chǎng)的壓力分布不均勻性較小，對(duì)溫度計(jì)套管作用的形變量也相對(duì)較小，因此采用單向流固耦合分析。

圖4 Y=105 mm處截面流線（m/s）分布圖

圖5 Y=300 mm處截面流速（m/s）分布圖

圖6 Y=300 mm處截面壓力（Pa）分布圖

圖7 Y=300 mm處截面流線（m/s）分布圖

1.2 溫度計(jì)套管的模態(tài)分析

模態(tài)分析是對(duì)激勵(lì)狀態(tài)下物體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析。圖8展示了溫度計(jì)套管以穩(wěn)態(tài)壓力流場(chǎng)作為預(yù)應(yīng)力的1～4階模態(tài)振型圖。

圖8 套管1～4階模態(tài)振型圖

1.3 溫度計(jì)套管穩(wěn)態(tài)的應(yīng)力分析

以流場(chǎng)定常數(shù)值分析結(jié)果為流固耦合計(jì)算的輸入初始條件，即溫度計(jì)套管表面穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷，加載壓力場(chǎng)后，經(jīng)過(guò)穩(wěn)態(tài)流固耦合數(shù)值計(jì)算后，計(jì)算結(jié)果如圖9所示，最大應(yīng)力強(qiáng)度值為43.085 MPa，低于材料的屈服極限，最大應(yīng)力點(diǎn)位于套管根部。

圖9 溫度計(jì)套管穩(wěn)態(tài)載荷下應(yīng)力（MPa）分布云圖

2 溫度計(jì)套管的瞬態(tài)分析

2.1 溫度計(jì)套管瞬態(tài)數(shù)值的計(jì)算分析

通過(guò)對(duì)溫度計(jì)套管穩(wěn)態(tài)流固耦合數(shù)值計(jì)算分析可知，溫度計(jì)套管應(yīng)力分布的最大值位于溫度計(jì)套管根部，最大應(yīng)力值為43.085 MPa，遠(yuǎn)小于溫度計(jì)套管材質(zhì)的屈服極限。為進(jìn)一步分析溫度計(jì)套管所處流場(chǎng)特點(diǎn)及溫度計(jì)套管瞬態(tài)力學(xué)特性，對(duì)溫度計(jì)套管進(jìn)行瞬態(tài)流固耦合分析。以溫度計(jì)套管定常計(jì)算結(jié)果為初場(chǎng)，對(duì)緩沖器進(jìn)行非定常計(jì)算，本次計(jì)算監(jiān)測(cè)在溫度計(jì)套管近壁面同一高度處設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，示意圖如下頁(yè)圖10所示。在三維計(jì)算中，沿著溫度計(jì)套管高度方向，設(shè)置6層高度不同的監(jiān)測(cè)截面，示意圖如下頁(yè)圖11所示。

2.2 溫度計(jì)套管瞬態(tài)的應(yīng)力分析

在進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算時(shí)，設(shè)定載荷步為120步，選取最大應(yīng)力點(diǎn)位置及其附近共4個(gè)節(jié)點(diǎn)，考察在一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，其中node1與node2相似，node3與node4相似，node1與node3的應(yīng)力變化如圖12、圖13所示。

圖10 同一高度截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置圖

圖11 溫度計(jì)套管6個(gè)監(jiān)測(cè)截面示意圖

圖12 node1應(yīng)力隨時(shí)間變化圖

圖13 node3應(yīng)力隨時(shí)間變化圖

2.3 溫度計(jì)套管的疲勞評(píng)定

溫度計(jì)套管的材料、表面狀態(tài)、機(jī)械載荷激勵(lì)都是造成溫度計(jì)套管疲勞破壞的原因。通過(guò)對(duì)溫度計(jì)套管周圍流場(chǎng)的非定常瞬態(tài)分析可知，應(yīng)力循環(huán)周期約為4×10-3s，由此可知，溫度計(jì)套管在使用壽命60年的壓力循環(huán)次數(shù)為4.73×1011次＞105次，屬于高周疲勞。

Goodman 曲線橫軸坐標(biāo)為（Sm，0），縱軸坐標(biāo)為（0，Sa），在設(shè)計(jì)溫度下的Sm=171 MPa，根據(jù)材料的S-N曲線，無(wú)限壽命的疲勞極限Sa=62.8 MPa。

其中，徑向安全系數(shù)方程為：

式中：AR為許用最大應(yīng)力幅值，BR為額定應(yīng)力幅值。node1至node4節(jié)點(diǎn)的許用最大應(yīng)力幅值和額定應(yīng)力幅值均分別為34.34和3.6。因此各點(diǎn)的徑向安全系數(shù)：node1，nfR=9.54；node2，nfR=9.54；node3，nfR=9.54；node4，nfR=9.54。許用安全系數(shù)[n]=1.5，可見(jiàn)各安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，因此，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)套管進(jìn)行靜力學(xué)流固耦合穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析，得到在流場(chǎng)介質(zhì)作用下套管的應(yīng)力分布及模態(tài)。同時(shí)，對(duì)套管周圍流場(chǎng)做三維瞬態(tài)非定常數(shù)值計(jì)算，得到套管表面周圍氣動(dòng)載荷的壓力脈動(dòng)特性，并進(jìn)行瞬態(tài)流固耦合分析得到以下結(jié)論：溫度計(jì)套管最大應(yīng)力分布位于溫度計(jì)套管根部，最大應(yīng)力值43.085 MPa，遠(yuǎn)小于溫度計(jì)套管材料的屈服極限。套管疲勞屬于高周疲勞，安全系數(shù)為1.5，各點(diǎn)的徑向安全系數(shù)采用Goodman線計(jì)算得出為9.54，符合設(shè)計(jì)需求，驗(yàn)證了套管的可靠性。