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

管綺珺

摘 要：離心式壓縮機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)簡單、工作可靠、運行平穩(wěn)以及效率高等特點，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，離心壓縮機的輸出冷量也越來越大，對離心式壓縮機的設(shè)計要求也越來越高。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為離心壓縮機的核心組件，對其性能的影響也是最重要的。文章以雙級離心式壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象，在研究雙級離心壓縮機轉(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、仿真計算、優(yōu)化設(shè)計和實驗測試相結(jié)合的方法手段，對雙級離心式壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計和研究，設(shè)計出了中央空調(diào)樣機，并且通過了相關(guān)的測試實驗。

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

中圖分類號：TH452 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0023-02

目前，在實際應(yīng)用中雙級壓縮離心式中央空調(diào)會出現(xiàn)噪聲超出設(shè)計值的情況。為了解決這個問題，決定使用有限元軟件對離心式中央空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行仿真分析進而對其進行設(shè)計優(yōu)化，使離心式中央空調(diào)整體性能達到設(shè)計要求。

1 建模分析

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

1.1 簡化模型

在建立離心式壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型的時候，必須對三維模型進行簡化處理。

①將葉輪模型上一些過渡圓角和一些裝配用的圓孔去除，因為它們對計算結(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)，因為圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)特性決定了其只有內(nèi)圈會隨著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，會對計算結(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復(fù)雜化，另一方面也避免了這些因素會對實際結(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在滿足計算精度要求的前提下，網(wǎng)格劃分不宜過細，以節(jié)省計算成本。

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

③幾何、材料、載荷分界處，應(yīng)選為節(jié)點。

④單元邊長近似相等以提高精度。

根據(jù)以上原則，離心式壓縮機轉(zhuǎn)子模型采用BEAM188、MASS21和COMBI214這3個單元進行網(wǎng)格劃分，分別對應(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。

離心式壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是依靠2個軸承支點來固定和支撐，因此約束施加在2個軸承支點上。

1.4 計算分析

由ANSYS得到坎貝爾，如圖2所示，可得到該離心式壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的8階臨界轉(zhuǎn)速，具體數(shù)值，見表1。已知離心式壓縮機的工作轉(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是因為在ANSYS計算前設(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)計還是較為合理的。

1.5 ANSYS與傳遞矩陣法計算臨界轉(zhuǎn)速的比較

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

2 優(yōu)化和改進

2.1 提出方案

我們對測試數(shù)據(jù)進行分析和討論，得出離心壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要提出2種方案。

2.1.1 優(yōu)化方案1

對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的優(yōu)化具體如下：

①減小葉輪進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對裝配零部件進行優(yōu)化，得到相應(yīng)的裝配精度。

2.1.2 優(yōu)化方案2

重新對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行布局，對葉輪，主軸，軸承等零部件都會進行優(yōu)化設(shè)計，使整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠互相配合。保留原有軸承配置，只對軸承的支承位置進行改變。

2.2 方案對比

根據(jù)有限元分析方法對以上2個優(yōu)化方案進行了有限元分析，得到相應(yīng)8階臨界轉(zhuǎn)速，見表3、表4。

優(yōu)化方案1的臨界轉(zhuǎn)速為9 588.3 rpm，沒有達到工作轉(zhuǎn)速的120%，說明優(yōu)化方案1在運行時會產(chǎn)生共振。究其原因，應(yīng)該是在優(yōu)化葉輪和主軸時，為了減小主軸的振動，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，使之沒有達到設(shè)計要求。

優(yōu)化方案2的臨界轉(zhuǎn)速雖然超過了工作轉(zhuǎn)速的120%，但和原設(shè)計的數(shù)據(jù)（見表1）相比有所降低。分析其原因應(yīng)該是由于對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重新進行了設(shè)計，軸承支承位置、各個零部件結(jié)構(gòu)都進行了相應(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仍然是一個比較合理的設(shè)計方案。

2.3 測試數(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，并制造組裝成測試機組。通過測試得出測試數(shù)據(jù)，見表5。

空調(diào)工況：10 k0 V-3 ph-50 Hz。

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

3 結(jié) 語

本文系統(tǒng)地分析了原有轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，并建立動力學(xué)模型?；谵D(zhuǎn)子動力學(xué)及有限元基本理論，利用ANSYS有限元分析軟件，對雙級離心式壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了模擬計算，對2套不同的優(yōu)化設(shè)計方案進行分析和模擬，之后進行了機組整機測試，得到了滿意的測試結(jié)果。

參考文獻：

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