汽車空調(diào)渦旋壓縮機的階梯型齒形結(jié)構(gòu)分析

杜濤，孟曉磊，李晨凱，唐景春

（1-安徽東風機電科技股份有限公司，安徽合肥 230601；2-合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

汽車空調(diào)渦旋壓縮機的階梯型齒形結(jié)構(gòu)分析

杜濤*1，孟曉磊2，李晨凱2，唐景春2

（1-安徽東風機電科技股份有限公司，安徽合肥 230601；2-合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

為了減少在不均勻氣體溫度場及壓力場耦合作用下汽車空調(diào)渦旋壓縮機渦旋盤斷齒故障的發(fā)生，本文采用不對稱圓弧加直線的齒形修正方法，建立了階梯型渦旋盤三維幾何模型。基于ANSYS有限元分析軟件，對比分析了幾何排量86 ml的階梯型與常規(guī)型渦旋盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的情況。仿真及性能實驗結(jié)果表明，在氣體溫度及壓力載荷共同作用下，階梯型渦旋盤的應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在渦旋齒起始端上部，階梯型結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅可以降低斷齒故障的發(fā)生概率，還可以提高渦旋壓縮機的等熵效率。

汽車空調(diào)；渦旋壓縮機；齒形修正；階梯型結(jié)構(gòu)；熱應(yīng)力仿真

0 引言

渦旋壓縮機因具有高效率、高可靠性、低噪音和低成本等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)。黃蕾等[1]基于有限元方法對汽車空調(diào)渦旋壓縮機動渦盤在氣體力、溫度場、慣性力耦合作用下的應(yīng)力和應(yīng)變進行分析，指出溫度對其影響更大。李超等[2]、王君等[3]和劉濤等[4]分別采用熱-固耦合與流-固耦合方法，在多種載荷耦合作用下，進一步指出溫度場引起的渦旋齒軸向變形較大，慣性力使渦旋齒尾部的變形增加，最大變形發(fā)生在渦旋齒頭部，最大應(yīng)力發(fā)生在渦旋齒頭的底部和驅(qū)動軸承座孔的內(nèi)表面。肖庭庭等[5]指出壓縮機吸（排）氣口余隙容積的優(yōu)化，有助于提升壓縮機的性能。楊廣衍等[6]對渦旋真空泵動、靜渦旋盤的溫度場及其產(chǎn)生的熱變形和應(yīng)力場進行分析，但未考慮慣性力的影響。李超等[7]和DINIZ等[8]對裝配后的動靜渦旋盤在熱-固耦合狀態(tài)下的變形和應(yīng)力進行分析，指出靜渦旋的變形和應(yīng)力比動渦旋略大，且裝配后渦旋盤的變形由于互相干涉和約束而減小。唐景春等[9]利用焓差法對靜渦旋盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的熱泵型電動渦旋壓縮機進行了實驗研究，指出最佳中間補氣壓力與補氣孔位置的對應(yīng)關(guān)系。韓坤等[10]和杜濤等[11]在溫度和氣體力耦合作用下對動渦旋盤應(yīng)力與應(yīng)變進行了仿真計算，得出其應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律。以上研究對象均為中小排量的渦旋機械，而對于較大排量的汽車空調(diào)渦旋壓縮機渦旋盤結(jié)構(gòu)的研究涉及較少，由于加工刀具的干涉作用，渦圈始端被刀具切削掉一部分，比較薄的渦圈始端在中心腔高溫高壓氣體的作用下，容易形成結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞斷裂現(xiàn)象發(fā)生。同時，動、靜渦旋盤脫嚙時，中心腔有一部分無效容積存在，使排氣過程平穩(wěn)性降低，增加了功率損失和氣流脈動噪聲[12]。鑒于以上幾個原因，有必要對渦圈始端進行修正。現(xiàn)在普遍采用對稱圓弧加直線修正方法，將齒頭部分增厚以增加其強度，但是對于大排量的汽車空調(diào)渦旋壓縮機，由于其齒壁較高，中心腔部分的渦旋齒根部仍然存在較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而發(fā)生疲勞損壞的故障。因此，為了減少中心腔齒根部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，本文采用不對稱圓弧加直線修正方法，將渦圈始端部分設(shè)計為階梯狀，基于ANSYS熱-固耦合模塊，對渦旋壓縮機階梯狀渦旋盤在氣體力、溫度場和慣性力耦合作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行分析，并進行86 ml渦旋壓縮機的性能對比實驗。

1 階梯型渦旋齒的修正

設(shè)圖1(a)是靜渦盤渦圈始端，圖1(b)是與其相嚙合的動渦盤渦圈始端。

在靜渦盤渦圈上，點Mf1是渦圈外側(cè)漸開線和連接圓弧的交點，該點所對應(yīng)的渦圈中心線展角為β1，點Mf2是渦圈內(nèi)側(cè)漸開線和修正圓弧的交點，該點所對應(yīng)的渦圈中心線展角為β2+π，相應(yīng)地，動渦盤渦圈上，點Mm1所對應(yīng)的展角為β2，點Mm2所對應(yīng)的展角為β1+π。選取靜渦盤渦圈修正圓弧和連接圓弧的半徑分別為Rf=R和rf=r，為了滿足共軛嚙合原理，動渦盤渦圈上修正圓弧和連接圓弧半徑，由靜渦盤渦圈修正畫弧和連接圓弧半徑?jīng)Q定，即：

在不對稱圓弧加直線修正方法中，渦圈始端形狀由4個參數(shù)決定：修正角β1、β2，連接圓弧半徑r和修正圓弧半徑R。對于階梯型渦旋盤，渦旋盤的動、靜盤在渦圈起始部分的軸向各有一個臺階，這兩個臺階面在動、靜渦旋盤工作時需要接觸貼合。所設(shè)計的86 ml渦旋盤結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其幾何模型如圖2所示。

圖1 渦旋齒不對稱圓弧加直線修正

2 有限元模型載荷和約束的施加

在ANSYS軟件中，導(dǎo)入動渦旋盤三維幾何模型并劃分網(wǎng)格，選用Solid單元作為劃分網(wǎng)格的單元類型，減少局部應(yīng)力集中對仿真計算結(jié)果的影響[13]。設(shè)置渦旋盤的材質(zhì)為鋁合金ADC12，密度2,770 kg/m3，熱膨脹系數(shù)2.3×10-5/℃，楊氏模量7,100 MPa，泊松比0.33，熱導(dǎo)率144 W/(m·℃)。

表1 86 ml渦旋盤結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 動渦旋盤三維幾何模型

2.1 位移邊界條件

根據(jù)動渦旋盤的實際工作情況，給有限元模型施加了如下位移條件：約束動渦旋盤主軸承座內(nèi)孔表面的3個方向的位移，也就是x、y和z方向的位移分別為0。

2.2 動力條件

在渦旋壓縮機的工作過程中，動渦旋盤所受載荷有3部分[14]：1）渦旋盤回轉(zhuǎn)以及重力作用下的慣性載荷；2）內(nèi)部制冷劑壓縮氣體對渦旋盤側(cè)壁和底盤所產(chǎn)生的壓力；3）非均勻溫度場產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

2.3 工作腔壓力和溫度的確定

在汽車空調(diào)渦旋式壓縮機運行過程中，靜渦旋盤與動渦旋盤會在同一時刻形成高壓、中壓以及低壓等三對不同的冷媒壓力的壓縮室。根據(jù)GB/T 21360-2008《汽車空調(diào)用制冷壓縮機性能試驗方法》規(guī)定[15]，壓縮機吸氣壓力0.28 MPa，排氣壓力1.8 MPa。第二壓縮室的壓力值Pi為：

式中：

k——冷媒介質(zhì)R134a的等熵指數(shù)，一般取1.19；

Ps——吸氣壓力，MPa；

θ——壓縮機曲軸轉(zhuǎn)角，rad；

V——吸氣腔的容積，m3；

Vi——中間容積腔的體積，m3。

利用ANSYS施加溫度和壓力載荷時，考慮到汽車空調(diào)渦旋壓縮機實際運行情況，最低吸氣溫度取9 ℃，最高排氣溫度取100 ℃，取壓縮機工作時的外部環(huán)境溫度35 ℃為參考溫度。將溫度分布簡化為柱坐標下沿半徑方向呈線性遞減變化，施加的溫度載荷變化規(guī)律為：

式中：

x——柱坐標系下的坐標值；

R——渦旋盤的底盤半徑，m。

2.4 位移約束

給有限元模型施加如下位移條件：1）齒頂部與防磨板壓緊配合，約束齒頂表面在柱坐標下軸向位移為0；2）約束動渦旋盤主軸承座內(nèi)孔表面的3個方向的位移，即x、y、z方向的位移分別為0。

3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真結(jié)果分析

分別對汽車空調(diào)渦旋壓縮機的對稱圓弧加直線修正動渦盤，以及不對稱圓弧加直線修正動渦盤進行熱-彈性耦合分析，得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 動渦旋盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖3仿真結(jié)果顯示，對稱圓弧加直線修正渦圈的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域位于起始段的根部，渦旋齒起始段發(fā)生斷裂故障的概率較大；不對稱圓弧加直線修正渦圈的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域，位于齒頭階梯上部的內(nèi)壁表面上，渦旋齒起始段發(fā)生斷裂故障的概率降低了。

4 壓縮機性能對比實驗

在汽車空調(diào)制冷壓縮機性能實驗臺上，依據(jù)綜合部分符合性能系數(shù)[16]，對幾何容積排量為86 ml的渦旋壓縮機進行了性能對比實驗，實驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2的實驗數(shù)據(jù)表明，具有階梯型齒形結(jié)構(gòu)的渦旋壓縮機，動、靜渦旋盤脫嚙時，中心腔的無效容積減少，排氣附加功率損失降低，在提高等熵效率的同時，制冷劑質(zhì)量流量、制冷量、制冷系數(shù)和容積效率等制冷性能指標，均優(yōu)于齒形結(jié)構(gòu)采用對稱圓弧加直線修正的渦旋壓縮機。

表2 國標試驗工況下壓縮機性能對比實驗

5 結(jié)論

1）采用階梯型結(jié)構(gòu)設(shè)計的渦旋盤，其渦旋齒起始段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域，由根部轉(zhuǎn)移到階梯上部的內(nèi)壁表面上，降低了斷齒故障的發(fā)生概率。

2）具有階梯型齒形結(jié)構(gòu)的渦旋壓縮機，附加功率損失降低，等熵效率提高。

3）具有階梯型齒形結(jié)構(gòu)的大排量汽車空調(diào)渦旋壓縮機，實際運行時，其各項制冷性能指標都有相應(yīng)的提高。

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Analysis on Ladder Typological Wraps Structure of Scroll Compressor for Vehicle Air Conditioner

DU Tao*1, MENG Xiaolei2, LI Chenkai2, TANG Jingchun2
(1- Anhui Dongfeng Mechanical and Electrical Technology Company Limited, Hefei, Anhui 230601, China; 2- School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China)

In order to reduce scroll wraps fracture failure of the scroll compressor for vehicle air conditioner in the non-uniform temperature and pressure field of refrigerant gas, the modified wraps approach has been completed by the combination asymmetric arc and line. The three-dimensional geometric model of ladder type scroll has been designed subsequently. Based on the finite element analysis software ANSYS, the structure stress distribution of the ladder type has been analyzed and compared with that of the conventional type of scroll plate with displacement of 86 ml. Simulation and performance test results show that, the stress area of ladder type vortex disc is concentrated on initial upper part of scroll wraps under the gas temperature and pressure loads. Therefore, the ladder type structure design not only can reduce probability of wraps fracture failure but also can improve the isentropic efficiency of scroll compressor.

Vehicle air conditioning; Scroll compressor; Wraps modification; Ladder type structure; Thermal stress simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.203

*杜濤（1971-），男，碩士，正高級工程師，研究方向：汽車空調(diào)壓縮機的研發(fā)。聯(lián)系地址：安徽東風機電科技股份有限公司，郵編：230601。聯(lián)系電話：13856097346，E-mail：hfdfdt@sina.com。