雙級壓縮空調特點及應力模擬分析

韓順訓 鄭小郴

（1.格力電器(洛陽)有限公司 洛陽 4710002；2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

近年來，隨著技術的發展和進步，市場上變頻冷暖空調逐步取代了定頻空調，

變頻空調在舒適性、最大制冷量或最大制熱量運行方面有著較大的優勢。

普通變頻空調的制冷能力在全國范圍均可覆蓋，一般（40～50）℃的高溫下，空調依然能正常制冷運行；而普通變頻空調的制熱能力在我國北方很多地區難以滿足需求，例如我國華北、東北地區，冬季的氣溫可低至-7 ℃以下，東北地區可低于-30 ℃，在這種情況下，普通變頻空調的制熱能力會大幅衰減，雖然加了輔助電加熱，但是制熱能力仍然不夠理想。因為普通壓縮機采用單級壓縮循環，其能夠提供的壓縮比是比較有限的，在本身蒸發壓力與溫度比較低的情況下，很難將吸氣壓縮為足夠高溫高壓的氣體，以供給熱量到室內。雙級壓縮空調則可以有效解決此問題。

本文主要是對雙級壓縮變頻空調特點、應力模擬情況進行介紹，并針對已經建立的管路模型進行應力仿真分析。雙級壓縮空調管路涉及中間補氣、閃蒸器管路等比較復雜，設計三維走管難度較大，通過模態分析從中可以了解雙級壓縮機型管路的應力值及應力分布特點，可以作為管路設計以及配重設計的參考，以便更好的進行設計和實驗等工作。

1 雙級壓縮空調特點

1.1 雙級壓縮空調系統構成

雙級壓縮空調系統通常較單級壓縮空調系統組件構成上更加復雜，例如雙級增焓壓縮系統，一般要增加閃蒸器、節流閥，閃蒸器有中間冷卻、閃發、氣液分離的作用，同時分離后的氣態制冷劑供給二級壓縮吸氣，液態制冷劑供給蒸發器。如果使用單級壓縮機，則要增加1臺壓縮機，相應的組件及管路就更復雜一些，見圖1。

圖1 雙級壓縮循環圖與雙級壓縮壓焓圖[1]

雙級增焓壓縮系統在圖1壓焓圖上循環過程為1-2-6-7-9-10-4-5-1，其單位質量制冷量為5-1；普通單級壓縮系統的循環過程為1-7′-9-5′-1，其單位質量制冷量為5′-1[2]。雙級增焓壓縮系統通過閃蒸器閃發作用，使二級節流后的制冷劑干度降低，其單位制冷量可以比普通壓縮系統提高。為了提高Δq0的幅度，需要增大壓縮機容積比，優化閃蒸器和增焓部件的設計，提高閃發量，增加二級節流前制冷劑的過冷度，最大限度發揮雙級增焓壓縮系統的制冷能力。

1.2 雙級壓縮空調系統特點

雙級增焓轉子式變頻壓縮機采用單機雙級壓縮方式，制冷劑進入下氣缸進行一級壓縮，排出后與中壓補氣混合進入上氣缸進行二級壓縮，完成整個壓縮周期。

雙級壓縮系統作用：①降低單個氣缸壓縮比，提高壓縮效率； ②通過補氣閃發，提高單位質量制冷量；③降低二級吸氣溫度，有效降低排氣溫度；④高壓級制冷劑流量增加，提高制冷或制熱量。

2 雙級壓縮空調外機應力模擬分析

針對現有雙級壓縮的變頻空調管路較復雜，配重較多，需要優化的實際問題，建立空調外機的管路模型見圖2，運用ANSYS及輔助諧響應分析軟件，進行應力仿真分析。通過CREO軟件建好三維后，采用軟件對壓縮機、管路、四通閥、消音器等三維進行參數化處理，并導入到ANSYS進行模型處理、模擬分析等工作。

圖2 整機管路模型圖

建立的壓縮機及管路模型見圖2，在本機型三維中，采用單機雙級增焓轉子式變頻壓縮機，壓縮機有吸氣口、排氣口、補氣口均接有管路，吸氣口、排氣口通過管路連接四通閥部件，四通閥部件連接大閥門和冷凝器進口，補氣口通過管路連接閃蒸器，由于大閥門是固定在閥門支架上、冷凝器固定在底盤、閃蒸器固定在隔板上，連接大閥門、冷凝器進口、閃蒸器的管路都位移很小，本模型中這些端口視為是固定不動的，空調運行時的振動源是壓縮機，壓縮機的吸氣口、排氣口、補氣口會有徑向、軸向的綜合位移及振動。通過實驗測試的方法，在單體壓縮機管口布置相關傳感器采集數據，可以收集各頻率運行時管口在XY方向的振幅，由此數據運用激勵反求的方法可得出管路的載荷情況，如表1。

表1 載荷情況和模擬出的應力位移表（篇幅限制僅展示部分數據）

2.1 載荷情況

通過測試出壓縮機在不同頻率的吸氣、排氣管口在XY方向的振幅，運行激勵反求的方法得出如表1、圖3、圖 4。

2.2 變頻分析結果

在對壓力脈動等參數進行設定后，運用諧響應分析方法模擬分析如下各頻率運行時的應力以及位移如表1。

2.3 部分分析結果圖表（如圖5、圖6）

2.4 分析結果及結論

1）如圖3所示，通過諧響應分析模擬出的22 Hz、58 Hz、60 Hz運行應力較大，低頻階段整機應力及位移均較大，在22 Hz達到峰值，在22 Hz后位移大幅減小，應力有輕微增加的趨勢，可見位移與應力沒有固定的變化相關性。

圖3 模擬分析整機應力與位移

如圖4所示：模擬出的應力曲線與實測的應力曲線變化趨勢相近，但實測的運行頻率在58、60 Hz附近應力值比22 Hz時應力值大。可見本次模擬可以大致定性反映應力的規律及應力較大的點。

圖4 模擬分析整機應力與實測對比

2）壓縮機在22 Hz左右應力及位移較大，可根據實際應力測試情況進行屏蔽此點運行處理。

3）通過應力分布圖（如圖5、6所示）分析得知低壓閥接管應力相對較大，可從設計上嘗試優化，后續可以根據實際應力測試情況進行核實，可以進一步優化管路形狀，或調整配重，再模擬分析是否優化。

圖5 頻率80 Hz分析結果

圖5 頻率20 Hz分析結果

4）通過排氣管、回氣管應力分布情況圖（如圖6所示），可以得知在管路下方的U彎附近應力相對較大，可以在實驗時關注此段管的應力情況，以避免應力過大。

5）此項分析后應用于實際開發的雙級壓縮家用空調項目中，結合實際應力測試情況，評估取消了2塊阻尼塊配重，在保證應力及可靠性前提下，為整機降成本1.3元，并且提高了生產效率，評估能減少1人工時/臺空調，為公司創造良好經濟效益。

3 結束語

1）應用雙級增焓轉子式變頻壓縮機的空調器可以在（-30 ～54）℃的范圍內可靠高效運行。通過該技術的應用，豐富了長江以北區域的采暖方式，擴大空調器的應用范圍，加速了變頻空調高效化進程，在提高企業競爭力的同時，促進了制況產業的升級。該項技術可改善農村、城鎮家庭的供暖問題，減少煤炭、木柴取暖情況，極大地提高了消費者的生活質量。

2）雙級增焓空調系統管路較復雜，通過應力諧響應分析，得出各頻率大概的應力及位移情況，針對得到的應力及位移較大頻率，更有針對性的從設計上嘗試優化，后續可以根據實際應力測試情況進行核實，評估是否必要加配重，以及如何優化配重，提高效益。