涡旋压缩机静涡旋盘实际工况下的变形分析

Research on Displacement of the Fixed Scroll of Scroll Compressor under the Actual Conditions

Zhang Liqun et al

　　Abstract:The force on fixed scroll under actual conditions are studied,the finite element model of fixed scroll is presented to study the displacement of fixed scroll,the results are successfully achieved.
　　Keywords:scroll compressor,finite element,displacement

1　引言

　　涡旋空压机以其噪声小、效率高等一系列优点，近年来得到了迅速的发展和广泛的应用，在家用空调和汽车空调上正迅速的取代往复式压缩机，作为涡旋空压机主要工作部件的动、静涡旋盘，工作过程中的啮合状态将直接决定压缩机的运行效率，在实际的工况下，涡旋盘的变形情况直接影响着动、静涡旋盘的啮合状态，所以很有必要对涡旋盘进行实际工况下的变形分析。本文通过建立和求解涡旋空压机工作过程的动力与热力模型，得到了涡旋盘的受力情况，据此采用有限元分析应用软件SAP90对静涡盘在实际工况下的变形进行了分析和计算。静涡盘和动涡盘的受力有相似的地方，但由于结构上的一些不同，所以应力和变形也有不同之处，本文选择对静涡盘进行分析研究。

2　引起涡旋盘应力变形的作用载荷

　　在涡旋空压机的工作过程中，涡旋盘所受载荷主要有两部分：一是温度载荷，二是各种气体力和接触力载荷。工作过程中的静涡盘，主要承受气体轴向力、径向力、切向力，以及动、静涡旋盘之间的接触力，自身的重力。工作过程中，处于涡旋盘外侧的吸气腔内的压力为吸气压力，与排气口相通的中心腔内的压力为排气压力，在涡旋齿上，只有在内外侧存在压差的部分才受到气体径向力的作用，气体轴向力作用在涡旋盘的端板上，其大小从外侧的吸气压力到中心的排气压力逐渐地变化。涡旋盘在工作过程中不仅受到各种力载荷，还要受到温度载荷的作用，处于外侧的压缩腔内的气体温度较低，而中心腔内的气体温度较高，其值与气体的被压缩程度有关，温度从外侧到中心逐渐地升高。涡旋盘所受各种载荷的大小可经求解压缩机工作过程的热力和动力学模型得到。本文计算对象采用甘肃工业大学涡旋空压机研究所开发研制的QWR－3.75kW涡旋空压机，涡旋盘材料为合金铸铁，涡旋圈数为2.675圈，齿高H=40mm，齿厚t=3.6mm，吸气压力Ps=0.6183MPa，排气压力Pd=2.1443MPa。实验在该所容积式制冷压缩机性能实验台上完成，该实验台经国家压缩机制冷设备质量监督检验测试中心鉴定认可，实验数据准确可靠。经实验检验了本文所采用的热力、动力模型的可靠性。

3　有限元模型的建立

　　考虑到静涡盘的端板与涡齿厚度相比较厚，相差6倍左右，并且其周围结构起到了加强的作用，实际工况下变形很小，为计算方便可将其假定为刚性体，而变形只发生在涡旋齿上。涡旋齿的厚度达3.6mm，故不能按二维情况处理。本文采用三维八节点实体单元进行计算处理，节点划分从齿头开始，采用圆的渐开线方程描述，每旋转10°取一次。为了避免单元体三维尺寸差别过大而产生畸变，故齿厚方向不再划分，齿高方向划分为9层。单元描述顺序与节点相同，对齿的划分结果为单元768个，节点1908个，如图1。

图1

4　约束的确定

　　由于端板简化为刚性部分处理，所以齿根部与端板相连的底面上所有的节点在6个自由度上被全部约束，齿最外侧即回转角为2.675×360°时的齿末端面与静涡盘外侧刚性部分相连，故此端面上的所有节点也被全部约束，不能移动、转动。

5　变形分析

　　在压缩机工作过程中，随着曲轴的转动，压缩腔内的气体压力逐渐变化，作用在涡旋齿上的气体压力也随着变化，经动力分析得出，在吸气过程刚完成的瞬间，动涡盘端板所受内外压力差最大，动盘变形也最大［1］，由于动涡盘与静涡盘是相互啮合、共同工作的，所以本文选择这种状态下的静盘进行计算分析。
5.1　温度载荷下的变形分析
　　压缩机稳定工作时，涡旋齿温度基本为均匀的从外侧到中心逐渐升高，且内、外相差不很大，其值与齿各部所处压缩腔内气体温度等因素有关，为了计算方便，简化为第一压缩腔涡旋齿温度为65℃，第二压缩腔涡旋齿温度为75℃，中心腔涡旋齿温度为85℃，设定涡旋盘工作前零应力温度为10℃，经计算得出，稳定工作后，温度的升高使涡旋齿头部即温度最高部产生了最大轴向变形，变形量为27μm，齿外侧最小为24μm，如图2。涡旋齿径向变形除齿末端外，各处相差不大，约为1.2～3.4μm，最小量发生在齿头部分，涡齿末端由于约束的特殊性，在很小的部分有29μm的径向变形，如图3。若零应力温度改变，则变形量有一定的相应变化，说明压缩机所处环境温度对变形有一定影响。
 

图2
 

图3

5.2　力载荷下的变形分析
　　由于涡旋盘端板简化为刚性部分处理，所以对于作用在端板上的气体轴向力和涡盘间的轴向接触力在计算分析时忽略不计，各压缩腔内气体力的大小可由求解工作过程热力学模型得到。在此状态下，涡旋齿轴向变形很小，只在齿头部有1.4μm的变形，此时涡旋齿产生的最大径向变形在齿头部，变形量为14.9μm，如图4。
 

图4

5.3　在温度及力载荷共同作用下的实际变形分析
　　在实际工况下，涡旋齿的变形是温度及力载荷共同作用的结果，这时涡旋齿各处产生明显的轴向和径向变形，如图5，齿头部产生17.5μm的最大轴向变形并且有13.4μm的径向变形，齿末端产生24μm的最大径向变形和14.2μm的轴向变形，径向变形除在齿末端较大外，其它部分为15μm左右。本文计算样机要求装配后动、静涡旋盘间径向间隙15μm，轴向间隙5μm，由计算结果得出：径向变形基本不会造成涡旋盘间的接触，而轴向变形将使动、静涡旋盘在齿顶和端板处发生接触、产生接触力和摩擦。由于涡旋齿中心部分轴向变形大于齿外侧，故工作过程中动、静涡盘在中心部分发生接触、产生摩擦损失，而在外侧出现过大间隙引起泄漏，导致压缩机损失增大、效率下降。在QWR－3.75kW涡旋空压机的研制过程中，发现运转后动、静涡旋齿中心顶部有明显的磨痕，与计算结果相一致。加工涡旋盘时，若能在端板中心部分加工深一些或齿中心加工短一些，将会改善压缩机的工作情况，提高工作效率。
 

图5

6　结论

　　(1)得出实际工况下静涡旋盘的变形规律。
　　(2)涡旋齿轴向变形较大，装配时应确定合理的轴向间隙。
　　(3)在对涡旋盘加工制造时采取适当的修正措施，将有效地改善涡旋盘的工作状态、提高压缩机的效率。

作者简介：张立群，男，29岁，(在读)博士研究生。通讯地址：212012江苏镇江市江苏理工大学流体机械研究所。
张立群(江苏理工大学)
刘振全(甘肃工业大学)

参考文献

1，刘振全等.涡旋空压机动涡旋盘应力及变形的研究.流体机械，1995；23(10)
2，吴业正.往复式压缩机数学模型及应用.西安交大出版社，1989
 

作者:杭州欧迈克动力设备有限公司@ 涡旋式空压机 修订日期：2017-05-11 08:00:00

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