基于ANSYS仿真的渦旋壓縮機(jī)排氣閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

凡沁 相玲玲

摘 要 本文通過(guò)ANSYS仿真分析，對(duì)渦旋壓縮機(jī)的排氣閥片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，與不帶排氣閥的渦旋壓縮機(jī)相比，帶有優(yōu)化設(shè)計(jì)的排氣閥的渦旋壓縮機(jī)性能明顯提升。

關(guān)鍵詞 渦旋壓縮機(jī);ANSYS;排氣閥

引言

渦旋壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī)，壓縮部件由動(dòng)渦旋盤(pán)和定渦旋盤(pán)組成，廣泛應(yīng)用在制冷、空調(diào)、熱泵、真空泵等領(lǐng)域[1]。由于渦旋壓縮機(jī)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，工況總是處于變化中，內(nèi)外壓比不一致。渦旋壓縮機(jī)的排氣壓力（外壓力）Pd與內(nèi)壓縮終了壓力（內(nèi)壓力）Pi不相等時(shí)，在第二壓縮腔與中心壓縮腔相通（對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)角為）的瞬時(shí)，氣體要進(jìn)行定容積壓縮或膨脹，以使壓力由Pi均衡到排氣壓力Pd，這就產(chǎn)生了附加損失功率[2]。

為滿(mǎn)足不同的壓縮比，減少過(guò)壓縮或欠壓縮帶來(lái)的附加功率損失，可以通過(guò)渦旋壓縮機(jī)用位于定盤(pán)上的動(dòng)態(tài)排氣閥來(lái)調(diào)節(jié)[3]。通過(guò)ANSYS仿真分析，本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種排氣閥，在保證安全可靠的前提下，可以有效提升渦旋壓縮機(jī)變工況性能。

1理論分析

1.1 排氣閥的基本原理分析

①當(dāng)內(nèi)壓力比大于外壓力比時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)欠壓縮時(shí)，此時(shí)閥片的在壓差作用下處于閉合狀態(tài)，當(dāng)中心壓縮腔壓力大于定盤(pán)外壓力，此時(shí)，位于排氣口的閥片開(kāi)啟，使內(nèi)外壓比一致;

②當(dāng)內(nèi)壓力比小于外壓力比時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓縮時(shí)，在第二壓縮腔開(kāi)排氣口，此時(shí)位于第二壓縮腔的排氣閥片在內(nèi)外壓差的作用下開(kāi)啟，壓縮機(jī)提前排氣，最終使內(nèi)外壓比一致。

1.2 排氣閥的基本設(shè)計(jì)

（1）氣閥阻力損失小

由于渦旋壓縮機(jī)排氣口直徑小，限制了閥片的大小，結(jié)構(gòu)上要選取合理的形狀，使氣閥結(jié)構(gòu)緊湊，間隙通道面積大，閥片完全開(kāi)啟時(shí)流經(jīng)氣閥的阻力損失盡量小。氣閥的阻力損失應(yīng)控制在壓縮機(jī)指示功率的6%～12%。涉及不良時(shí)，此項(xiàng)損失阻力可至15%～20%[4]。

（2）使用壽命長(zhǎng)

要求在反復(fù)沖擊載荷下，閥片使用壽命長(zhǎng)，不至于過(guò)早地?fù)p壞。因此要確定合理的升程和閥片的尺寸，以保證閥片有良好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，撞擊速度低[5]。

2方案設(shè)計(jì)

因?yàn)槲挥谥行膲嚎s腔和第二壓縮腔的閥片開(kāi)啟頻率不同，采用多段式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以消除相鄰舌簧片間的剪切應(yīng)力，提高排氣閥片的疲勞強(qiáng)度。

3仿真分析

原方案：閥片A、B、C的厚度均為0.305mm。

新方案：閥片B的厚度均為0.305mm，閥片A、C的厚度則為0.203mm。

原方案中，原方案最大應(yīng)力在排氣閥片B的根部;排氣閥片A、C的應(yīng)力最大值約為212MPa，遠(yuǎn)小于排氣閥片B的最大應(yīng)力。新方案中，最大應(yīng)力依然是在排氣閥片B的根部;排氣閥片A、C的應(yīng)力最大值約為337MPa，是安全的。

方原案中，排氣閥片A、C的最大升程為1.70mm，新方案排氣閥片A、C的最大升程為2.72mm，比舊方案提高60%。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

隨機(jī)抽取1臺(tái)帶排氣閥片（型號(hào)GC45HD-38A）的壓縮機(jī)和1臺(tái)不帶排氣閥片（型號(hào)GC45HD-38A0）的壓縮機(jī)，在多個(gè)工況下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比性能，試驗(yàn)結(jié)果如下，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的名義工況是ET/CT -15/40℃，SC 8.3℃， SH 10℃。

試驗(yàn)結(jié)果：

（1）在工況ET/CT：-35/40℃、-25/40℃、-15/40℃時(shí)，壓縮機(jī)處于欠壓縮工況，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出，帶排氣閥片的渦旋壓縮機(jī)制冷量提升約8%，COP提升了約10%，性能優(yōu)于不帶閥片的渦旋壓縮機(jī);

（2）在工況ET/CT：-5/40℃時(shí)，壓縮機(jī)處于過(guò)壓縮工況，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，帶排氣閥片的渦旋壓縮機(jī)制冷量提升約1%，COP提升約0.5%，性能優(yōu)于不帶閥片的渦旋壓縮機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1] IvlevVI，Misyurin S Y.Calculated and experimental characteristics of a scroll machine operating in the air motor mode[J].Doklady Physics，2017：42-45.

[2] 吳業(yè)正，李紅旗，張華.制冷壓縮機(jī)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3] 姜輝.家用空調(diào)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)舌簧閥工作特性研究[D].廣西：廣西大學(xué)，2013.

[4] 郭仁寧，李頌.往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障分析與改善措施[J].煤礦機(jī)械，2009：55-56.

[5] 周宜良.活塞式空氣壓縮機(jī)氣閥故障分析及改進(jìn)措施[J].四川化工，2012：41-44.