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1、FL UI D MACHI NERY Vo 1 3 7，No 1，2 0 0 9 文章编号：1 0 0 5-0 3 2 9(2 0 0 9)0 l 0 0 2 4 0 4 旋转式压缩机消声器有限元分析 陈艳春，秦仙蓉，王艳珍，刘春慧(1 上海同济大学，上海2 0 0 0 9 2；2 上海日立电器有限公司，上海2 0 1 2 0 6)摘要：旋转式压缩机消声器是设置在压缩机泵体排气口处的，其作用是降低气流脉动以降低噪声，改善压缩机性能。由于转子旋转一转就完成了一次排气过程，所以消声器所受的压力脉动也是周期性变化的。消声器在这种交变应力作 用下容易产生疲劳破坏，因此必须对其强度进行校核。本文运用有限
2、元仿真技术，从流体和结构两方面对消声器进行有 限元分析，对消声器的内部流场进行模拟，考虑消声器的多种工况和加工工艺，对其进行了静态强度校核以及疲劳强度 校核，从而对其可靠性进行判断。关键词：旋转式压缩机；消声器；压力脉动；疲劳破坏 中图分类号：T H 4 5 5；T B 1 2 6 文献标识码：A Ana l y s i s o n M uffl e r o f Ro t a r y Co m p r e s s o r C H E N Y a n c h u n ，Q I N X i a n r o n g ，WA N G Y a n z h e n ，L I U C h u n h u i
3、(1 S h a n g h a i T o n i U n i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，C h i n a；2 S h a n g h a i H I T A C H I E l e c t ri c a l A p p l i a n c e s C O ，L T D ，S h a n g h a i 2 0 1 2 0 6，C h i n a)Ab s t r a c t：Mu me r i s l o c a t e d a f t e r t h e e x h a u s t p o r t o f t h e p u m
4、p o f r o t a r y c o mp r e s s o r t o r e d u c e a i r p u l s e，n o i s e，a n d i mp r o v e t h e p e rf o r ma n c e o f c o mp r e s s o r P r e s s u r e wi t h i n mu f f l e r c h a n g e d p e ri o d i c a l l y i n e a c h r o t a r y Un d e r t h i s c o n d i t i o n，mu me r i s e a s
5、 y t o b e c o me f a t i g u e f a i l u r e S o i t i s n e c e s s a r y t o c h e c k i t s s t r e n g t hI n t h i s p a p e r，f i n i t e e l e me n t me t h o d s i mu l a t i o n i s a p p l i e d t o a n a l y z e t h e mu f fl e r f r o m t h e t w o a s p e c t s o f fl u i d a n d s t r
6、 u c t u r e Co n s i d e r i n g mu l t i f a r i o u s c o n d i t i o n s a n d p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y，i n t e r n a l fl o w fi e l d o f t h e m u f fl e r i s s i m u l a t e d t o c h e c k i t s s t a t i c s t r e n gt h a n d f a t i gue s t r e n gth Mu f fl e r S r e l i
7、 a b i l i t y c a n b e j u d g e d b y t h e r e s u l t Ke y wo r d s：r o t a ry c o mp r e s s o r；mu f fl e r；p r e s s u r e p u l s e；f a t i gu e f a i l u r e 1 前言 旋转式压缩机间歇性排气会造成压缩机排气 侧压力脉动，是一个主要噪声源。在旋转式压缩 机中广泛使用排气消声器来 降低压力脉动及噪声 水平。图 1是压缩机的纵剖示意。曲轴旋转一周的过程 中，冷媒 经吸气、压缩、排出、经消声器、壳体、电机、排气管进入系统中，压
8、缩机内部是高背压，消声器内表 面的压力通常 比外部略高。为 了确保压缩机 的可靠性，压缩机 必须经过许多可靠性试验进行检验。由于旋转式 压缩机中转子旋转一转就完成 了一次排气过程，所以消声器所 受的压力脉动 也是作周期性变 化 收稿 日期：2 o o 8 O 6 2 7修稿 13 期：2 o 0 8 1 2 0 3 的。消声器在这种交变应力作用下容易产生疲劳 破坏，所以必须对其强度进行校核。本文运用有 限元仿真技术，从流体和结构两方面对消声器进 行有限元分析，对消声器 的内部流场进行模拟，考 虑消声器的多种工况和加工工艺，对其进行静态 强度校核以及疲劳强度校核，从 而对其可靠性进 行判断、。2
9、有限元分析 2 1 流体分析 按照压缩机消声器的实际流体区域制作 C F D 模型，如图 2所示。2 0 0 9年第 3 7卷第 1期 流体机械 上 下 安 图 1 转子式压缩机纵剖示意 图 2 消声器 内部实 际流体 区域模型 本次消声器 内部流动 的模拟，考虑按稳态流 动进行计算，分析范围包括从缸盖排气 口到消声 器出口之间的流体 区域，人 口为速度边界，出口为 压力边界。在忽略叶片厚度 的情况下，压缩腔容 积变化率为：=R L e 孚+(1 c o s +8 c o s 2 q (1)式中 气缸半径，mm 气缸高度，m m e 偏心量，mm，s=e R 角速度，r a d s 曲轴角度，
10、r a d 这样可近似得到人 口速度为(d V d t)s(s为 排气 口截面积)，取最大速度作为人 口速度。在空调 系统 中压缩 制 冷剂 蒸 汽，建 立 制冷(制热或除湿)循环，在一年四季形成的不 同工况 条件下可靠运行，实现空调器的制冷(制热或除 湿)功能，并保证 l 0年以上 的使用寿命。同时在 寿命期 内应无故障运行，还必须确保空调能力衰 减在用户感观可接受范 围内，即制冷(热)量下降 1 0 以内。为了确保压缩机有 以上的可靠性，必 须有相关的可靠性试验来检验。不 同的工况下，消声器的内外压差是不 同的，所以必须在每个工 况下对消声器的强度进行校核。选择气体工况和 液体工况分别进行
11、校核。通过计算得到整个周期 消声器的受力分布如图 3所示。芝 H 兰 稚 弧 逛(a)某一时刻消声器壁面受力 曲轴角度(。)(b)一个周期 内消声器各 区域受力 图3 某一时刻消声器壁面受力和一个周期内 消声器各区域受力示意 2 2结构分析 运用流体分析软件，对消声器 内部的流场进 行模拟，确定了消声器 内部的气体 流动状况及受 力(流体力)，把这个结果作为结构分析的载荷和 边界条件施加在消声器上。消声器在理论载荷边 界条件为I 3,4 ：2 6 F LUI D MACHI NERY Vo 1 3 7，No 1，2 0 0 9 N=p a 2 (2)6=p a (1一 )s i n d p 2
12、 E t (3)=0 (4)式 中 消声器的内力，N p 消声器的内压，M P a 口 臂厚中性面半径，m m 6 一沿平行圆径向位移，m m u 消声器材料的泊松 比 咖 一臂厚中性面半径与中心线夹角，r a d E 消声器材料的弹性模量，G P a f 消声器的壁厚，m m 一经线切 向转角，r a d 对消声器进行有 限元理论分析，对该系统进 行离散，确定单元的节点位移列阵和节点力列 阵，根据确定位移模式的基本原则，整理出单元的形 状 函数矩阵 j：M=U F W =N (5)由节点条件直接确定位移模式中的待定系数 和形状函数矩 阵的方法显得非常麻烦，可利用单 元 的自然坐标直接应用 L
13、 a g r a n g e 插值公式写出形 状 函数矩阵。在得到该单元 的形状函数矩 阵后，就可以推导出：单元的应变场：8=B A (6)单元的刚度矩阵：K =D h A (7)等效节点载荷矩阵：R =Q +J N R d J +ff N R h d x d y (8)单元的刚度方程：R=K (9)节点位移、单元应变、单元应力、节点力之间 的关系如图4所示：f K =B f D l f B I h A 图4 节点位移、单元应变、单元应力、节点力之间的关系 运用结构分析软件对消声器进行 网格划 分，以六面体网格为主。约束消声器 的螺栓孔，在消 声器的内、外表面施加不同的压力。消声器有限 元模型
14、和边界条件示意图如图 5所示。图5 消声器有限元模型、载荷和边界条件示意 消声器是钣金 冲压件，在倒角处壁厚往往会 减薄。消声器倒角示意如图 6所示。对消声器进 行强度考核时，加工工艺因素也需考虑。图 6 消声 器模 型和倒角不恿 考虑消声器 的两个 工况 以及加工工艺 问题 后，通过有限元计算，最后得到消声器在气体工况 下的最大应力为 9 0 M P a，液体工况下的最大应力 为 2 1 0 MP a。最大应力发生在排气 口以及螺栓孔 附近的倒角处。消声器应力云图和变形云图如图 7所 示。对消声器进行静态强度校核，消声器 的破坏 强度极限为3 1 0 M P a，所以其许用应力为：o r =
15、c r b n=2 0 7 MP a。液体工况下的消声器最大应力 大于其许用应力，此消声器在这个工况下是不安 全的。气体工况下 的消声器最大应力为 9 0 MP a，小于许用应力，故此消声器在这个工况下是安全 的。旋转式压缩机 中转子旋转一转就完成了一次 排气过程，所以消声 器所受的压力脉动也是作周 期性变化的。消声器在这种交变应力作用下容易 2 0 0 9年第 3 7卷第 1 期 流体机械 2 7 产生疲劳破坏。疲劳破坏和静应力破坏有着本质 的不同。当交变应力远小于其静载下的强度极限 时，破坏可能发生；即使是塑性很好 的材料，在疲 劳破坏前也是没有明显 的塑性变形，破坏是突然 发生的。(a)
16、应力云图 0 “l十 4 4 9 3f r 1 、(b)变 形 图 图 7 消声器应力云图和变形云图 在实际工程问题中疲劳破坏往往是在没有 明 显预兆的情况下突然发生的，从而容易造成严重 事故。据统计，机械零件 的损坏大部分是疲劳破 坏。对在交变应力下工作 的零件，仅仅进行静力 校核是不够的，进行疲 劳强度计算是非常有必要 的。因此，虽然气体工况下消声器 的静力校核是 安全的，仍然需对消声器进行疲劳强度计算。把结构分析软件分析的结果倒人疲劳分析软 件，由于消声器必须保证能在较长的时 间内都不 能损坏，所以根据无限寿命设计准则，把消声器的 设计 寿命 l 0 次循环。分析结果如图 8所示。根据分
17、析可知，消声器的安全系数在 1 9以 上，故此消声器是安全的。3 结论 图8 消声器安全系数(1)通过对 消声器 的内部流场进 行模拟，确 定了消声 器 内部 的气体 流动状 况及受 力(流体 力)，并把流体结果作 为边 界条件施加在结构分 析上，考虑消声器的多种工况和加工工艺，对其进 行静态强度校核 以及疲 劳强度校核，从而对其可 靠性进行判断；(2)虽然在气体工况下消声器能满足强度要 求，但是其在液体工况下的强度是不够的，所以这 个消声器仍然是不符合设计要求的，设计需要改 进；(3)可 以通过增加消声器 的厚度、增加消声 器的高度、增大消声器倒角处 的半径、改善工艺，增大消声器倒角处的壁厚
18、等等方法来改善。参考 文献 1 马国远，李红旗 旋转压缩机 M 北京：机械工业 出版社，2 0 0 1 2 缪道平，吴业正 制冷 压缩机 M 北 京：机 械工业 出版社，2 0 0 1 3 宁俊 材料力学(第二册)M 上海：上海大学 出 版社(筹)，1 9 9 5 4 徐灏 机械设计手册 M 北京：机械工业 出版社，20 0 0 5 曾樊 有限元分析及应用 M 北京：清华大学出版 社，2 0 0 4 作者 简 介：陈艳 春(1 9 7 7 一)，女，硕 士 研 究 生，通 讯 地 址：2 0 1 2 0 6上海市浦东金桥出口加工 区云桥路 1 0 5 1 号上海 日立 电器 有限公 司。6 6 7 2 7 2 7 i 5 4 2 9 8 6 5 3 3 2 2 2 2_ _l 1 2 n n n n 9 8 7 6 5 4 3 2 0 卯铝 m f 4 3 3 2 2 10 O O 叭叫 吣 0 簿善誓_簟 黪 蠢 萝I