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第38卷第3期
化工机械
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涡旋压缩机涡旋盘的数值模拟研究
郭仁宁“王若把冯新伟
(1.江宁工程技术大学机械工程学院:2.沈阳农业大学高等职业技术学院)
摘要用有根元分析软件对涡压涡凌盘进行数值计算,探讨涡盘在工作过程中由于力的作
用而产生的应力与变形的规律,得出涡盘所受应力的最大值及位置,以及径向变形的最大位移。
关键词溺旋压机涡盘数值模拟
中图分类号TQ051.21
文献标识码
文章编号02546094(2011)03-0345-03
涡旋式压缩机是一种在过去几十年中得到了
快速发展的新型压缩机械,其体积小,效率高,噪
音低。目前已在柜式空调领域占有绝对优势,在
车用空调领域也逐渐显示出强大的竞争力。涡旋
压缩机的研究主要借鉴技术比较成熟的滚动活塞
式、螺杆式等回转压缩机模型,但是由于涡旋压缩
机工作特性比较复杂,各研究文献的側重点互.不
相同,分析也不能全面,所以至今无法建立涡旋式
压缩机统一的系统的数学模型。同时由于实验条
件和技术的限制,许多研究只限于理论分析而没
有其体的实验结果验证。本文利用 ANSYS软件
图1涡盘结构的网格划分
进行数值模拟,可以进一步验证理论研究。
并且其周围结构起到了加强的作用,实际工况下
1模型的建立
变形很小,为了计算方便,将其假定为刚性体,且
由于涡旋盘实际形状复杂,涡圈是具有曲面变形只发生在涡旋齿上。
边界的结构体,因而在选择有限元单元类型时,笔2约東条件及应力分析
者选择 ANSYS中的Soid95单元。采用自动网格2.1约東条件
划分方法对涡旋盘实体进行网格划分”,如图
动涡旋盘在稳定工况下长时间运行时,其上
所示。
的温度分布比较均匀,故未考虑温度场的影响。
为了能够准确地反映涡旋盘的位移场和应力动涡旋闭死容积内的气体压力是随曲柄转角变化
场,如果把整个涡盘的结构包括细微的倒角和圆的,在吸气过程结東的瞬间,作用于动涡旋盘内、
角等作为研究对象,然而这样会导致网格划分过外表面的压力差最大,此时齿部的轴向变形及端
密,不仅增加了计算费用和工作量,而且细小的结板的变形也最大,故本文的分析确定为此工况。
构会导致网格形状变坏,增大计算误差,甚至导致根据装配关系,假定在保持最小油膜厚度的条件
整个计算结果失真。因此,有必要对一些不重要下,动涡旋盘受静涡旋盘下表面的约東,认为端板
的结构细化进行简化,以便更好地进行分析工作。周边上所有的点在z向被约束。动涡旋盘端板下
考虑到涡旋盘的端板与涡旋齿厚度相比较较厚
端面(背部)由于受与其相邻零件十字环的限制,
郭仁宁,男,1956年8月生,教授。辽宇省阜新市,123000
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2011年
使其只能做偏心回转平动,因此认为动涡旋盘在力为300MPa,求得的最大应力远远小于此值,所
x方向被y轴上的点约東,y方向被x轴上的点约以在整个周期瞬时动态工作过程中,涡旋盘强度
束
满足工作要求。
2.2应力分析
图3、图4是涡旋盘上x,y方向位移变形图,
温度载荷、惯性载荷、各种气体力载荷和接触从图中可以找出在气体力的作用下最大径向位移
力截荷是涡旋压缩机工作过程中主要承受的外发生的位置。
力。其中,气体轴向力、径向力、切向力以及动
静涡盘之间的接触力和自身重力尤为明显。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,与排气ロ相通的中心腔内的压力为排气
压力。涡旋压缩机在实际工况下,由于内外工作
腔压力不同,有压差而产生气体径向力,其大小从
外侧吸气腔到中心排气腔逐渐增大。除了受到各
种力的载荷还要受到温度的作用,温度与力的变
化相像。由于动静涡盘作用使压缩机产生3个压
缩腔,其压力分别是p1=101kPa,P2=427kPa,P3
=1.179MPa,采用以上压力为载荷边界条件进行
图3涡旋盘x轴方向位移变形图
有限元分析。
3结果及分析
相对于涡旋齿,端板壁厚大得多,所以此时涡
旋齿处的受力状态可以近似于悬臂梁在均布载荷
下的受力状态。又加上在此处几何突变,其根部
应力值必然较大。涡旋齿的头部处于高压差区,
又为涡旋齿的边缘,所以其齿头部的应力值自然
最大,即此处为强度破坏的最危险点。其应力值
的大小直接影响动盘涡旋齿的强度及寿命。
图2是涡旋盘应力的 Mises等效应力曲线。
图4涡旋盘y轴方向位移形图
由于气体力作用在x轴方向上,从而使动涡
旋产生弯曲变形,其中以齿头部附近的变形量为
最大,其值为12.4um,其余各点平均在3-7pm
之间。y轴方向最大轴向变形也发生在齿头部,
为9.38m,其余各点的平均变形量在7-8um
之间。
相对于涡旋齿,端板壁厚大得多,所以此时涡
旋齿上的受力状态可认为近似于悬臂梁在均布载
荷下的受力状态。梁的自由端变形最大,所以涡
图2涡盘等效应力图
旋齿项端的变形应为最大,并且最大位移发生在
从图2中可以发现,涡旋盘的最大应力点涡旋齿的最内圈,其 Mises应力最大值为
(39.7MPa)发生在齿头部,此处为强度破坏的最39.7MPa,且在x轴方向上,齿头部附近的变形量
危险点,其应力值的大小直接影响动盘涡旋齿的为最大,其值为12.4pm,在y轴方向上,最大轴
强度及寿命。已知 Cucrmo合金铸铁的许用应向变形也发生在齿头部,为9.38m,满足工作条
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