18cc涡旋压缩机动涡旋盘的热应力分析

我爱汽轮机仿真 2023年6月20日浏览：1520 评论：2

摘要：以某一企业18cc型号电动汽车涡旋压缩机为研究对象，结合有限元理论综合考虑，腔体内存在温度场及气体压力等载荷条件，采用热固间接耦合的方法在workbench平台上对动涡旋盘的变形应力情况进行数值模拟仿真。得到工作腔内部压力、温度等性能参数及应力分布规律，并结合仿真结果分析指出对压缩机性能产生影响的因素。模拟结果表明，动涡旋盘在涡旋齿头顶部变形最大，最大应力出现在涡旋齿根部。并搭建性能测试平台验证了仿真结果的正确性，为此型号压缩机进一步优化提供理论参考。

1 动涡旋盘模型前处理

1.1 三维模型

18cc型号电动汽车用涡旋空压机主要结构如图1所示，运行过程主要部件有动、静涡旋盘及定位盘。定位盘的目的是为了确定曲轴旋转角度，使其绕着固定的轨迹运转。动涡旋盘三维模型如图2所示，基本参数如表1所示。

图1 压缩机主要部件

图2 动涡旋盘三维模型

表1 动涡旋盘基本参数

1.2 网格划分

涡旋盘的材料为铝合金，其特性参数如表2所示。采用六面体网格自动划分方法和Program Controlled算法，设置最小单元尺寸为1 mm，进行网格划分。图3为划分网格后的动涡旋盘，最终确定动涡盘有限元网格中的单元数为648 382，节点数为442 552。

表2 材料参数

图3 动涡旋盘网格

1.3 载荷与约束条件

温度载荷、气体载荷、惯性力载荷及涡盘接触之间的载荷是涡旋空压机实际运行过程中主要承受的外力。但由于涡旋盘整机装配精度和本身零件的高精度加工，涡旋齿之间的接触力较小，且惯性力载荷和轴向力会由背压腔等技术得到平衡，故对涡旋齿强度影响最主要的因素是温度载荷及气体力载荷的耦合作用。随着压缩腔内容积的周期性变化，此过程给动涡盘带来的受力作用如图4所示。处于动涡盘外侧的压力为吸气腔压力Ps，与中心排气孔连通的为排气压力Pd。

图4 动涡旋盘受力图

1.3.1 载荷计算

涡旋空压机开始排气时的涡旋盘内外壁面产生最大压力差，导致涡旋齿变形最大，故选取这一时刻进行工况计算，其压缩腔容积如图5所示，其运行工况参数如表3所示。

表3 压缩机运行工况参数

图5 压缩腔容积

假设压缩运行过程是绝热且任意压缩腔内气体的状态参数相同，此时压缩腔内各容积可由式（1）计算得到：

式中，Ps为吸气压力；Pi为各压缩腔的压力值；k为制冷剂R134a的等熵指数，取1.19；Vc为吸气腔的容积；Vi为第i个压缩腔的容积；θ为动涡旋盘转角；θs为排气时刻主轴转角。压缩腔内体积变化的公式如式（2）：

1.3.2 约束条件

考虑动涡盘的几何运动规律，施加以下位移约束：（1）动涡旋盘轴承孔顶部断面Z方向自由度为零；（2）动涡旋盘轴承孔内侧壁面X、Y方向的自由度为零；（3）端板内侧壁面Z方向自由度为零。将上述位移约束条件作用于动涡盘有限元模型表面，软件会自动将其转换到各相应节点上。

2 仿真结果分析与讨论

2.1 温度载荷下的应力变形分析

为了模拟动涡盘在实际运行工作过程中的温度分布，沿涡盘中心半径方向施加呈线性减小的温度场，将温度载荷施加到动涡盘的壁面上，同时设置环境参考温度为25℃，进行载荷施加计算求解后其温度场分布如图6所示。随着动涡旋盘转动，R134a制冷剂被压缩，中心腔温度最高，动涡旋齿的温度分布与制冷剂的温度分布呈现相同的规律。因此，在超过70℃的温差载荷下，仅在温度载荷条件下，动涡旋齿的热变形如图7所示。由于处于动涡旋盘中心的排气温度高达105℃，因此涡旋齿头顶部处产生最大的温度载荷和热应力变形，变形量随着展开角的增大呈减小趋势。最大热应力变形为24.8 μm，最小变形值为2.8 μm。

图6 温度场分布图

图7 热载荷下动涡旋齿应力变形图

轴向热变形比径向热变形更明显，会改变动、静涡旋盘的啮合间隙，对气体泄漏等有一定影响，其变形如图8所示。

图8 热载荷下动涡旋齿应力变形图

2.2 气体力载荷下的应力变形分析

涡旋齿受到的气体力作用主要来自内外侧两个压缩腔的径向力作用，由式（1）和式（2）求得排气时刻即转角θ=θs=270°时，压缩腔2的压力为0.63 MPa。假设同一压缩腔压力相同，将气体载荷施加在涡旋齿壁面上。图9为仅在气体力载荷下的动涡旋齿变形分布图。最大变形量同样出现在涡旋齿头顶部，约为3.2 μm，最大应力则出现在涡旋齿根部，数值约为40.6 MPa。

图9 气体力载荷下动涡旋齿应力变形图

涡旋齿上的变形从齿顶到齿根呈逐渐减小的趋势，这是因为端板刚性固定约束部件，变形为零，齿顶为自由端，此时的整体受力模型可简化为一受均布载荷的悬臂梁，模型如图10所示。为此沿涡旋齿壁面渐开线建立路径获取齿顶及齿根部变形数据，其变形如图12所示，可见在同个横坐标下齿顶变形量大部分大于齿根，证明模型的正确性。

图10 仅在气体载荷下的动涡旋齿受力模型

图11 路径P12上的应力分布

图12 齿根与齿顶变形对比

2.3 热固耦合分析

图13为热固耦合场作用下的动涡旋齿应力变形图，可以看出，最大变形发生在涡旋齿齿头顶部处，最大值约为25.0 μm。变形量沿径向和轴向逐渐减小，最小变形量为2.8 μm。在不同的温度和气体压力下，动涡旋盘存在不同的应力，最大应力出现在齿根处，达到314.0 MPa。应力数值沿径向和轴向逐渐减小，最小值为34.9 MPa。可知，涡旋齿根部存在最大变形和最大应力，且涡旋齿尾部及涡盘底面变形相对较小。