旋转压缩机轴系窜动仿真.doc

旋转压缩机轴系窜动仿真

【关键词】双缸压缩机电机转子轴向压差脉动
【摘要】压缩机内曲轴转子系统的轴向窜动是引起异常音的主要因素。本文通过对压缩机内流场的CFD模拟，得到电机转子上下表面的压力脉动，并应用数值计算法将该压力脉动转化为曲轴转子系统的轴向速度和位移，为异常音的分析提供了有效的方法，同时为压缩机曲轴止推面高度的设计提供了必要的依据。结论已得到实验的证实。

1.前言
出口
入口
图二CFD模型网格图
图一旋转双缸压缩机结构简图

旋转压缩机排气的间歇性会引起消音器和电机上下空腔内的压力差脉动，该压力差脉动使电机转子受到大小、方向周期性变化的气体力，如果此气体力大于电机转子所受的轴向电磁力及重力的合力，电机转子和曲轴会产生轴向运动，若轴向运动位移超出曲轴止推面与气缸高度的配合间隙范围，曲轴上、下止推面与缸盖端面将发生碰撞而产生异常噪音（频率600-1000Hz），同时降低曲轴可靠性。旋转双缸压缩机的开发成功，解决了单缸压缩机的偏心振动问题，但双缸排气存在180度的相位差，两次排气气体互相干扰，加剧了电机转子上下空间内的压力差脉动，电机转子、曲轴的轴向窜动和异常音产生的可能性将增大。

本文应用CFD软件对压缩机壳体内的冷媒气体流动进行模拟，分析双缸旋转压缩机电机上下空腔内的轴向压力差脉动，并应用数值计算法将该压力脉动转化为曲轴转子系统的轴向速度和位移，为压缩机曲轴止推面高度的设计提供必要的依据，同时为异常音的分析提供有效的方法。
2．CFD模型及边界条件
本文以STAR－CD软件为工具，对图一所示的双缸旋转压缩机内部流场进行模拟计算。
2.1CFD模型
电机和双缸压缩结构分别位于压缩机的上、下部，两者通过曲轴结合。气缸内被压缩的高压冷媒气体经排气孔、消音器，流到电机下部空腔，之后再通过电机定子的通流孔到达电机上部空腔，最终从壳体上部的排气管排出。
图二中的CFD模型是按照压缩机实际结构确定出整个流场区域，再通过CAD和CFD前处理软件相结合而生成的。压缩机整个排气通道的形状非常复杂，有些通道的间隙很小，因此解析中通常会做一定简化。此模型中忽略了电机定、转子间隙。
2.2边界条件
压缩机冷媒R22,转速2840rpm，假设工质气体为理想可压缩气体，气体物性根据简化的PR方程计算，即；采用瞬态计算和雷诺数湍流模型，湍流强度为0.01，湍流混合长度为0.001；并考虑重力对流动的影响。入口为速度边界，双缸压缩机上下入口相位差180度，下排气口先排气，入口流速曲线如图三所示；出口为压力边界。
3.计算结果
在压缩机工作过程中，如果电机转子上、下部压力的合力（即电机上下压差力）向上，且超过重力等向下的力时，曲轴转子系统就会产生轴向上窜位移，若位移大小在可动界限内，即与上缸盖不冲突的状况，那么曲轴转子系统向上运动一次，意味着曲轴下止推面与下缸盖会发生一次碰撞，由于下缸盖是置于润滑油中的，碰撞产生的噪音频率较小，可不考虑。但上窜位移越大，曲轴下止推面与下缸盖的碰撞力也会越大，对曲轴的可靠性影响也越大。若曲轴转子系统上窜位移太大，超过可动界限时，曲轴上止推面就会与上缸盖发生碰撞，而使压缩机产生噪音。
通过对两种电机定子通流面积的模型（通流面积比为0.7：1）进行CFD计算，得到电机转子上下空腔的压力分布，经过结果后处理，并根据龙格－库塔法，对轴系进行轴向受力分析，可数值性求得曲轴转子系统的轴向加速度、速度及位移。结果曲线如图四、五所示。横轴是曲轴回转角度，包含一个周期，基准是压缩机起动时曲轴的初始位置点；纵轴分别表示电机转子上、下压力（实线表示下部空间的压力脉动，虚线表示上部空间压力脉动），压力差以及曲轴转子系统的轴向上窜位移。

压缩机实际设计中，要求曲轴上止推面与上缸盖的配合间隙大于曲轴转子系统的上窜位移，否则曲轴上止推面与上缸盖发生碰撞而产生噪音，但考虑到对曲轴下止推面可靠性以及上缸盖润滑的影响，曲轴上止推面与上缸盖的配合间隙不能设置太大。
从上图曲线看，增大电机定子通流面积（比0.7→1）可以减小曲轴转子系统的上窜位移（1→21.7%），但同时也会减小电机效率，因此需要对两者进行合理的选取，选取一个最优值，在保证压缩机可靠性的前提下，使压缩机的效率达到最高。
5.实验验证
5.1压力测试
实验用压缩机的电机通流面积比为1。在密封容器内的电机上部空间以及下部空间安装着压力和压差变送器以及数据记录仪。测点布置如图九所示。
实测与CFD计算结果的比较如图十所示，从比较结果可以看出，实测结果与计算结果波动趋势基本相同，但实测值是转子上下某点的压力脉动和压差，而CFD计算值是转子上下的平均压差，因而数据幅值稍有差异。
数据记录仪
图九实验测点布置图
压力变送器
压力变送器
压差变送器
5.2．装机实验

按照前期曲轴转子系统上窜位