基于ANSYS仿真的渦旋壓縮機排氣閥的優化設計

凡沁 相玲玲

摘 要 本文通過ANSYS仿真分析，對渦旋壓縮機的排氣閥片進行優化設計。最后通過試驗驗證，與不帶排氣閥的渦旋壓縮機相比，帶有優化設計的排氣閥的渦旋壓縮機性能明顯提升。

關鍵詞 渦旋壓縮機;ANSYS;排氣閥

引言

渦旋壓縮機是一種容積式壓縮機，壓縮部件由動渦旋盤和定渦旋盤組成，廣泛應用在制冷、空調、熱泵、真空泵等領域[1]。由于渦旋壓縮機實際應用時，工況總是處于變化中，內外壓比不一致。渦旋壓縮機的排氣壓力（外壓力）Pd與內壓縮終了壓力（內壓力）Pi不相等時，在第二壓縮腔與中心壓縮腔相通（對應的主軸轉角為）的瞬時，氣體要進行定容積壓縮或膨脹，以使壓力由Pi均衡到排氣壓力Pd，這就產生了附加損失功率[2]。

為滿足不同的壓縮比，減少過壓縮或欠壓縮帶來的附加功率損失，可以通過渦旋壓縮機用位于定盤上的動態排氣閥來調節[3]。通過ANSYS仿真分析，本文設計并優化了一種排氣閥，在保證安全可靠的前提下，可以有效提升渦旋壓縮機變工況性能。

1理論分析

1.1 排氣閥的基本原理分析

①當內壓力比大于外壓力比時，就會出現欠壓縮時，此時閥片的在壓差作用下處于閉合狀態，當中心壓縮腔壓力大于定盤外壓力，此時，位于排氣口的閥片開啟，使內外壓比一致;

②當內壓力比小于外壓力比時，就會出現過壓縮時，在第二壓縮腔開排氣口，此時位于第二壓縮腔的排氣閥片在內外壓差的作用下開啟，壓縮機提前排氣，最終使內外壓比一致。

1.2 排氣閥的基本設計

（1）氣閥阻力損失小

由于渦旋壓縮機排氣口直徑小，限制了閥片的大小，結構上要選取合理的形狀，使氣閥結構緊湊，間隙通道面積大，閥片完全開啟時流經氣閥的阻力損失盡量小。氣閥的阻力損失應控制在壓縮機指示功率的6%～12%。涉及不良時，此項損失阻力可至15%～20%[4]。

（2）使用壽命長

要求在反復沖擊載荷下，閥片使用壽命長，不至于過早地損壞。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動規律，撞擊速度低[5]。

2方案設計

因為位于中心壓縮腔和第二壓縮腔的閥片開啟頻率不同，采用多段式的結構設計，可以消除相鄰舌簧片間的剪切應力，提高排氣閥片的疲勞強度。

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，原方案最大應力在排氣閥片B的根部;排氣閥片A、C的應力最大值約為212MPa，遠小于排氣閥片B的最大應力。新方案中，最大應力依然是在排氣閥片B的根部;排氣閥片A、C的應力最大值約為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試驗驗證

隨機抽取1臺帶排氣閥片（型號GC45HD-38A）的壓縮機和1臺不帶排氣閥片（型號GC45HD-38A0）的壓縮機，在多個工況下進行試驗，對比性能，試驗結果如下，壓縮機設計的名義工況是ET/CT -15/40℃，SC 8.3℃， SH 10℃。

試驗結果：

（1）在工況ET/CT：-35/40℃、-25/40℃、-15/40℃時，壓縮機處于欠壓縮工況，通過試驗數據分析可以得出，帶排氣閥片的渦旋壓縮機制冷量提升約8%，COP提升了約10%，性能優于不帶閥片的渦旋壓縮機;

（2）在工況ET/CT：-5/40℃時，壓縮機處于過壓縮工況，通過試驗數據可以看出，帶排氣閥片的渦旋壓縮機制冷量提升約1%，COP提升約0.5%，性能優于不帶閥片的渦旋壓縮機。

參考文獻

[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] 吳業正，李紅旗，張華.制冷壓縮機[M].3版.北京：機械工業出版社，2018.

[3] 姜輝.家用空調滾動轉子壓縮機舌簧閥工作特性研究[D].廣西：廣西大學，2013.

[4] 郭仁寧，李頌.往復式壓縮機氣閥故障分析與改善措施[J].煤礦機械，2009：55-56.

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