往復式壓縮機溫度計套管的有限元仿真分析

李首霖 ，楊 娜

（1.沈陽鼓風機集團往復機有限公司， 遼寧 沈陽 110869； 2.沈陽鼓風機集團齒輪壓縮機有限公司，遼寧 沈陽 110869）

引言

緩沖器是往復式壓縮機中重要組成部分，溫度計套管被安裝在往復壓縮機工藝管道或者緩沖器上，容易產生共振而受損。在對溫度計套管周圍流場及其對溫度計套管的影響等問題進行分析時，分析計算域被簡化為均勻來流的圓柱繞流問題，但由于溫度計套管根部距離壓力容器壁面較近，會對溫度計套管周圍流場產生一定影響，因此采用三維流動分析，對溫度計套管進行三維流固耦合數值分析。

1 溫度計套管的穩態分析

1.1 溫度計套管穩態數值的計算分析

1.1.1 計算模型及網格

圖1 計算模型網格劃分

緩沖器筒體直徑700 mm，溫度計套管長400 mm，其中浸于流場內的部分長250 mm。分析選用ANSYS進行網格劃分，網格采用非結構化網格，壁面首層0.01 mm，網格劃分如圖1所示。

1.1.2 溫度計套管周圍流場的數值分析

溫度計套管周圍流場模型計算域為直徑700mm的緩沖器，一端均勻進氣。計算邊界條件為：定常計算；定常計算湍流模型為k-ωSST，非定常計算湍流模型為DES。入口邊界條件為：總壓15.9 MPa、總溫313 K、進氣方向Z軸正向。出口邊界條件為：排氣方向Z軸正向，流速10 m/s。計算介質為理想氫氣。固壁絕熱無滑移。

計算結果顯示，截取溫度計套管頂部和根部，流速分布、總壓分布及流線分布分別如圖2—圖7所示，其中Y值為在模型坐標系中溫度套管在緩沖器中的徑向位置坐標值。從圖中可以看出，由溫度計套管頂部到根部，由于受壁面影響，經過溫度計套管后的尾跡旋渦不斷增強。

圖2 端部Y=105 mm處截面流速（m/s）分布圖

圖3 端部Y=105 mm處截面壓力（Pa）分布圖

1.1.3 溫度計套管流固耦合數值的分析

以溫度計套管周圍流場數值計算結果為輸入，對溫度計套管進行流固耦合分析。由對溫度計套管周圍流場數值計算結果的分析可知，溫度計套管周圍流場的壓力分布不均勻性較小，對溫度計套管作用的形變量也相對較小，因此采用單向流固耦合分析。

圖4 Y=105 mm處截面流線（m/s）分布圖

圖5 Y=300 mm處截面流速（m/s）分布圖

圖6 Y=300 mm處截面壓力（Pa）分布圖

圖7 Y=300 mm處截面流線（m/s）分布圖

1.2 溫度計套管的模態分析

模態分析是對激勵狀態下物體的動態響應的分析。圖8展示了溫度計套管以穩態壓力流場作為預應力的1～4階模態振型圖。

圖8 套管1～4階模態振型圖

1.3 溫度計套管穩態的應力分析

以流場定常數值分析結果為流固耦合計算的輸入初始條件，即溫度計套管表面穩態氣動載荷，加載壓力場后，經過穩態流固耦合數值計算后，計算結果如圖9所示，最大應力強度值為43.085 MPa，低于材料的屈服極限，最大應力點位于套管根部。

圖9 溫度計套管穩態載荷下應力（MPa）分布云圖

2 溫度計套管的瞬態分析

2.1 溫度計套管瞬態數值的計算分析

通過對溫度計套管穩態流固耦合數值計算分析可知，溫度計套管應力分布的最大值位于溫度計套管根部，最大應力值為43.085 MPa，遠小于溫度計套管材質的屈服極限。為進一步分析溫度計套管所處流場特點及溫度計套管瞬態力學特性，對溫度計套管進行瞬態流固耦合分析。以溫度計套管定常計算結果為初場，對緩沖器進行非定常計算，本次計算監測在溫度計套管近壁面同一高度處設置8個監測點，示意圖如下頁圖10所示。在三維計算中，沿著溫度計套管高度方向，設置6層高度不同的監測截面，示意圖如下頁圖11所示。

2.2 溫度計套管瞬態的應力分析

在進行瞬態計算時，設定載荷步為120步，選取最大應力點位置及其附近共4個節點，考察在一個周期內應力隨時間的變化情況，其中node1與node2相似，node3與node4相似，node1與node3的應力變化如圖12、圖13所示。

圖10 同一高度截面監測點布置位置圖

圖11 溫度計套管6個監測截面示意圖

圖12 node1應力隨時間變化圖

圖13 node3應力隨時間變化圖

2.3 溫度計套管的疲勞評定

溫度計套管的材料、表面狀態、機械載荷激勵都是造成溫度計套管疲勞破壞的原因。通過對溫度計套管周圍流場的非定常瞬態分析可知，應力循環周期約為4×10-3s，由此可知，溫度計套管在使用壽命60年的壓力循環次數為4.73×1011次＞105次，屬于高周疲勞。

Goodman 曲線橫軸坐標為（Sm，0），縱軸坐標為（0，Sa），在設計溫度下的Sm=171 MPa，根據材料的S-N曲線，無限壽命的疲勞極限Sa=62.8 MPa。

其中，徑向安全系數方程為：

式中：AR為許用最大應力幅值，BR為額定應力幅值。node1至node4節點的許用最大應力幅值和額定應力幅值均分別為34.34和3.6。因此各點的徑向安全系數：node1，nfR=9.54；node2，nfR=9.54；node3，nfR=9.54；node4，nfR=9.54。許用安全系數[n]=1.5，可見各安全系數均大于許用安全系數，因此，滿足設計需求。

3 結論

通過對套管進行靜力學流固耦合穩態計算分析，得到在流場介質作用下套管的應力分布及模態。同時，對套管周圍流場做三維瞬態非定常數值計算，得到套管表面周圍氣動載荷的壓力脈動特性，并進行瞬態流固耦合分析得到以下結論：溫度計套管最大應力分布位于溫度計套管根部，最大應力值43.085 MPa，遠小于溫度計套管材料的屈服極限。套管疲勞屬于高周疲勞，安全系數為1.5，各點的徑向安全系數采用Goodman線計算得出為9.54，符合設計需求，驗證了套管的可靠性。