磁懸浮壓縮機(jī)消聲器的設(shè)計(jì)

□ 李 媛

特靈科技亞太研發(fā)中心 上海 200051

1 設(shè)計(jì)背景

在大冷量范圍內(nèi),原有四壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組單臺(tái)壓縮機(jī)制冷量最大為310 t,和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比,存在能效低、成本高的缺點(diǎn)。為順應(yīng)市場(chǎng)需求,提升競(jìng)爭(zhēng)力,創(chuàng)造新機(jī)會(huì),筆者所在單位決定采用大制冷量的磁懸浮壓縮機(jī),設(shè)計(jì)三壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組,將整機(jī)制冷量提升至1 500 t,應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。

2 整體布局

三壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組組成如圖1所示。三壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組由底座組件、壓縮機(jī)組件、蒸發(fā)器組件、電控柜、冷凝器組件、風(fēng)機(jī)、底座支撐、相應(yīng)管道等組成。

▲圖1 三壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組組成

正視電控柜,機(jī)組左側(cè)為回路1,機(jī)組右側(cè)為回路2。遠(yuǎn)離電控柜的磁懸浮壓縮機(jī)代號(hào)為A,靠近電控柜的磁懸浮壓縮機(jī)代號(hào)為B。

三壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,回路1采用一個(gè)磁懸浮壓縮機(jī),回路2采用兩個(gè)磁懸浮壓縮機(jī)的布局。為最大化共用零部件,并考慮到裝配過(guò)程,保持蒸發(fā)器組件位置不動(dòng),沿軸線中心布置。為方便管道連接及電氣走線前方無(wú)遮擋,三壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組保留1A壓縮機(jī)位置,取消原四壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組1B壓縮機(jī)。兩機(jī)組的布局分別如圖3、圖4所示。三壓縮風(fēng)冷離心機(jī)組總體布局中,1A、2A、2B壓縮機(jī)與原四壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組的壓縮機(jī)位置保持一致。壓縮機(jī)位置確定之后,便可進(jìn)行消聲器支撐及連接的設(shè)計(jì)。

▲圖2 三壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

▲圖3 四壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組布局▲圖4 三壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組布局

3 消聲器組件設(shè)計(jì)

磁懸浮壓縮機(jī)組件如圖5所示,壓縮機(jī)供應(yīng)商提供的零部件包括磁懸浮壓縮機(jī)、單向閥、連接法蘭等。

▲圖5 磁懸浮壓縮機(jī)組件

由于大制冷量磁懸浮壓縮機(jī)噪聲較大,因此需要設(shè)計(jì)消聲器組件,以減小噪聲。消聲器安裝在該壓縮機(jī)排氣口單向閥之后,與出口連接有兩種方案。

消聲器組件設(shè)計(jì)方案一如圖6 所示,設(shè)計(jì)圓形法蘭替換單向閥右側(cè)的方形連接法蘭,并用雙頭螺柱取代M16螺栓與單向閥進(jìn)行連接。

▲圖6 消聲器組件設(shè)計(jì)方案一▲圖7 消聲器組件設(shè)計(jì)方案二

消聲器組件設(shè)計(jì)方案二如圖7所示,保留單向閥右側(cè)的方形連接法蘭,通過(guò)過(guò)渡銅管,與消聲器組件圓盤進(jìn)行焊接。

經(jīng)分析,方案一為保證連接可靠性,圓形法蘭厚度較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高。壓縮機(jī)供應(yīng)商提供的方形連接法蘭內(nèi)部存在特殊結(jié)構(gòu),若自行設(shè)計(jì)進(jìn)行替換,會(huì)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。方案二通過(guò)過(guò)渡銅管直接與消聲器組件圓盤焊接,無(wú)需打孔,成本較低,可靠性高。

從安全及成本角度出發(fā),最終選擇方案二。為保持吊裝的穩(wěn)定性,保持機(jī)組的整體水平,需要設(shè)計(jì)兩個(gè)吊耳。將銘牌貼于消聲器殼體正上方兩個(gè)吊耳之間,方便在機(jī)組中進(jìn)行查看。消聲器組件在機(jī)組中的安裝位置如圖8所示。

▲圖8 消聲器組件安裝位置

4 消聲器組件裝配

消聲器組件裝配過(guò)程如下:

(1) 將消聲器的法蘭組件拆除,如圖9所示,方便后續(xù)裝入消聲材料;

▲圖9 拆除法蘭組件

(2) 將消聲器殼體組件圓盤與過(guò)渡銅管進(jìn)行焊接,如圖10所示,再與壓縮機(jī)單向閥方形連接法蘭進(jìn)行焊接,同時(shí)法蘭組件與后續(xù)總裝銅管進(jìn)行焊接，如圖11所示;

▲圖10 焊接過(guò)渡鋼管▲圖11 焊接總裝銅管

(3) 將消聲材料從右側(cè)裝入消聲器殼體中,如圖12所示;

▲圖12 裝入消聲材料▲圖13 擰緊組件

(4) 殼體法蘭上安裝O形密封圈,通過(guò)螺栓、螺母擰緊,如圖13所示;

(5) 將消聲器組件作為一個(gè)整體進(jìn)行吊裝,與壓縮機(jī)進(jìn)行組裝,后續(xù)固定。

5 消聲器支撐板及連接件設(shè)計(jì)

為減少機(jī)組運(yùn)行的噪聲及管道振動(dòng),對(duì)消聲器進(jìn)行固定。不同壓縮機(jī)上,消聲器的裝配位置也有所不同。從工藝性、可靠性及便于裝配等角度考慮,消聲器支撐板及連接件設(shè)計(jì)如圖14所示。區(qū)域1為殼體連接件與支撐板的固定,區(qū)域2為支撐板與消聲器連接件的固定,各橫梁上的方形線框?yàn)橄暺鬟B接件與底部橫梁的固定。

▲圖14 消聲器支撐板及連接件設(shè)計(jì)

為減少零部件加工,需設(shè)計(jì)一款共用支撐板,可通用于三臺(tái)壓縮機(jī)消聲器在機(jī)組不同部位上進(jìn)行固定。通過(guò)支撐板上部不同孔位與殼體連接板進(jìn)行安裝,1A壓縮機(jī)上的消聲器用I、J兩孔,2A和2B壓縮機(jī)上的消聲器均用H、I兩孔。為方便調(diào)節(jié),支撐板下部通過(guò)腰型孔M與消聲器連接件固定。支撐板展平圖如圖15所示,1A、2B連接件展平圖如圖16所示,2A連接件展平圖如圖17所示。

▲圖15 支撐板展平圖▲圖16 1A、2B連接件展平圖▲圖17 2A連接件展平圖

為最大化共用零部件,保持底座組件不變,同時(shí)借用底座橫梁上原有孔位,進(jìn)行消聲器連接件的設(shè)計(jì)。由于橫梁1和橫梁2的間距與橫梁3和橫梁4的間距相同,且橫梁上的孔位也相同,因此1A和2B壓縮機(jī)消聲器的連接件使用同一款連接件。

消聲器的連接件在加工中心上進(jìn)行制造,先沖孔后折彎,其厚度為2.5 mm。該零件設(shè)計(jì)為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu),即關(guān)于中心線前后、左右對(duì)稱,無(wú)需辨別折彎方向,方便工人加工和后續(xù)裝配。 1A、2B孔用于和支撐板連接,C孔與底座橫梁固定。

用于2A壓縮機(jī)消聲器的連接件由于裝配空間限制,需重新設(shè)計(jì)。

借用橫梁5上的安裝孔,通過(guò)2A連接件右側(cè)兩個(gè)孔位與支撐板進(jìn)行固定。2A孔和D孔沿中心線前后對(duì)稱設(shè)計(jì),無(wú)需識(shí)別折彎方向。

6 螺栓強(qiáng)度及密封性驗(yàn)證

由于受到?jīng)_擊力,螺栓在工作過(guò)程中可能失效、斷裂,并存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。消聲器組件兩片連接法蘭厚度均為20 mm,供應(yīng)商建議使用八個(gè)M16螺栓進(jìn)行固定。根據(jù)既有的工程經(jīng)驗(yàn),該機(jī)組常用螺栓等級(jí)為8.8級(jí),M12螺栓應(yīng)該可以滿足要求。對(duì)此,從成本及后期物料維護(hù)方面考慮,對(duì)M12螺栓進(jìn)行強(qiáng)度及密封性分析。消聲器設(shè)計(jì)參數(shù)和螺栓參數(shù)分別見(jiàn)表1、表2。

表1 消聲器設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 螺栓參數(shù)

整個(gè)受力面積S為:

S=π(D/2)2= 22 167 mm2

整個(gè)密封面受力F為:

F=PSS=42 117.3 N

螺栓相對(duì)剛性因數(shù)ΔF與螺栓的剛度和被連接件的剛度有關(guān),有:

ΔF=Cb/(Cb+Cm)

(1)

式中:Cb為螺栓剛度因數(shù);Cm為被連接件剛度因數(shù)。

螺栓相對(duì)剛性因數(shù)見(jiàn)表3。

表3 螺栓相對(duì)剛性因數(shù)

在強(qiáng)度分析中,使用O形橡膠密封圈,螺栓相對(duì)剛性因數(shù)按橡膠墊片取0.9,并考慮設(shè)計(jì)因子。

單個(gè)螺栓所受總拉力F1為:

F1=F0+K0ΔFF/n

(2)

單個(gè)螺栓剩余總預(yù)緊力F2為:

F2=F1-F

(3)

單個(gè)螺栓受力面積S1為:

S1=π[(d-0.938 3m)/2]2

(4)

單個(gè)螺栓所受應(yīng)力P為:

P=F1/S1

(5)

在密封分析中,按照最惡劣情況,即無(wú)墊片進(jìn)行考慮,螺栓相對(duì)剛性因數(shù)取0.2,螺栓所受總拉力F3為:

F3=F0n+ ΔFF

(6)

總剩余預(yù)緊力F4為:

F4=F3-F

(7)

工作載荷下的安全因數(shù)K為:

K=F4/F

(8)

將參數(shù)代入,得到分析計(jì)算表,見(jiàn)表4。

表4 分析計(jì)算表

8.8級(jí)螺栓的抗拉強(qiáng)度為800 MPa,屈服極限為640 MPa,根據(jù)計(jì)算,M12螺栓所受壓力小于640 MPa,故無(wú)斷裂風(fēng)險(xiǎn)。理論剩余預(yù)緊力推薦值見(jiàn)表5,該連接為緊密連接,故螺栓剩余預(yù)緊力大于1.5～1.8倍工作載荷無(wú)泄漏風(fēng)險(xiǎn),即安全因數(shù)大于1.8視為安全。根據(jù)計(jì)算,M12螺栓的安全因數(shù)為6.24,無(wú)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

表5 理論剩余預(yù)緊力推薦值

鑒于上述計(jì)算,對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改善,將消聲器兩片法蘭上直徑為18 mm的通孔更新為直徑為14 mm的通孔,用于M12螺栓的連接,并且更新配套M12螺母及物料表。

7 結(jié)束語(yǔ)

從公用性及成本方面考慮,三壓縮機(jī)風(fēng)冷離心機(jī)組沿用底座組件橫梁上原有孔位對(duì)消聲器進(jìn)行固定,只需在對(duì)應(yīng)橫梁上焊接螺母,減少新零件設(shè)計(jì),便于操作,降低成本。

從制造和裝配的角度出發(fā),根據(jù)消聲器的不同裝配位置,設(shè)計(jì)共用支撐板及對(duì)稱的連接件,便于加工和安裝。

從安全的角度出發(fā),對(duì)M12螺栓進(jìn)行強(qiáng)度及密封性分析計(jì)算,以滿足設(shè)計(jì)要求,并降低成本。