磁懸浮壓縮機消聲器的設計

□ 李 媛

特靈科技亞太研發中心 上海 200051

1 設計背景

在大冷量范圍內,原有四壓縮機風冷離心機組單臺壓縮機制冷量最大為310 t,和競爭對手相比,存在能效低、成本高的缺點。為順應市場需求,提升競爭力,創造新機會,筆者所在單位決定采用大制冷量的磁懸浮壓縮機,設計三壓縮機風冷離心機組,將整機制冷量提升至1 500 t,應用于數據中心。

2 整體布局

三壓縮機風冷離心機組組成如圖1所示。三壓縮機風冷離心機組由底座組件、壓縮機組件、蒸發器組件、電控柜、冷凝器組件、風機、底座支撐、相應管道等組成。

▲圖1 三壓縮機風冷離心機組組成

正視電控柜,機組左側為回路1,機組右側為回路2。遠離電控柜的磁懸浮壓縮機代號為A,靠近電控柜的磁懸浮壓縮機代號為B。

三壓縮機風冷離心機組系統簡圖如圖2所示。根據系統簡圖,回路1采用一個磁懸浮壓縮機,回路2采用兩個磁懸浮壓縮機的布局。為最大化共用零部件,并考慮到裝配過程,保持蒸發器組件位置不動,沿軸線中心布置。為方便管道連接及電氣走線前方無遮擋,三壓縮機風冷離心機組保留1A壓縮機位置,取消原四壓縮機風冷離心機組1B壓縮機。兩機組的布局分別如圖3、圖4所示。三壓縮風冷離心機組總體布局中,1A、2A、2B壓縮機與原四壓縮機風冷離心機組的壓縮機位置保持一致。壓縮機位置確定之后,便可進行消聲器支撐及連接的設計。

▲圖2 三壓縮機風冷離心機組系統簡圖

▲圖3 四壓縮機風冷離心機組布局▲圖4 三壓縮機風冷離心機組布局

3 消聲器組件設計

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

▲圖5 磁懸浮壓縮機組件

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

消聲器組件設計方案一如圖6 所示,設計圓形法蘭替換單向閥右側的方形連接法蘭,并用雙頭螺柱取代M16螺栓與單向閥進行連接。

▲圖6 消聲器組件設計方案一▲圖7 消聲器組件設計方案二

消聲器組件設計方案二如圖7所示,保留單向閥右側的方形連接法蘭,通過過渡銅管,與消聲器組件圓盤進行焊接。

經分析,方案一為保證連接可靠性,圓形法蘭厚度較大,結構復雜,成本較高。壓縮機供應商提供的方形連接法蘭內部存在特殊結構,若自行設計進行替換,會存在一定風險。方案二通過過渡銅管直接與消聲器組件圓盤焊接,無需打孔,成本較低,可靠性高。

從安全及成本角度出發,最終選擇方案二。為保持吊裝的穩定性,保持機組的整體水平,需要設計兩個吊耳。將銘牌貼于消聲器殼體正上方兩個吊耳之間,方便在機組中進行查看。消聲器組件在機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

消聲器組件裝配過程如下:

(1) 將消聲器的法蘭組件拆除,如圖9所示,方便后續裝入消聲材料;

▲圖9 拆除法蘭組件

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

▲圖10 焊接過渡鋼管▲圖11 焊接總裝銅管

(3) 將消聲材料從右側裝入消聲器殼體中,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,通過螺栓、螺母擰緊,如圖13所示;

(5) 將消聲器組件作為一個整體進行吊裝,與壓縮機進行組裝,后續固定。

5 消聲器支撐板及連接件設計

為減少機組運行的噪聲及管道振動,對消聲器進行固定。不同壓縮機上,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計如圖14所示。區域1為殼體連接件與支撐板的固定,區域2為支撐板與消聲器連接件的固定,各橫梁上的方形線框為消聲器連接件與底部橫梁的固定。

▲圖14 消聲器支撐板及連接件設計

為減少零部件加工,需設計一款共用支撐板,可通用于三臺壓縮機消聲器在機組不同部位上進行固定。通過支撐板上部不同孔位與殼體連接板進行安裝,1A壓縮機上的消聲器用I、J兩孔,2A和2B壓縮機上的消聲器均用H、I兩孔。為方便調節,支撐板下部通過腰型孔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,同時借用底座橫梁上原有孔位,進行消聲器連接件的設計。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行制造,先沖孔后折彎,其厚度為2.5 mm。該零件設計為完全對稱結構,即關于中心線前后、左右對稱,無需辨別折彎方向,方便工人加工和后續裝配。 1A、2B孔用于和支撐板連接,C孔與底座橫梁固定。

用于2A壓縮機消聲器的連接件由于裝配空間限制,需重新設計。

借用橫梁5上的安裝孔,通過2A連接件右側兩個孔位與支撐板進行固定。2A孔和D孔沿中心線前后對稱設計,無需識別折彎方向。

6 螺栓強度及密封性驗證

由于受到沖擊力,螺栓在工作過程中可能失效、斷裂,并存在泄漏風險。消聲器組件兩片連接法蘭厚度均為20 mm,供應商建議使用八個M16螺栓進行固定。根據既有的工程經驗,該機組常用螺栓等級為8.8級,M12螺栓應該可以滿足要求。對此,從成本及后期物料維護方面考慮,對M12螺栓進行強度及密封性分析。消聲器設計參數和螺栓參數分別見表1、表2。

表1 消聲器設計參數

表2 螺栓參數

整個受力面積S為:

S=π(D/2)2= 22 167 mm2

整個密封面受力F為:

F=PSS=42 117.3 N

螺栓相對剛性因數ΔF與螺栓的剛度和被連接件的剛度有關,有:

ΔF=Cb/(Cb+Cm)

(1)

式中:Cb為螺栓剛度因數;Cm為被連接件剛度因數。

螺栓相對剛性因數見表3。

表3 螺栓相對剛性因數

在強度分析中,使用O形橡膠密封圈,螺栓相對剛性因數按橡膠墊片取0.9,并考慮設計因子。

單個螺栓所受總拉力F1為:

F1=F0+K0ΔFF/n

(2)

單個螺栓剩余總預緊力F2為:

F2=F1-F

(3)

單個螺栓受力面積S1為:

S1=π[(d-0.938 3m)/2]2

(4)

單個螺栓所受應力P為:

P=F1/S1

(5)

在密封分析中,按照最惡劣情況,即無墊片進行考慮,螺栓相對剛性因數取0.2,螺栓所受總拉力F3為:

F3=F0n+ ΔFF

(6)

總剩余預緊力F4為:

F4=F3-F

(7)

工作載荷下的安全因數K為:

K=F4/F

(8)

將參數代入,得到分析計算表,見表4。

表4 分析計算表

8.8級螺栓的抗拉強度為800 MPa,屈服極限為640 MPa,根據計算,M12螺栓所受壓力小于640 MPa,故無斷裂風險。理論剩余預緊力推薦值見表5,該連接為緊密連接,故螺栓剩余預緊力大于1.5～1.8倍工作載荷無泄漏風險,即安全因數大于1.8視為安全。根據計算,M12螺栓的安全因數為6.24,無泄漏風險。

表5 理論剩余預緊力推薦值

鑒于上述計算,對設計進行改善,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 結束語

從公用性及成本方面考慮,三壓縮機風冷離心機組沿用底座組件橫梁上原有孔位對消聲器進行固定,只需在對應橫梁上焊接螺母,減少新零件設計,便于操作,降低成本。

從制造和裝配的角度出發,根據消聲器的不同裝配位置,設計共用支撐板及對稱的連接件,便于加工和安裝。

從安全的角度出發,對M12螺栓進行強度及密封性分析計算,以滿足設計要求,并降低成本。