（机械设计及理论专业论文）单级离心式制冷压缩机叶轮与主轴仿真分析与结构改进设计.pdf

中文摘要 摘要 离心式制冷压缩机作为一种重要的能量转换装置，因其具有制冷能力大、运 动件少、结构紧凑、工作可靠、运行平稳、效率高等优点，所以在国民经济各部 门中占有重要的地位，被广泛的应用于冶金工业、石油化学工业、能源电力等国 民经济支柱产业及国防军事领域，是这些企业的关键设备，是决定一个国家工业 基础和实力水平的重大技术装备。在我国装备制造业和国外有较大差距的情况下， 能够减小对外进口的依赖性，具有较大的经济效益和社会效益。但是如果不解决 好离心式压缩机在运行中发生的问题，不仅使机器效率大为降低，严重地可能会 毁坏机器。 叶轮和主轴是离心压缩机的核心和主要承力部件，其性能的好坏和结构的稳 定性对整个压缩机安全可靠运行至关重要。因此，对离心压缩机叶轮进行强度计 算以及优化设计越来越受到重视，已经成为离心压缩机设计中的重要一环。由于 各行业发展的需要，离心压缩机进口的流量不断增大，所以叶轮叶片在进出口处 相对变宽，叶轮的刚性变差，由于刚度不足，强度问题就显得突出，加上各种激 振力的影响，进一步削弱了叶轮叶片的强度，更容易引起叶片疲劳损坏，从而导 致大流量压缩机多次发生叶片撕裂事故。所以对离心压缩机叶轮和主轴的结构和 振动等进行深入地分析研究有着重要的意义和价值。本文的研究工作有以下几个 方面： 应用a n s y s 有限元分析软件对叶轮的静强度和动态特性进行了分析计 算，得出叶轮整体应力分布状况、应力最大值出现的区域及叶片和叶轮振动状况。 从叶片、轮盘和轮盖的结构改进方面分析了其对叶轮应力的影响。首先针 对出现应力集中的区域，研究了叶片与轮盖两条接触边不同倒圆角值和叶片入口 处前缘修圆对叶轮最大应力值的影响。结果表明，在叶轮应力集中处进行倒圆角 和对叶片入口前缘修圆能有效的降低叶轮的最大应力。然后研究了不同轮盘和轮 盖型式对叶轮应力的影响，结果表明，在不增加叶轮质量的前提下，改变轮盖和 轮盘的结构型式，使叶轮的质心趋向于叶轮的支撑中心时，叶轮的最大应力值会 降低。但是延长轮盖增加叶轮质量时，叶轮的最大应力值会增大，反之在一定范 围内削减轮盖长度时，叶轮的最大应力值会明显下降。 针对叶轮在运转过程中所受外部激振力主要来自主轴转子的振动传递给 叶轮产生的激励，而主轴转子振动通常情况下是由于主轴上运转部件存在质量偏 心所造成的。所以本文最后研究了在刚性支承和滑动轴承支承情况下主轴齿轮转 子系统的振动特性以及由于偏心质量所造成的不平衡响应问题。结果表明：1 1 由于 重庆大学硕士学位论文 主动轴与从动轴的耦合作用，系统振动特性发生改变，齿轮传动系统耦合后会产生 新的模态；系统的耦合效应对不平衡响应起到了一定的抑制作用。2 ) 系统的径向不 平衡质量不但能激起径向振动，也会激起轴向振动。3 ) 在单个齿轮系统的不平衡量 和不平衡响应幅值满足设计要求的情况下，组成的系统不一定能得到满意的结果。 一个平衡很好、没有不平衡量的齿轮组成耦合系统后，也会受到另一个有不平衡 量的齿轮系统的激励而产生响应。因此，应该考虑整个齿轮传动系统的不平衡量 如何分布，才能使整个系统的不平衡响应幅值满足设计要求，并使系统的振动量 最小。 本文通过对单级离心式制冷压缩机叶轮和主轴等关键部件进行数值仿真分析 和结构改进设计研究，得到一些有用的结论，为单级离心压缩机的设计提供了依 据，对实际工程应用具有重要意义。 关键词：离心制冷压缩机，叶轮，主轴，仿真分析，结构改进 i i 英文摘要 a b s t r a c t a sak i n do fi m p o r t a n te n e r g yc o n v e r s i o ne q u i p m e n t ，c e n t r i f u g a lr e f r i g e r a t i o n c o m p r e s s o rf e a t u r e si nl a r g er e f r i g e r a t i o nc a p a c i t y , l e s sm o v i n gp a r t ，c o m p a c ts t r u c t u r e ， s t a b l ea n dr e l i a b l er u n n i n ga n dh i 曲e f f i c i e n c y b e i n gc r i t i c a lt oa l ls e c t o r so fn a t i o n a l e c o n o m ya n dw i l d l yu s e di np i l l a ri n d u s t r ya n dm i l i t a r y f i e l dl i k em e t a l l u r g y , p e t r o c h e m i c a l ，e n e r g ya n de l e c t r i c i t y , i ti sm a j o rt e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t t h a td e c i d e s i n d u s t r i a lf o u n d a t i o na n dc a p a c i t yo fac o u n t r y g i v e nt h ef a c t t h a te q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yo fo u rc o u n t r yh a sl a r g eg a pb e t w e e nt h o s eo fo t h e rc o u n t r i e s ， c e n t r i f u g a lr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o rc a nc o n t r i b u t eb o t he c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s b yr e d u c i n go u rr e l i a n c eu p o ni m p o r t e de q u i p m e n t h o w e v e r , i t se f f i c i e n c yw o u l d b e m u c hi m p a i r e da n di ne x t r e m ec a s et h em a c h i n ec o u l db ed a m a g e di f p r o b l e mo c c u r r i n g d u r i n gi t sn m n i n gi sn o tp r o p e r l ys o l v e d i m p e l l e ra n dm a i ns h a f ti sk e y a n dm a i nf o r c eb a r i n gc o m p o n e n t i t sf u n c t i o na n d s t r u c t u r es t a b i l i t yi sc r i t i c a lt os a f ea n dr e l i a b l er u n n i n go ft h ew h o l ec o m p r e s s o r t h e r e f o r e ，s t r e n g t hc a l c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r i m p e l l e rh a sb e e ng i v e ni n c r e a s i n gi m p o r t a n c ea n dh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp r o c e s sf o r c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rd e s i g n i n l e tf l o wo fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rh a sb e e ng r o w i n g d u et on e e d so fi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ti na l lf i e l d s t h a tm a k e si n l e ta n do u t l e to ft h e i m p e l l e rb e c o m er e l a t i v e l yw i d e ra n dt h u sr e d u c i n gi t ss t i f f n e s s w i t hl e s ss t i f f n e s s ，t h e s t r e n g t hp r o b l e mb e c o m e so u t s t a n d i n ga n dp l u si n f l u e n c eo fs t i m u l a t e dv i b r a t i o no fa l l k i n d st h es t r e n g t ho fi m p e l l e ri sf u r t h e ri m p a i r e d t h a tm a k e si m p e l l e re a s i l yf a t i g u e d a n dd a m a g e da n dl e a d st om u l t i p l ea c c i d e n t st h a ti m p e l l e rb l a d e so fl a r g ef l o w c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rb e i n gt o mo f f t h u s ，i ti ss i g n i f i c a n tt oh a v ed e e pa n a l y s i sa n d s t u d yo ns t r u c t u r ea n dv i b r a t i o no fi m p e l l e ra n dm a i ns h 姐o fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r t h i sa r t i c l es t u d i e si ti nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： a n s y s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，w a su s e d t or u na n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o nf o rs t a t i cs t r e n g t ha n dd y n a m i cf e a t u r eo fi m p e l l e r i n f o r m a t i o no fo v e r a l l s t r e s sd i s t r i b u t i o n ，m a x i m u ms t r e s sa r e aa n db l a d e sa n di m p e l l e rv i b r a t i o nw a so b t a i n e d i n f l u e n c eo fs t r e s s u p o ni m p e l l e r w a s a n a l y z e d i nt e r m so fs t r u c t u r a l i m p r o v e m e n to fi t sb l a d e s ，w h e e la n dc o v e r i nt h ea r e at h a ts h o w sm o s tf o c u s e ds t r e s s ， v a l u eo ft h ec h a m f e r i n gb e t w e e nb l a d e sa n dt w oc o n t a c te d g e so ft h ec o v e ra n d m a x i m u ms t r e s st h ef r o n te d g er o u n d i n go ft h eb l a d e si n l e ti m p o s e su p o ni m p e l l e rw a s i i i 重庆大学硕士学位论文 s t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tc h a m f e r i n ga ta r e at h a ti m p e l l e rs t r e s sc o n c e n t r a t e sa n d r o u n d i n go ft h ef r o n te d g eo ft h ei n l e tc a l lh a v ee f f e c t i v er e d u c t i o no fm a x i m u m s t r e s s u p o ni m p e l l e r t h e ns t r e s si m p o s e du p o ni m p e l l e rb yw h e e la n dc o v e ro fd i f f e r e n t s t r u c t u r ew a ss t u d i e d i t sr e s u l ts h o w e dt h a tw h e ni m p e l l e r sm a s si sn o ta d d e d s t r u c t u r a lc h a n g eo fc o v e ra n dw h e e lt h a tm a k ei m p e l l e r sc e n t r o i dc l o s e rt o w a r d si t s s u p p o r tc e n t e r , t h em a x i m u ms t r e s su p o ni m p e l l e rw o u l db er e d u c e d a d d i n gi m p e l l e r m a s sb ym a k i n gi t sc o v e rl o n g e rw o u l di n c r e a s ei t sm a x i m u ms t r e s s o nt h ec o n t r a r y , w h e nt h ec o v e rl e n g t hi sr e d u c e dw i t h i nac e r t a i nr a n g e ，t h em a x i m u ms t r e s su p o n i m p e l l e rw o u l db en o t i c e a b l yr e d u c e d s t i m u l a t e dv i b r a t i o ni m p e l l e rs u f f e r sd u r i n gi t sr u n n i n gi sm a i n l yf r o mt h e e x c i t a t i o np a s s e dt oi m p e l l e rb ym a i ns h a f tr o t o rv i b r a t i o n v i b r a t i o no fm a i ns h m r o t o r i su s u a l l yc a u s e db ym a s se c c e n t r i c i t yo fm o v i n gp a r t so nm a i ns h a f t t h i sa r t i c l ef i n a l l y s t u d i e dv i b r a t i o no fm a i ns h a f tg e a rr o t o rs y s t e ma n du n b a l a n c e dr e s p o n s er e s u l t e db y m a s se c c e n t r i c i t yi nt h ec i r c u m s t a n c e so fr i g i ds u p p o r t sa n dp l a i nb e a r i n g s t h er e s u l t s h o w e d ：1 ) d u et oc o u p l i n gb e t w e e nd r i v es h ma n dd r i v e ns h a f t ，v i b r a t i o nf e a t u r eo f t h es y s t e mc h a n g e sa n dg e a rd r i v i n gs y s t e mp r o d u c e sn e wm o d a la r e rc o u p l i n g ；s y s t e m c o u p l i n gc u r b su n b a l a n c er e s p o n s et o ac e r t a i nd e g r e e 2 ) u n b a l a n c e dm a s si na x i a l d i r e c t i o no ft h es y s t e mc a ns t i m u l a t e sb o t hr a d i a la n da x i a lv i b r a t i o n 3 ) t h ea s s e m b l e d s y s t e mi s n o tn e c e s s a r i l ys a t i s f a c t o r ye v e ni fs i n g l eg e a rs y s t e mm e e t si t sd e s i g n r e q u i r e m e n ti nt e r m so f i t su n b a l a n c e dv a l u ea n du n b a l a n c er e s p o n s em a g n i t u d e aw e l l b a l a n c e dg e a rw i t h o u tu n b a l a n c e dv a l u e ，w h e na s s e m b l e di n t oc o u p l i n gs y s t e m ，w o u l d s t i l lb ee x c i t e db ya n o t h e rg e a rs y s t e mw i t hu n b a l a n c e dv a l u ea n dt h u sp r o d u c er e s p o n s e - t h e r e f o r e ，h o wt h eu n b a l a n c e dv a l u eo faw h o l eg e a rd r i v es y s t e ms h o u l db ed i s t r i b u t e d n e e d sb ec o n s i d e r e ds ot h a tt h eu n b a l a n c er e s p o n s em a g n i t u d eo ft h ew h o l es y s t e mc a r l m e e td e s i g nr e q u i r e m e n ta n dm i n i m i z es y s t e mv i b r a t i o n t h i sa r t i c l ed i dd a t as i m u l a t i o na n a l y s i sa n ds t r u c t u r a li m p r o v e m e n td e s i g ns t u d y t ok e yp a r t so fs i n g l e s t a g ec e n t r i f u g a lr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o rs u c ha si m p e l l e ra n d m a i ns h a f t s o m eu s e f u lc o n c l u s i o nw a sm a d e t h a ts e r v e sa sr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no f s i n g l e s t a g ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r a n di si m p o r t a n tt oi t sa c t u a la p p l i c a t i o ni n e n g i n e e r i n gf i e l d k e y w o r d s ：s i n g l e s t a g ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , i m p e l l e r , m a i n s h a f t ，s i m u l a t i o n a n a l y s i s ，s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t i v 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 离心式制冷压缩机作为一种重要的能量转换装置，在国民经济各部门中占有 重要的地位，它被广泛的应用于冶金工业、石油化学工业、能源电力等国民经济 支柱产业及国防军事领域，是这些企业的关键设备，是决定一个国家工业基础和 实力水平的重大技术装备【lj 。 在离心式压缩机出现之前，工业上普遍应用的是活塞式压缩机。活塞式压缩 机由于存在单机容量小、机器笨重、易损件多和耗油量大等许多缺点，很难满足 生产的实际需要【2 1 。随着能源形式日趋紧张和工业经济的快速发展，节能降耗是产 品发展的一大趋势。另外由于中国城镇化水平的不断提高，建筑能耗不断增加， 具有最高性能系数的离心式制冷压缩机无疑将成为市场的热点。从1 9 0 0 年法国制 造出世界第一台离心压缩机开始，在北美和欧洲离心压缩机的设计和生产取得了 长足的发展。离心压缩机在某些行业逐渐取代活塞式压缩机应用到实际生产中， 并不断朝高速、高压比、大流量方向发展。目前国际上大型离心压缩机组的主要 厂商有：g e 、西门子、三菱重工、荏原等。而且随着空气调节系统和石油化学工 业的迅猛发展，迫切需要大型制冷压缩机，而离心式压缩机以它自身的优点，也 很好的迎合了这种需求【3 【4 1 。它的主要优点有：制冷能力大，而且大型离心压缩 机的效率接近现代大型立式活塞式压缩机；结构紧凑，运动件少、工作可靠、 经久耐用、运行费用低、质量轻，比同等制冷能力的活塞式压缩机轻8 0 - 8 8 ， 占地面积可以减少一半左右；没有磨损部件，运行平稳，振动小，噪声小； 能够经济的进行无级调节。当采用进气口导叶阀时，可使机组的负荷在3 0 - 1 0 0 范围内进行高效率地能量调节。容易实现多级压缩和多种蒸发温度，容易实现 中间冷却，使得耗功较低；离心机组中混入的润滑油极少，对换热器的传热效 果影响较小，机组具有较高的效率【5 】。 基于以上优点，离心式制冷压缩机在短短地时间得到广泛地应用和发展。特 别是在高速和大制冷量的场合会有巨大的市场和应用价值。在我国装备制造业和 国外有较大差距的情况下，能够减小对外进口的依赖性，具有较大的经济效益和 社会效益。但是如果不解决好离心式压缩机在运行中发生的问题，不仅使机器效 率大为降低，严重地可能会毁坏机器。所以对离心压缩机的结构和振动等进行深 入地分析研究有着重要的意义和价值。 叶轮是离心压缩机的核心和主要承力部件，其性能的好坏和结构的稳定性对 整个压缩机安全可靠运行至关重要。因此，对离心压缩机叶轮进行强度计算以及 重庆大学硕士学位论文 优化设计越来越受到重视，已经成为离心压缩机设计中的重要一环。由于各行业 发展的需要，离心压缩机进口的流量不断增大，这也就要求叶片相对“变宽”，在 离心应力( 包括离心应力和叶轮部件之间的作用力，如焊接应力) 作用下，传统 的叶轮由于刚度好，可以安全运行，但是对于大流量三元叶轮，由于刚度不足， 强度问题就显得突出，加上各种激振力的影响，进一步削弱了叶轮叶片的强度， 更容易引起叶片疲劳损坏，从而导致大流量压缩机多次发生叶片撕裂事故【6 】 7 1 。基 于此，本文参考前人研究的结论，集中讨论了离心压缩机叶轮应力变化规律，分 析了影响叶轮应力的关键因素，以求改进叶轮的结构形式。叶轮其主要功能是传 输功率，工作时承受离心力、气动力、激振力、外物冲击等循环交变载荷与动载 荷作用。叶轮的主要失效模式是循环疲劳断裂、变形超限、振动开裂等以及这些 模式之间相互作用的结果。近年来，随着压缩机直径和出口宽度的增加，叶轮裂 纹发生的现象越来越频繁，严重影响到机组的安全，引起人们的强烈关注。 叶轮在运转过程中所受外部激振力主要来自三个方面，其中很重要的一个方 面是主轴转子的振动传递给叶轮产生的激励，而主轴转子振动通常情况下是由于 主轴上运转部件存在质量偏心所造成的，一般是叶轮和齿轮存在偏心质量。所以 为了研究叶轮的动态特性，必须考虑主轴转子系统偏心质量所造成的振动和不平 衡响应问题。单独研究主动轴和从动轴的振动能在一定范围内反应系统特性，对工 程应用具有一定价值。但由于耦合作用，系统振动特性发生改变，因而要完整真实反 映系统特性就必须研究系统的耦合振动特性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外离心制冷压缩机发展概述 世界上第一台整体离心制冷机组是在1 9 2 2 年由美国开利博士设计，由开利建 筑公司( c a r r i e rc o n s t r u c t i o nc o ，l t d ) 和德国一家制造公司( c h j a e g e r & c o m p a n y ) 合作试制成功的。首台产品用于空调，采用四氯化碳为制冷剂。此后，瑞士勃朗 波弗利公司生产了世界上第一台氨离心制冷机。1 9 3 4 年美国开利公司制造出以r 1 1 为制冷剂的空调用离心冷水机组，为现代离心制冷压缩机的发展奠定了基础。 离心式制冷压缩机经过近百年的不断发展和完善，基本结构型式已经趋于完 善，目前对其研究主要集中在叶轮的设计方法、叶片的型线设计及新型制冷剂上。 现在，离心式制冷压缩机已成为大型制冷空调装置的首选设备。有资料表明，仅 空调用离心制冷机，在全世界用量达1 1 0 0 0 0 台。国外比较有名的企业如特灵、开 利、约克、麦克维尔、a x i m a 、荏原、三菱等依靠先进的技术及良好工艺主导离 心制冷压缩机市场。美国是空调用离心制冷机组的最大使用国，在用量达8 0 0 0 0 台，占全世界的3 4 。1 9 9 7 年空调用离心制冷机的年产量达3 0 0 0 台。 1 绪论 美国空调和制冷学会( a r i ) 1 9 9 7 年的统计表明，近2 0 年来，通过各主要生 产空调用离心式制冷机组厂商的不断研究改进，离心冷水机组的平均设计效率在 2 0 年中上升了3 4 ，按美国a r i 标准规定的工况下的c o p ( 制冷效率) 值，从 4 4 0 上升至5 6 7 。目前最高效率机组的c o p 可达到7 0 。在新工质替代方面，原 来在空调冷水机组中用的非常广泛的r 1 1 和r 1 2 等c f c 制冷剂已经全部被淘汰， 目前采用较多的是r 1 2 3 、r 2 2 和r 1 3 4 a 。少数厂商还在大型制冷机中推广r 7 1 7 制冷剂。鉴于r 2 2 和r 1 2 3 是h c f c 类工质，属过渡性制冷剂，目前尚在积极研 究更理想的对臭氧层没有破坏作用的新型制冷剂【8 】- 【1 2 】。 1 2 2 我国离心制冷压缩机发展概述 我国的压缩机行业起步虽然较晚，但随着改革开放与先进技术的引进，已逐 步跟上国外压缩机的发展水平。 我国的第一台离心制冷机组是由上海第一冷冻机厂于1 9 5 8 年试制成功，采用 r 1 1 为制冷剂，制冷量为11 6 0 k w 。离心式制冷压缩机的研制始于1 9 6 6 年，1 9 6 9 年即生产出6 级压缩、制冷量为3 5 0 0 k w 、用于乙烯装置的离心制冷压缩机。1 9 7 3 年，北京冷冻机厂和重庆通用机械厂合作试制成功脱蜡装置用的氨离心制冷压缩 机。1 9 7 6 年起，我国有关制造厂共同设计和制造了r 1 2 空调用离心制冷机组国家 系列，其中制冷量为2 8 0 0 k w 的k f 2 4 0 x 典型产品在重庆通用机械厂试制成功。 2 0 世纪8 0 年代开始随着我国改革开放政策的不断深入发展，世界各著名制冷机厂 商先后进入我国，与我国企业合资，使我国离心制冷机组的品种和质量水平有了 一个新的飞跃。 目前国内离心式制冷压缩机的大部分市场主要由欧日美一些制冷企业所占 据。国内企业主要为重庆通用，该企业早期引进n r e c 的技术来开发离心式制冷 机。随着社会的发展，用户需要的冷量越来越高，节能的要求使得离心压缩机组 具有越来越广的市场。一些国内空调厂家如海尔、澳柯玛、格力及美的纷纷推出 自己的离心式制冷机组。这些离心机组大部分采用环保工质r 1 3 4 a ，所有冷水机组 的主要部件，从离心式压缩机、微电脑控制系统到热交换器都实现了独立的研发 设计与制造【1 3 j - 【1 6 】。 1 2 3 离心制冷压缩机叶轮国内外研究概况 国内外目前对叶轮的研究主要集中在叶轮外形设计方法和三元叶片型线的设 计上。离心压缩机叶轮设计方法主要有几何设计方法、二维气动设计方法、准三 维气动设计方法和全三维气动设计方法。叶片的型线成型方法最早采用几何成型 法，后来提出了“双回转中心法”和“骨架成型法”。早期叶片型线主要采用二 次曲线，如圆弧线、抛物线等，并设计出了e c k e r d t 叶轮。随着理论研究的深入和 制造工艺的发展，w h i t f i e l d 、k r a i n 等人提出了更为复杂的型线表达式，叶轮几何 重庆大学硕士学位论文 设计中广泛采用b e z i e r 多项式方法。由于几何成型法没有充分考虑叶片表面载荷 分布以及气动影响，设计出的叶轮性能较差，当前比较成熟的气动设计方法已经 取代了几何成型法。 叶轮结构和气体流动的研究方法一般有理论分析、实验研究和数值模拟三种。 以往设计过程中采用单目标函数的优化方法，但这种方法设计出的叶轮和工程实 际存在较大的差距，故国内外一些学者提出了叶轮设计的多目标函数的优化方法， 综合考虑压缩机效率、叶轮应力分布、叶轮重量等参数的影响，这样设计出来的 叶轮更加安全可靠【1 7 】【2 0 1 。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要采用有限元分析方法，应用a n s y s 有限元分析软件，研究了单级离 心式制冷压缩机叶轮的应力状况，分析得出影响叶轮应力的主要因素，然后提出 改进方案。接着分析了主轴上不平衡响应对轴的振动的影响，采用固支和滑动支 承两种方式进行分析并进行比较。其中，实体建模采用u g 软件，对叶轮和主轴的 强度分析和动态响应分析计算采用大型有限元分析软件a n s y s 来进行。 本文研究内容涉及机械系统的结构学、运动动力学以及计算机科学及其应用 等学科范畴，研究对象为单级离心式制冷压缩机叶轮和主轴，国内外普遍采用有 效传统方法与新技术、新手段和新方法相结合进行研究，常用的新技术有：计算 机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助工程( c a e ) 。本文将采用上述思路进行研究。 本文具体内容包括以下几个方面： 根据已有二维图运用u g 建立叶轮和主轴的三维实体精确模型，为提高计 算精度打下基础。 应用a n s y s 有限元分析软件对叶轮的静强度和动态特性进行分析计算， 得出叶轮整体应力分布状况、应力最大值出现的区域及叶片和叶轮振动状况。 为了缓解应力集中降低叶轮应力，从叶片、轮盘和轮盖的结构改进方面分 析了其对叶轮应力的影响。首先针对出现应力集中的区域，研究了叶片与轮盖两 条接触边不同倒圆角值和叶片入口处前缘修圆对叶轮最大应力值的影响。然后研 究了不同轮盘和轮盖型式对叶轮应力的影响，分析不同结构对叶轮应力的影响。 由于叶轮在运转过程中所受外部激振力很重要的一个方面是来自主轴转 子的振动传递给叶轮产生的激励，所以为了研究叶轮的动态特性，必须考虑主轴 转子系统偏心质量所造成的振动和不平衡响应问题。本文最后研究在固支和滑动轴 承支承时齿轮转子系统的振动和不平衡响应问题，以供单级离心式压缩机设计和工程 应用时参考。 4 1 绪论 1 4 本章小结 本章主要介绍了课题的研究背景意义以及国内外离心式制冷压缩机的发展现 状，并简要介绍了国内外有关离心压缩机叶轮的研究现状，最后以单级离心式压 缩机叶轮和主轴为研究对象，提出了本文研究的主要内容。 重庆大学硕士学位论文 6 3 叶轮有限元分析 2 单级离心式制冷压缩机 2 1 制冷压缩机类型 2 1 1 制冷压缩机的分类及应用场合 制冷压缩机是将低温低压气体提升为高温高压气体的一种流体机械，是制冷 系统的心脏，它是将原动机( 通常是电动机) 的机械能转换成气体压力能的装置， 它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动工作部件对其进行压 缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂液体，为制冷循环提供动力，从而实现压 缩一冷凝一膨胀一蒸发( 吸热) 的制冷循环。 制冷压缩机按其提高气体压力的原理的不同，可以分为容积型制冷压缩机和 速度型制冷压缩机。 在容积可变的封闭容积中直接压缩制冷剂蒸汽，使其体积缩小，从而达到提 高压力的目的，这种压缩机称为容积型制冷压缩机。属于容积型的制冷压缩机主 要有往复式( 又称为活塞式) 、螺杆式、涡旋式和滚动转子式等形式。 速度型压缩机有轴流式和离心式两种，它们都属于透平压缩机，透平压缩机 是一种叶片式旋转机械，他利用叶片和气体的相互作用，提高气体的压力和动能， 并利用相继的通流元件使气流减速，将气流的动能转变为气流压力的提高。一般 透平压缩机中使用的最广泛的就是离心式压缩机和轴流式压缩机两种，二者各有 自己合适的工作范围和气动特点。 离心式压缩机：气体在压缩机内大致沿径向流动。 轴流式压缩机：气体在压缩机内大致沿平行于轴线方向流动。 轴流式压缩机具有效率高、流量大等优点，但排气压力不高，稳定工作范围 窄，对工质中的杂质敏感，叶片易磨损；离心式压缩机除效率比轴流式压缩机低 以外，可达到很高的排气压力，允许输送较小的流量。 因轴流式压缩机的压力比小，不适用于制冷系统，故速度型制冷压缩机一般 指离心式制冷压缩机2 1 】【2 2 】。 表2 1 所示为目前各类压缩机的大致应用场合及其制冷量大小。 重庆大学硕士学位论文 表2 1 各类压缩机在制冷和空调工程中的应用范围 t a b l e2 1v a r i o u st y p e so fc o m p r e s s o ri nr e f r i g e r a t i o na n da i rc o n d i t i o n i n ge n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 家用冰箱住宅空调商用制冷 压缩机型式窗式空调汽车空调 大型空调 和冷冻箱器和热泵和空调 活塞式 1 0 0 ! ! 孥w 滚动转子式 1 0 0 w 1 0 k w 涡旋式5 k w 了o k w 螺杆式 1 5 0 k w 1 5 0 0 k w 离心式掣兰鳖 2 1 2 离心式制冷压缩机的分类 离心式制冷压缩机按气体压缩次数可分为单级和多级，按机组布置的结构形 式分为开启式、半封闭式和封闭式。 开启式的机组布置是把压缩机、增速器与电动机分开，在机壳外用联轴节连 接。电动机放置在机组的外面，利用空气进行冷却。在这些机组中为了防止制冷 剂的泄漏，在轴的外伸端处必须装有机械密封。 半封闭式是把压缩机、增速器和电动机用一个筒形外壳封装在一起，仅是压 缩机的进气口和蒸发器相连，出气口和冷凝器相通。在这种机组中不需要机械密 封，但电动机需专门制造，并要考虑其在运转中与冷却和耐氟有关的绝缘问题。 全封闭式机组是把所有制冷机械设备封闭在同一机壳内，这种压缩机制冷剂 泄漏极小，装置结构简单且噪声低，振动小，同时电动机在制冷剂中得到充分冷 却，不会出现电流过载。但由于是全封闭，维修不方便，因此要求压缩机使用可 靠性高，寿命长【2 3 | 。 本文所用半封闭结构式单级离心制冷压缩机外形如图2 1 所示。 3 叶轮有限元分析 图2 1 半封闭式单级离心制冷压缩机外形总图 f i g2 1g e n e r a ll a y o u to fs e m i e n c l o s e ds i n g l e - s t a g ec e n t r i f u g a lr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o r 2 2 离心式压缩机的结构和工作原理 2 2 1 主要零部件的结构和作用 图2 2 和图2 3 所示为某单级离心式制冷压缩机的结构外形图和纵剖面图。离 心压缩机的零部件很多，一般把离心式压缩机中可以转动的零部件统称为转子， 不能转动的零部件统称为固定元件。转子是离心压缩机的主要部件，它主要是由 主轴、叶轮和平衡盘等组成。固定元件主要是机壳、吸入室、进口导叶、扩压器、 弯道、回流器和蜗壳，起着引导气流、减速增压的作用。在转子和固定元件之间 需要密封气体的地方还有密封元件。 9 重庆大学硕士学位论文 图2 2 单级离心式压缩机外形总图 f i g2 2g e n e r a ll a y o u to fs i n g l e s t a g ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rs h a p e 单级离心式制冷压缩机纵剖面图 1 一进口导叶2 m 叶轮3 - - 气缸4 一增速 齿轮5 一电动机6 一蜗室7 一扩压器 图2 3 单级离心式压缩机纵剖面图 f i g2 3l o n g i t u d i n a lp r o f i l eo fs i n g l e - s t a g ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r 1 0 3 叶轮有限元分析 转子组成 1 1 叶轮叶轮也称为工作轮，它是离心压缩机中最重要的部件。气体在旋转叶 轮的叶片的作用下获得能量，提高了压力能和动能，同时克服流动损失。叶轮是 离心压缩机中使气体获得能量的唯一部件。 叶轮一般由轮盘、叶片和轮盖组成，称为闭式叶轮，如图2 4 ( a ) 所示。如 果仅有轮盘和叶片组成，则称为半开式叶轮，如图2 4 ( b ) 所示。 ( a ) 闭式( b ) 半开式 图2 4 半开式与闭式叶轮 f i g 2 4s e m i - o p e na n dc l o s e di m p e l l e r 2 ) 主轴主轴上安装所有旋转部件( 主要是叶轮) ，它的作用就是用来支持旋 转部件及传递转矩。 3 ) 平衡盘由于叶轮两侧的压力不相等，在转子上受到一个指向叶轮进口方向 的轴向推力。平衡盘是利用其两边的气体压力差来平衡转子轴向力的零件。如图 2 5 所示。它位于离心压缩机的高压端，它一侧的压力是叶轮轮盘侧的间隙中的气 体压力p h ，另一侧是吸气压力p b 。 重庆大学硕士学位论文 图2 5 平衡盘示意图 f i g2 5b a l a n c i n gd i s kd i a g r a m 平衡盘的平衡轴向力为： f = 等( d6 2 一d 2 ) ( p 一p 6 ) ( 2 1 ) - 式中： d b 、d 1 1 分别为平衡盘的外径和高压侧的内径。 工作状态时，平衡盘和叶轮产生的轴向力方向正好相反，当设计两值相等时， 转子轴向力达到完全平衡。但为了避免转子来回窜动，一般需要保留一定的轴向 力作用在止推轴承上，使转子得到轴向定位，防止出现轴向振动。 固定元件组成 1 ) 机壳机壳也称气缸，转子和定子的所有零部件都安装在其中。 2 ) 吸入室吸入室的作用是将从蒸发器或级间冷却器来的气体，均匀地引导至 叶轮的进口，以减少气流的扰动和分离损失。它的结构比较简单，有轴向进气和 径向进气两种。通常空调用单级离心式制冷压缩机都采用轴向进气的结构，如图 2 6 ( a ) 所示。沿轴线的截面略有收缩，以减少分离损失并保证气体的均匀流动。 径向进气结构多采用于多级双支承压缩机中，如图2 6 ( b ) 所示。 3 叶轮有限元分析 ( a ) 轴向进气 ( b ) 径向进气 图2 6 吸入室的结构示意图 f i g2 6t h es u c t i o nv o l u t es t r u c t u r ed i a g r a m 3 1 进口导叶有些离心式制冷压缩机在叶轮进口前安装进口导叶，若改变进e l 导叶的开度，不但可改变进入叶轮的气体流量，也可以改变叶轮的做功大小，达 到调节制冷量的目的。 4 ) 扩压器扩压器是固定部件中最重要的一个部件。气体从叶轮流出时，具有 较高的流动速度，为了充分利用这些气体的动能，在叶轮后面设置扩压器，用以 把动能转化为压力能，以便进一步提高气体压力。扩压器通常是由两个和叶轮轴 相垂直的平行壁面组成。扩压器内环形通道截面是逐渐扩大的，当气流通过时， 速度逐渐降低，压力逐渐升高。 5 1 弯道和回流