CAE技术在螺杆压缩机开发中的应用_杨胜梅.doc

CAE技术在螺杆压缩机开发中的应用 杨胜梅，丁汉新， 王利 （江森自控楼宇设备科技（无锡）有限公司，江苏 无锡214028） 摘要：文章介绍了螺杆压缩机开发阶段, 基于CAE工具对结构、声学、流场等方面进行分析和优化设计的技术。应用此技术，可有效地优化性能、并控制压缩机振动和噪声、同时提高运行可靠性。 关键词：CAE； 螺杆压缩机 ；结构 ；声学； 流场 Application of CAE in Screw Compressor Development YANG Sheng-mei, DING Han-xing, WANG Li (Johnson Controls Building Efficiency Technology (Wuxi) Co.,Ltd., Wuxi 214028) Abstract: This paper summarizes the applications of CAE technology in the design phase for screw compressor structure optimization, acoustics control, and flow field simulation, etc. By CAE technology, the vibration control sound reduction, performance optimization and reliability improvement can be realized efficiently. Key words: CAE; screw compressor; structure; acoustics; flow field 引言 螺杆压缩机具有结构简单、可靠性高及操作维护方便等一系列独特的优点，被广泛应用于制冷空调和空气动力、石油、化工等领域。从1960年开始，螺杆压缩机在国外逐渐批量生产应用[1]。1978年开始，在参考国外螺杆压缩机的基础上，国内企业开始设计生产螺杆压缩机产品，并逐步有自主知识产权的高性能螺杆压缩机批量应用。 随着现代设计和制造技术的发展，噪声、性能及可靠性不仅是螺杆压缩机开发的重要指标，而且已成为影响产品核心竞争力的重要因素。螺杆压缩机的设计是多学科融合的技术，其中声学、流体力学、结构是对噪声、性能、可靠性起重要作用的三个分支。随着有限元结构分析技术、计算流体力学和边界元声学分析技术的日益发展和不断推广应用，声、振及流场仿真预测技术，作为先进的动态、优化设计方法已在工程设计中显示出越来越重要的作用。 本文主要从结构、声学、流场等方面，对CAE技术在螺杆压缩机开发过程中的应用进行了介绍。 1 结构分析及优化 随着结构有限元理论及数值分析技术的日益成熟，结构动、静力学的数值计算在螺杆压缩机设计领域，已得到广泛应用，为虚拟样机的设计、优化提供了途径。 1.1 转子系统结构分析 如何控制转子系统的振动是设计制造螺杆压缩机的重要关注点之一，对转子系统进行动力学分析及优化是主要的研究手段。转子连同其轴承及支撑座共同构成转子系统。转子系统的临界转速、系统不平衡质量的动力响应、动平衡技术等都是螺杆转子动力学的重要内容。制冷螺杆转子系统的振动主要考虑转轴的弯曲振动和扭转振动。 1.1.1 轴承模型 滑动轴承工作示意图参见图1所示[2]。轴颈在轴瓦中转动，形成油楔，油膜支撑着轴颈，达到润滑效果。当轴颈在静平衡位置上收到位移或者速度扰动时，油膜作用在轴颈上的反力就发生变化，力的变化与扰动之间的关系是微小量时，为了简化分析，可以作为线性来考虑。设坐标原点在轴颈中心静平衡位置，x, y为轴颈的动位移，fx, fy为线性化后的油膜动态力，分别沿x, y方向指向原点，这样得到了动态分析时滑动轴承的力学模型，如图2所示；滚动轴承的力学模型简图列于图3（主要考虑工作条件下，轴承剩余游隙导致的支撑刚度的变化）。 图1 滑动轴承工作示意图 图2 滑动轴承力学模型 滑动轴承及滚动轴承均采用矩阵单元来模化，每个矩阵单元通过两个节点来定义，如图4所示。图5是对称矩阵单元的参数，图6是不对称矩阵单元的参数。