基于ANSYS仿真的涡旋压缩机排气阀的优化设计

凡沁 相玲玲

摘 要 本文通过ANSYS仿真分析，对涡旋压缩机的排气阀片进行优化设计。最后通过试验验证，与不带排气阀的涡旋压缩机相比，带有优化设计的排气阀的涡旋压缩机性能明显提升。

关键词 涡旋压缩机;ANSYS;排气阀

引言

涡旋压缩机是一种容积式压缩机，压缩部件由动涡旋盘和定涡旋盘组成，广泛应用在制冷、空调、热泵、真空泵等领域[1]。由于涡旋压缩机实际应用时，工况总是处于变化中，内外压比不一致。涡旋压缩机的排气压力（外压力）Pd与内压缩终了压力（内压力）Pi不相等时，在第二压缩腔与中心压缩腔相通（对应的主轴转角为）的瞬时，气体要进行定容积压缩或膨胀，以使压力由Pi均衡到排气压力Pd，这就产生了附加损失功率[2]。

为满足不同的压缩比，减少过压缩或欠压缩带来的附加功率损失，可以通过涡旋压缩机用位于定盘上的动态排气阀来调节[3]。通过ANSYS仿真分析，本文设计并优化了一种排气阀，在保证安全可靠的前提下，可以有效提升涡旋压缩机变工况性能。

1理论分析

1.1 排氣阀的基本原理分析

①当内压力比大于外压力比时，就会出现欠压缩时，此时阀片的在压差作用下处于闭合状态，当中心压缩腔压力大于定盘外压力，此时，位于排气口的阀片开启，使内外压比一致;

②当内压力比小于外压力比时，就会出现过压缩时，在第二压缩腔开排气口，此时位于第二压缩腔的排气阀片在内外压差的作用下开启，压缩机提前排气，最终使内外压比一致。

1.2 排气阀的基本设计

（1）气阀阻力损失小

由于涡旋压缩机排气口直径小，限制了阀片的大小，结构上要选取合理的形状，使气阀结构紧凑，间隙通道面积大，阀片完全开启时流经气阀的阻力损失尽量小。气阀的阻力损失应控制在压缩机指示功率的6%～12%。涉及不良时，此项损失阻力可至15%～20%[4]。

（2）使用寿命长

要求在反复冲击载荷下，阀片使用寿命长，不至于过早地损坏。因此要确定合理的升程和阀片的尺寸，以保证阀片有良好的运动规律，撞击速度低[5]。

2方案设计

因为位于中心压缩腔和第二压缩腔的阀片开启频率不同，采用多段式的结构设计，可以消除相邻舌簧片间的剪切应力，提高排气阀片的疲劳强度。

3仿真分析

原方案：阀片A、B、C的厚度均为0.305mm。

新方案：阀片B的厚度均为0.305mm，阀片A、C的厚度则为0.203mm。

原方案中，原方案最大应力在排气阀片B的根部;排气阀片A、C的应力最大值约为212MPa，远小于排气阀片B的最大应力。新方案中，最大应力依然是在排气阀片B的根部;排气阀片A、C的应力最大值约为337MPa，是安全的。

方原案中，排气阀片A、C的最大升程为1.70mm，新方案排气阀片A、C的最大升程为2.72mm，比旧方案提高60%。

4试验验证

随机抽取1台带排气阀片（型号GC45HD-38A）的压缩机和1台不带排气阀片（型号GC45HD-38A0）的压缩机，在多个工况下进行试验，对比性能，试验结果如下，压缩机设计的名义工况是ET/CT -15/40℃，SC 8.3℃， SH 10℃。

试验结果：

（1）在工况ET/CT：-35/40℃、-25/40℃、-15/40℃时，压缩机处于欠压缩工况，通过试验数据分析可以得出，带排气阀片的涡旋压缩机制冷量提升约8%，COP提升了约10%，性能优于不带阀片的涡旋压缩机;

（2）在工况ET/CT：-5/40℃时，压缩机处于过压缩工况，通过试验数据可以看出，带排气阀片的涡旋压缩机制冷量提升约1%，COP提升约0.5%，性能优于不带阀片的涡旋压缩机。

参考文献

[1] IvlevVI，Misyurin S Y.Calculated and experimental characteristics of a scroll machine operating in the air motor mode[J].Doklady Physics，2017：42-45.

[2] 吴业正，李红旗，张华.制冷压缩机[M].3版.北京：机械工业出版社，2018.

[3] 姜辉.家用空调滚动转子压缩机舌簧阀工作特性研究[D].广西：广西大学，2013.

[4] 郭仁宁，李颂.往复式压缩机气阀故障分析与改善措施[J].煤矿机械，2009：55-56.

[5] 周宜良.活塞式空气压缩机气阀故障分析及改进措施[J].四川化工，2012：41-44.