双级压缩空调特点及应力模拟分析

韩顺训 郑小郴

（1.格力电器(洛阳)有限公司 洛阳 4710002；2.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

近年来，随着技术的发展和进步，市场上变频冷暖空调逐步取代了定频空调，

变频空调在舒适性、最大制冷量或最大制热量运行方面有着较大的优势。

普通变频空调的制冷能力在全国范围均可覆盖，一般（40～50）℃的高温下，空调依然能正常制冷运行；而普通变频空调的制热能力在我国北方很多地区难以满足需求，例如我国华北、东北地区，冬季的气温可低至-7 ℃以下，东北地区可低于-30 ℃，在这种情况下，普通变频空调的制热能力会大幅衰减，虽然加了辅助电加热，但是制热能力仍然不够理想。因为普通压缩机采用单级压缩循环，其能够提供的压缩比是比较有限的，在本身蒸发压力与温度比较低的情况下，很难将吸气压缩为足够高温高压的气体，以供给热量到室内。双级压缩空调则可以有效解决此问题。

本文主要是对双级压缩变频空调特点、应力模拟情况进行介绍，并针对已经建立的管路模型进行应力仿真分析。双级压缩空调管路涉及中间补气、闪蒸器管路等比较复杂，设计三维走管难度较大，通过模态分析从中可以了解双级压缩机型管路的应力值及应力分布特点，可以作为管路设计以及配重设计的参考，以便更好的进行设计和实验等工作。

1 双级压缩空调特点

1.1 双级压缩空调系统构成

双级压缩空调系统通常较单级压缩空调系统组件构成上更加复杂，例如双级增焓压缩系统，一般要增加闪蒸器、节流阀，闪蒸器有中间冷却、闪发、气液分离的作用，同时分离后的气态制冷剂供给二级压缩吸气，液态制冷剂供给蒸发器。如果使用单级压缩机，则要增加1台压缩机，相应的组件及管路就更复杂一些，见图1。

图1 双级压缩循环图与双级压缩压焓图[1]

双级增焓压缩系统在图1压焓图上循环过程为1-2-6-7-9-10-4-5-1，其单位质量制冷量为5-1；普通单级压缩系统的循环过程为1-7′-9-5′-1，其单位质量制冷量为5′-1[2]。双级增焓压缩系统通过闪蒸器闪发作用，使二级节流后的制冷剂干度降低，其单位制冷量可以比普通压缩系统提高。为了提高Δq0的幅度，需要增大压缩机容积比，优化闪蒸器和增焓部件的设计，提高闪发量，增加二级节流前制冷剂的过冷度，最大限度发挥双级增焓压缩系统的制冷能力。

1.2 双级压缩空调系统特点

双级增焓转子式变频压缩机采用单机双级压缩方式，制冷剂进入下气缸进行一级压缩，排出后与中压补气混合进入上气缸进行二级压缩，完成整个压缩周期。

双级压缩系统作用：①降低单个气缸压缩比，提高压缩效率； ②通过补气闪发，提高单位质量制冷量；③降低二级吸气温度，有效降低排气温度；④高压级制冷剂流量增加，提高制冷或制热量。

2 双级压缩空调外机应力模拟分析

针对现有双级压缩的变频空调管路较复杂，配重较多，需要优化的实际问题，建立空调外机的管路模型见图2，运用ANSYS及辅助谐响应分析软件，进行应力仿真分析。通过CREO软件建好三维后，采用软件对压缩机、管路、四通阀、消音器等三维进行参数化处理，并导入到ANSYS进行模型处理、模拟分析等工作。

图2 整机管路模型图

建立的压缩机及管路模型见图2，在本机型三维中，采用单机双级增焓转子式变频压缩机，压缩机有吸气口、排气口、补气口均接有管路，吸气口、排气口通过管路连接四通阀部件，四通阀部件连接大阀门和冷凝器进口，补气口通过管路连接闪蒸器，由于大阀门是固定在阀门支架上、冷凝器固定在底盘、闪蒸器固定在隔板上，连接大阀门、冷凝器进口、闪蒸器的管路都位移很小，本模型中这些端口视为是固定不动的，空调运行时的振动源是压缩机，压缩机的吸气口、排气口、补气口会有径向、轴向的综合位移及振动。通过实验测试的方法，在单体压缩机管口布置相关传感器采集数据，可以收集各频率运行时管口在XY方向的振幅，由此数据运用激励反求的方法可得出管路的载荷情况，如表1。

表1 载荷情况和模拟出的应力位移表（篇幅限制仅展示部分数据）

2.1 载荷情况

通过测试出压缩机在不同频率的吸气、排气管口在XY方向的振幅，运行激励反求的方法得出如表1、图3、图 4。

2.2 变频分析结果

在对压力脉动等参数进行设定后，运用谐响应分析方法模拟分析如下各频率运行时的应力以及位移如表1。

2.3 部分分析结果图表（如图5、图6）

2.4 分析结果及结论

1）如图3所示，通过谐响应分析模拟出的22 Hz、58 Hz、60 Hz运行应力较大，低频阶段整机应力及位移均较大，在22 Hz达到峰值，在22 Hz后位移大幅减小，应力有轻微增加的趋势，可见位移与应力没有固定的变化相关性。

图3 模拟分析整机应力与位移

如图4所示：模拟出的应力曲线与实测的应力曲线变化趋势相近，但实测的运行频率在58、60 Hz附近应力值比22 Hz时应力值大。可见本次模拟可以大致定性反映应力的规律及应力较大的点。

图4 模拟分析整机应力与实测对比

2）压缩机在22 Hz左右应力及位移较大，可根据实际应力测试情况进行屏蔽此点运行处理。

3）通过应力分布图（如图5、6所示）分析得知低压阀接管应力相对较大，可从设计上尝试优化，后续可以根据实际应力测试情况进行核实，可以进一步优化管路形状，或调整配重，再模拟分析是否优化。

图5 频率80 Hz分析结果

图5 频率20 Hz分析结果

4）通过排气管、回气管应力分布情况图（如图6所示），可以得知在管路下方的U弯附近应力相对较大，可以在实验时关注此段管的应力情况，以避免应力过大。

5）此项分析后应用于实际开发的双级压缩家用空调项目中，结合实际应力测试情况，评估取消了2块阻尼块配重，在保证应力及可靠性前提下，为整机降成本1.3元，并且提高了生产效率，评估能减少1人工时/台空调，为公司创造良好经济效益。

3 结束语

1）应用双级增焓转子式变频压缩机的空调器可以在（-30 ～54）℃的范围内可靠高效运行。通过该技术的应用，丰富了长江以北区域的采暖方式，扩大空调器的应用范围，加速了变频空调高效化进程，在提高企业竞争力的同时，促进了制况产业的升级。该项技术可改善农村、城镇家庭的供暖问题，减少煤炭、木柴取暖情况，极大地提高了消费者的生活质量。

2）双级增焓空调系统管路较复杂，通过应力谐响应分析，得出各频率大概的应力及位移情况，针对得到的应力及位移较大频率，更有针对性的从设计上尝试优化，后续可以根据实际应力测试情况进行核实，评估是否必要加配重，以及如何优化配重，提高效益。