往复式压缩机温度计套管的有限元仿真分析

李首霖 ，杨 娜

（1.沈阳鼓风机集团往复机有限公司， 辽宁 沈阳 110869； 2.沈阳鼓风机集团齿轮压缩机有限公司，辽宁 沈阳 110869）

引言

缓冲器是往复式压缩机中重要组成部分，温度计套管被安装在往复压缩机工艺管道或者缓冲器上，容易产生共振而受损。在对温度计套管周围流场及其对温度计套管的影响等问题进行分析时，分析计算域被简化为均匀来流的圆柱绕流问题，但由于温度计套管根部距离压力容器壁面较近，会对温度计套管周围流场产生一定影响，因此采用三维流动分析，对温度计套管进行三维流固耦合数值分析。

1 温度计套管的稳态分析

1.1 温度计套管稳态数值的计算分析

1.1.1 计算模型及网格

图1 计算模型网格划分

缓冲器筒体直径700 mm，温度计套管长400 mm，其中浸于流场内的部分长250 mm。分析选用ANSYS进行网格划分，网格采用非结构化网格，壁面首层0.01 mm，网格划分如图1所示。

1.1.2 温度计套管周围流场的数值分析

温度计套管周围流场模型计算域为直径700mm的缓冲器，一端均匀进气。计算边界条件为：定常计算；定常计算湍流模型为k-ωSST，非定常计算湍流模型为DES。入口边界条件为：总压15.9 MPa、总温313 K、进气方向Z轴正向。出口边界条件为：排气方向Z轴正向，流速10 m/s。计算介质为理想氢气。固壁绝热无滑移。

计算结果显示，截取温度计套管顶部和根部，流速分布、总压分布及流线分布分别如图2—图7所示，其中Y值为在模型坐标系中温度套管在缓冲器中的径向位置坐标值。从图中可以看出，由温度计套管顶部到根部，由于受壁面影响，经过温度计套管后的尾迹旋涡不断增强。

图2 端部Y=105 mm处截面流速（m/s）分布图

图3 端部Y=105 mm处截面压力（Pa）分布图

1.1.3 温度计套管流固耦合数值的分析

以温度计套管周围流场数值计算结果为输入，对温度计套管进行流固耦合分析。由对温度计套管周围流场数值计算结果的分析可知，温度计套管周围流场的压力分布不均匀性较小，对温度计套管作用的形变量也相对较小，因此采用单向流固耦合分析。

图4 Y=105 mm处截面流线（m/s）分布图

图5 Y=300 mm处截面流速（m/s）分布图

图6 Y=300 mm处截面压力（Pa）分布图

图7 Y=300 mm处截面流线（m/s）分布图

1.2 温度计套管的模态分析

模态分析是对激励状态下物体的动态响应的分析。图8展示了温度计套管以稳态压力流场作为预应力的1～4阶模态振型图。

图8 套管1～4阶模态振型图

1.3 温度计套管稳态的应力分析

以流场定常数值分析结果为流固耦合计算的输入初始条件，即温度计套管表面稳态气动载荷，加载压力场后，经过稳态流固耦合数值计算后，计算结果如图9所示，最大应力强度值为43.085 MPa，低于材料的屈服极限，最大应力点位于套管根部。

图9 温度计套管稳态载荷下应力（MPa）分布云图

2 温度计套管的瞬态分析

2.1 温度计套管瞬态数值的计算分析

通过对温度计套管稳态流固耦合数值计算分析可知，温度计套管应力分布的最大值位于温度计套管根部，最大应力值为43.085 MPa，远小于温度计套管材质的屈服极限。为进一步分析温度计套管所处流场特点及温度计套管瞬态力学特性，对温度计套管进行瞬态流固耦合分析。以温度计套管定常计算结果为初场，对缓冲器进行非定常计算，本次计算监测在温度计套管近壁面同一高度处设置8个监测点，示意图如下页图10所示。在三维计算中，沿着温度计套管高度方向，设置6层高度不同的监测截面，示意图如下页图11所示。

2.2 温度计套管瞬态的应力分析

在进行瞬态计算时，设定载荷步为120步，选取最大应力点位置及其附近共4个节点，考察在一个周期内应力随时间的变化情况，其中node1与node2相似，node3与node4相似，node1与node3的应力变化如图12、图13所示。

图10 同一高度截面监测点布置位置图

图11 温度计套管6个监测截面示意图

图12 node1应力随时间变化图

图13 node3应力随时间变化图

2.3 温度计套管的疲劳评定

温度计套管的材料、表面状态、机械载荷激励都是造成温度计套管疲劳破坏的原因。通过对温度计套管周围流场的非定常瞬态分析可知，应力循环周期约为4×10-3s，由此可知，温度计套管在使用寿命60年的压力循环次数为4.73×1011次＞105次，属于高周疲劳。

Goodman 曲线横轴坐标为（Sm，0），纵轴坐标为（0，Sa），在设计温度下的Sm=171 MPa，根据材料的S-N曲线，无限寿命的疲劳极限Sa=62.8 MPa。

其中，径向安全系数方程为：

式中：AR为许用最大应力幅值，BR为额定应力幅值。node1至node4节点的许用最大应力幅值和额定应力幅值均分别为34.34和3.6。因此各点的径向安全系数：node1，nfR=9.54；node2，nfR=9.54；node3，nfR=9.54；node4，nfR=9.54。许用安全系数[n]=1.5，可见各安全系数均大于许用安全系数，因此，满足设计需求。

3 结论

通过对套管进行静力学流固耦合稳态计算分析，得到在流场介质作用下套管的应力分布及模态。同时，对套管周围流场做三维瞬态非定常数值计算，得到套管表面周围气动载荷的压力脉动特性，并进行瞬态流固耦合分析得到以下结论：温度计套管最大应力分布位于温度计套管根部，最大应力值43.085 MPa，远小于温度计套管材料的屈服极限。套管疲劳属于高周疲劳，安全系数为1.5，各点的径向安全系数采用Goodman线计算得出为9.54，符合设计需求，验证了套管的可靠性。