磁悬浮压缩机消声器的设计

2022-02-10□李媛

机械制造 2022年12期

□ 李媛

特灵科技亚太研发中心上海 200051

1 设计背景

在大冷量范围内,原有四压缩机风冷离心机组单台压缩机制冷量最大为310 t,和竞争对手相比,存在能效低、成本高的缺点。为顺应市场需求,提升竞争力,创造新机会,笔者所在单位决定采用大制冷量的磁悬浮压缩机,设计三压缩机风冷离心机组,将整机制冷量提升至1 500 t,应用于数据中心。

2 整体布局

三压缩机风冷离心机组组成如图1所示。三压缩机风冷离心机组由底座组件、压缩机组件、蒸发器组件、电控柜、冷凝器组件、风机、底座支撑、相应管道等组成。

▲图1 三压缩机风冷离心机组组成

正视电控柜,机组左侧为回路1,机组右侧为回路2。远离电控柜的磁悬浮压缩机代号为A,靠近电控柜的磁悬浮压缩机代号为B。

三压缩机风冷离心机组系统简图如图2所示。根据系统简图,回路1采用一个磁悬浮压缩机,回路2采用两个磁悬浮压缩机的布局。为最大化共用零部件,并考虑到装配过程,保持蒸发器组件位置不动,沿轴线中心布置。为方便管道连接及电气走线前方无遮挡,三压缩机风冷离心机组保留1A压缩机位置,取消原四压缩机风冷离心机组1B压缩机。两机组的布局分别如图3、图4所示。三压缩风冷离心机组总体布局中,1A、2A、2B压缩机与原四压缩机风冷离心机组的压缩机位置保持一致。压缩机位置确定之后,便可进行消声器支撑及连接的设计。

▲图2 三压缩机风冷离心机组系统简图

▲图3 四压缩机风冷离心机组布局▲图4 三压缩机风冷离心机组布局

3 消声器组件设计

磁悬浮压缩机组件如图5所示,压缩机供应商提供的零部件包括磁悬浮压缩机、单向阀、连接法兰等。

▲图5 磁悬浮压缩机组件

由于大制冷量磁悬浮压缩机噪声较大,因此需要设计消声器组件,以减小噪声。消声器安装在该压缩机排气口单向阀之后,与出口连接有两种方案。

消声器组件设计方案一如图6 所示,设计圆形法兰替换单向阀右侧的方形连接法兰,并用双头螺柱取代M16螺栓与单向阀进行连接。

▲图6 消声器组件设计方案一▲图7 消声器组件设计方案二

消声器组件设计方案二如图7所示,保留单向阀右侧的方形连接法兰,通过过渡铜管,与消声器组件圆盘进行焊接。

经分析,方案一为保证连接可靠性,圆形法兰厚度较大,结构复杂,成本较高。压缩机供应商提供的方形连接法兰内部存在特殊结构,若自行设计进行替换,会存在一定风险。方案二通过过渡铜管直接与消声器组件圆盘焊接,无需打孔,成本较低,可靠性高。

从安全及成本角度出发,最终选择方案二。为保持吊装的稳定性,保持机组的整体水平,需要设计两个吊耳。将铭牌贴于消声器壳体正上方两个吊耳之间,方便在机组中进行查看。消声器组件在机组中的安装位置如图8所示。

▲图8 消声器组件安装位置

4 消声器组件装配

消声器组件装配过程如下:

(1) 将消声器的法兰组件拆除,如图9所示,方便后续装入消声材料;

▲图9 拆除法兰组件

(2) 将消声器壳体组件圆盘与过渡铜管进行焊接,如图10所示,再与压缩机单向阀方形连接法兰进行焊接,同时法兰组件与后续总装铜管进行焊接，如图11所示;

▲图10 焊接过渡钢管▲图11 焊接总装铜管

(3) 将消声材料从右侧装入消声器壳体中,如图12所示;

▲图12 装入消声材料▲图13 拧紧组件

(4) 壳体法兰上安装O形密封圈,通过螺栓、螺母拧紧,如图13所示;

(5) 将消声器组件作为一个整体进行吊装,与压缩机进行组装,后续固定。

5 消声器支撑板及连接件设计

为减少机组运行的噪声及管道振动,对消声器进行固定。不同压缩机上,消声器的装配位置也有所不同。从工艺性、可靠性及便于装配等角度考虑,消声器支撑板及连接件设计如图14所示。区域1为壳体连接件与支撑板的固定,区域2为支撑板与消声器连接件的固定,各横梁上的方形线框为消声器连接件与底部横梁的固定。

▲图14 消声器支撑板及连接件设计

为减少零部件加工,需设计一款共用支撑板,可通用于三台压缩机消声器在机组不同部位上进行固定。通过支撑板上部不同孔位与壳体连接板进行安装,1A压缩机上的消声器用I、J两孔,2A和2B压缩机上的消声器均用H、I两孔。为方便调节,支撑板下部通过腰型孔M与消声器连接件固定。支撑板展平图如图15所示,1A、2B连接件展平图如图16所示,2A连接件展平图如图17所示。

▲图15 支撑板展平图▲图16 1A、2B连接件展平图▲图17 2A连接件展平图

为最大化共用零部件,保持底座组件不变,同时借用底座横梁上原有孔位,进行消声器连接件的设计。由于横梁1和横梁2的间距与横梁3和横梁4的间距相同,且横梁上的孔位也相同,因此1A和2B压缩机消声器的连接件使用同一款连接件。

消声器的连接件在加工中心上进行制造,先冲孔后折弯,其厚度为2.5 mm。该零件设计为完全对称结构,即关于中心线前后、左右对称,无需辨别折弯方向,方便工人加工和后续装配。 1A、2B孔用于和支撑板连接,C孔与底座横梁固定。

用于2A压缩机消声器的连接件由于装配空间限制,需重新设计。

借用横梁5上的安装孔,通过2A连接件右侧两个孔位与支撑板进行固定。2A孔和D孔沿中心线前后对称设计,无需识别折弯方向。

6 螺栓强度及密封性验证

由于受到冲击力,螺栓在工作过程中可能失效、断裂,并存在泄漏风险。消声器组件两片连接法兰厚度均为20 mm,供应商建议使用八个M16螺栓进行固定。根据既有的工程经验,该机组常用螺栓等级为8.8级,M12螺栓应该可以满足要求。对此,从成本及后期物料维护方面考虑,对M12螺栓进行强度及密封性分析。消声器设计参数和螺栓参数分别见表1、表2。

表1 消声器设计参数

表2 螺栓参数

整个受力面积S为:

S=π(D/2)2= 22 167 mm2

整个密封面受力F为:

F=PSS=42 117.3 N

螺栓相对刚性因数ΔF与螺栓的刚度和被连接件的刚度有关,有:

ΔF=Cb/(Cb+Cm)

(1)

式中:Cb为螺栓刚度因数;Cm为被连接件刚度因数。

螺栓相对刚性因数见表3。

表3 螺栓相对刚性因数

在强度分析中,使用O形橡胶密封圈,螺栓相对刚性因数按橡胶垫片取0.9,并考虑设计因子。

单个螺栓所受总拉力F1为:

F1=F0+K0ΔFF/n

(2)

单个螺栓剩余总预紧力F2为:

F2=F1-F

(3)

单个螺栓受力面积S1为:

S1=π[(d-0.938 3m)/2]2

(4)

单个螺栓所受应力P为:

P=F1/S1

(5)

在密封分析中,按照最恶劣情况,即无垫片进行考虑,螺栓相对刚性因数取0.2,螺栓所受总拉力F3为:

F3=F0n+ ΔFF

(6)

总剩余预紧力F4为:

F4=F3-F

(7)

工作载荷下的安全因数K为:

K=F4/F

(8)

将参数代入,得到分析计算表,见表4。

表4 分析计算表

8.8级螺栓的抗拉强度为800 MPa,屈服极限为640 MPa,根据计算,M12螺栓所受压力小于640 MPa,故无断裂风险。理论剩余预紧力推荐值见表5,该连接为紧密连接,故螺栓剩余预紧力大于1.5～1.8倍工作载荷无泄漏风险,即安全因数大于1.8视为安全。根据计算,M12螺栓的安全因数为6.24,无泄漏风险。