雙段離心式冷媒壓縮機流固耦合模擬分析

摘要：本文使用商用設計軟體CFturbo設計雙段離心式冷媒壓縮機之流力元件與數值計算軟體ANSYS-Fluent與ANSYS-Structure模擬雙向流固耦合壓縮機結構受力現象。雙段冷媒壓縮機由含導葉進氣入口、2顆離心葉輪、無葉擴散器與渦殼組合而成。CFturbo為設計壓縮機主要的流力元件幾何外形，包含葉輪入出口大小、葉片厚度、葉輪直徑、葉輪厚度、葉片數、擴散器與入口導葉。ANSYS-Fluent為分析流體由入口經過葉輪至擴散器與渦殼作用在流力元件結構上之受力現象，與ANSYS-Structure靜態頻譜分析後，將兩結果耦合得出壓縮機結構變形量與應力。數值分析結果壓縮機皆在安全範圍內運轉。
Abstract：This article numerically investigates the two-way fluid-structure interaction (FSI) of a two-stage centrifugal refrigeration compressor by using the commercial design software CFturbo and the computation fluid dynamics software ANSYS-Fluent and ANSYS-Structure. The two-stage centrifugal refrigeration compressor is composed of an inlet with guide vanes, two centrifugal impellers, a vaneless diffuser and the volute. The CFturbo software package is utilized to design the geometry of the main flow components of the compressor, including the size of the inlet and outlet of the impeller, the diameter of the impeller, the thickness of the blade, the number of blades, the diffuser and the inlet guide vane. The fluid simulation software ANSYS-Fluent is used to analyze the force being applied from flow through the inlet guide vanes of the impeller, to the vaneless diffuser and the volute, and the structural analysis software ANSYS-Structure is utilized for the spectrum analysis of the compressor’s components. The numerical analysis obtained the deformation and stress of the refrigeration compressor and the results show that the compressor always operated within the safe range.

關鍵詞：流固耦合、壓縮機、變形
Keywords：Fluid-structure interaction, Compressor, Deformation

前言
高轉速離心式壓縮機，其能源效率將可望大幅超越目前市場廣泛使用之同能力螺旋式或渦卷式壓縮機，以滿足汰舊換新市場對於此範圍高性能產品的需求。例如，加拿大Turbocor公司發展的無油磁浮離心壓縮機，其效率已達COP 5.4、IPLVCOP 8.5，且壓縮機體積比同能力之螺旋式壓縮機小約1/3，容易解決汰舊換新時冰水機不易整機進出機房之困擾，以及改裝舊壓縮機回油系統的困難度與風險。其產品雖然售價偏高，但在壓縮機之汰舊換新市場已有相當市場穿透性。而採用冷媒潤滑軸承的壓縮機，具有系統無油、低噪音、微磨耗、低成本和易維護之優點，加上嵌入式即時自我診斷裝置，隨時監控運轉狀況的功能，大幅提升離心機之智慧化附加價值，預期將為離心機技術發展的主流趨勢之一，也提供業界在不同階段成本和性能等多樣性選擇。近幾年由於市場急遽變化，使得離心式冰水機市場也隨著改變，依據JARN在2018年3月的報導中指出，2017年全球離心式冰水機市場規模為18,000台，較2016年增加3.5%，主要成長來自中國、美國與南韓，主要市場大小排序也變為中國、美國、南韓、日本、中東，過去10年，小型冰水機採用磁浮離心機，因高效率已被市場接受，且呈現穩定的成長，如圖1所示。

圖1 2012~2017全球離心機需求趨勢
資料來源: JARN[1]，工研院機械所重製

在美國市場方面，Trane、YORK、Carrier、Daikin(以前的McQuay)四大家壓倒性的佔有離心式冰水機市場，也同步增加對東南亞與中東的外銷，產品發展趨勢在傳統300冷凍噸以下水冷式冰水機，開始以磁浮離心機代替螺旋式壓縮機，而且擴充應用範圍至400冷凍噸，同時磁浮離心機也往更高噸數發展，以及使用新冷媒。
日本市場方面，2017年日本離心式冰水機需求為400台，比2016年成長3.3%，日本離心式冰水機製造廠如MHI Thermal System、Johnson Controls-Hitachi與Ebara，都只生產離心式壓縮機給自家的冰水機使用。而變頻離心式冰水機則為MHI Thermal System所主宰。但由於市場規模不足，日本冰水機廠都往海外擴張市場，尤其與中國廠商合作。
在中國市場方面，2017年成長2.7%使得離心式冰水機的市場規模已超越美國。有趣的是美國四大離心式冰水機製造廠都在中國設立生產基地及研發中心，其中包括可測試到3,000冷凍噸的離心式壓縮機性能測試系統，Carrier、Trane、YORK在長江三角洲地區都設有冰水機工廠。McQuay離心機生產工廠則設在武漢。而因為變頻器價格下跌，變頻式市佔率已增加到全部離心式冰水機市場的23%，使得磁浮變頻離心機已穩固了更大的市場佔有率，增加中的應用包括：高檔豪華旅館、會議中心、機場、鐵路車站、資料中心等，以確保傑出的節能效益。特別值得注意的是，中國的製造能力已經提升，包括美國四大廠家都能在中國生產鑄件與葉輪等包含離心機核心技術的零件。漢鐘已開發建立離心式壓縮機生產能力，產品專注於中國市場。海爾中央空調Haier Central Air Conditioning (CAC)是中國最大的磁浮離心機銷售者，其位於青島的互聯工廠於2016年開幕，擁有彈性客製化的生產線4,500冷凍噸的測試站，以及磁浮離心機技術研發中心。海爾CAC已外銷全世界五大洲。2017年11月，Danfoss的中國第一條Turbocor磁浮離心式壓縮機組裝線在浙江海鹽園區開幕。格力也發佈已成功開發自家冰水機用的磁浮離心壓縮機。美的也聚焦在雙段離心式冰水機，而且採用了降膜式技術與氣噴技術，以減少冷媒充填量。由此可見隨著離心機技術發展的日趨成熟，未來將成為主要的技術發展項目。