16 ANSYS ADVANTAGE 2016年 | 第3期

往复式压缩机使用与内燃机相似的活塞和气缸

将热量从冰箱内部转移到外部。内燃机通过

在气缸内燃烧燃料来运动活塞并转动曲轴，但

往复式压缩机却使用电机转动曲轴，进而移动活塞以压缩气缸中

的冷却剂。在内燃机中，向气缸中注入燃料和让废气排出的阀门由凸轮轴机械进行驱

动。但往复式压缩机通常使用簧片阀，其启/闭运动由流经压缩机的液体来驱动。

往复式压缩机的大量损耗都发生在这些阀门上，因此压缩机的能效和噪

声水平主要取决于这些阀门的设计和运行性能，以及用于衰减噪声的吸气消

声器（吸入侧）和冲击循环系统（排放侧）。一般来说，虽然限制流量可

降低压缩机的噪声，但也会降低压缩机的效率。过去，设计新的往复式

机械与燃料效率

绿色环保的机械

^ 平板阀随周边瞬态压力场出现变形。

作者：Luis Lopez，研发经理； Jônatas Lacerda，巴西圣卡洛

斯Tecumseh Products公司研

发工程师；Celso Takemori和Edmar Baars，巴西茹安维尔

Vibroacustica公司工程师

设计往复式压缩机面临的最严峻挑战之一就是如何了解不断开启闭合的簧片

阀的复杂运行，因为它们在流经压缩机的流体所产生的负荷下会发生变形。

Tecumseh的工程师借助ANSYS多物理场功能，能设计出耗电更少、噪声更

低的新型压缩机，而耗时比设计以往产品的一半还少。

设置多物理场仿真

Tecumseh工程

师之所以选用ANSYS

Mechanical有限元

分析软件和ANSYS

C F X计算流体动力

学(CFD)软件，是因

为他们能在ANSYS

Workbench环境中轻松实现这些工具的互连互通，从而对

FSI进行仿真。他们在ANSYS DesignModeler前处理器中创

建了流体和固体几何模型，并使用Workbench自动对组件

进行网格划分和对物理模型及边界条件进行定义。不断移

动的网格代表气缸和阀门的运动。通过使用Workbench项

目原理图，工程师能轻松将每个工具的输出连接到另一工

具的边界条件，以便对FSI进行仿真。

仿真生成的压力-体积图可跟踪压缩机工作周期中气

缸压力相对于气缸体积的关系，这极其实用。在该图靠近

顶部的区域中，气缸压力大于排放压力，可用于量化排放

损耗。在低于吸入压力线的区域中，气缸压力小于吸入压

力，体现的是吸入损耗。吸入损耗主要是由吸入阀门打开

和闭合时跨吸入端口的压差导致的，而排放损耗则主要是

由跨排放端口的压差所导致。

© 2016 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 17

“借助ANSYS多物理场仿真 技术，Tecumseh工程师仅用短短18个月

完成设计，加速上市进程逾60%。”

压缩机主要靠试错

法，需要构建及测

试几十种原型，耗

时四到五年时间才

能完成。在设计最

新的TA 2系列压缩

机时，Tecumseh借

助ANSYS多物理场仿

真技术仅用了短短18个月，加速上市进程逾60%。他们实

现了1.5%的能效提升，若将这样的优势应用到全巴西所

有的冰箱上，那么节省的电量足以为拥有约100万居民的

城市住户提供电力。此外，可让噪声降低3dB，噪音值减

半。这就相当于让两部压缩机运行但关掉其中一部的噪声

水平。

严峻艰难的设计挑战

在汽油发动机中，阀门以机械方式控制，因此我们

始终能够掌握它们在机械周期中任意一点的位置。但是，

对于往复式压缩机，阀门受控于压力差，这就需要在设计

过程中使用流固耦合(FSI)仿真才能判断它们的位置。周

期以电机移动活塞开始，接着增大压缩室，从而缩小其压

力。压缩室与环境压力之间的压差会导致吸气阀变形，将

冷却剂吸入气缸。当活塞变换方向并增大压缩室中的压力

时，排放阀打开，排出被压缩的冷却剂。

Tecumseh公司管理层为工程团队安排的任务是研发

一款TA系列压缩机的替代产品，要求能在降低成本的同

时提高能效并降低噪声。降低压缩机成本要求使用成本较

低、效率也较低的电机，这让提高压缩机效率变得更为至

关重要。为了在紧迫的时限内同时满足这些彼此冲突的目

标，工程团队需要为压缩机研发一款能同时整合机械组件

和流体流动的完整软件原型。

^ 压缩机部件图 ^ 压缩机流量

^ 阀片的结构模型

绿色环保的机械（续）

“多物理场仿真使Tecumseh不仅能够

有效解决冲突性要求，同时还能以前

所未有的速度加快产品上市进程。”

该仿真提供了吸入端口和排放端口处的压力随时

间变化出现的情况记录。因为导致噪声的主要原因是通

往冰箱箱体外部的吸入和排出阀门周围的压力变化造成

的，这些时间历史记录提供了宝贵的信息。在仿真结果

的指导下，Tecumseh工程师手动迭代了平板阀和其它组

件的设计，从而不仅大幅提升了效率，同时还降低了压

缩机产生的噪声。由于吸入侧产生的噪声占主要部分，

所以工程师设计了一款更为精良的吸气消声器。这款全

新的消声器必定会带来更大的损耗，但这种损耗完全会

被吸入阀门的效率提升所抵消。

通过使用性能系数(COP)可对往复式压缩机的效率

进行衡量，而这正是压缩机将冰箱内部的热量排出所做

的功（单位：瓦）与压缩机电力消耗（单位：瓦）的比

值。通过对多种不同的设计进行仿真，Tecumseh工程

师能够进行完美的权衡取舍，实现效率改善和压缩机

噪声降低的最优组合。对于这种成熟先进的产品而言，

能够获得1.5%的COP提升可谓实现了一次重大增强，为

Tecumseh带来了显著的竞争优势。

此外，新型压缩机的噪声水平也显著降低。在该设

计完成后，Tecumseh工程师采用ANSYS ACT Acoustics

（ANSYS应用商店提供）对新旧设计吸入侧的噪声水平

进行了仿真。结果显示吸气消声器性能在大多数频率上

实现了大约20dB的改善。另外，Tecumseh工程师还使用

ANSYS Mechanical对压缩机壳体执行了模态分析，并根据

得到的结果进行了相应的设计修改，以降低壳体对压缩

机工作频率的响应，从而进一步降低了噪声。

往复式压缩机需要以极具竞争力的价格实现更高能

效、更低噪声，而家电行业对此需求永无止境！多物理

场仿真使Tecumseh不仅能够解决这些冲突性要求，同时

还能以前所未有的速度加快产品的上市进程。

Tecumseh产品由ANSYS精英渠道合作伙伴ESSS提供支持。

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

^ 压力-体积关系图可量化压缩机吸入侧和排放侧的损耗。

1.4

1.3

1.2

1.1

1.0

0.00 0.05 0.10

^ 与上一代产品（黄）相比，新设计方案（蓝）的排放损耗有所下降。

1.01

1.01

1.00

1.00

0.99

0.99

0.98

0.98

0.97

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

^ 压力-时间历史关系图显示了导致噪声的周期性压力变化。 ANSYS应用商店ansys.com/app

18 ANSYS ADVANTAGE 2016年 | 第3期