Analisi prestazionale di un compressore a palette non radiali e verifica dello stato di sforzo delle palette

In this study, mathematical modeling of non-radial sliding vane rotary compressors is presented with the aim of identifying a configuration that improves the mechanical efficiency. Firstly the model deals with the geometric study and kinematics of the machine, then the study of the thermodynamic process compression and dynamics of the vane. In addition, the analysis of the vanes stress is proposed with the appropriate strength check. In order to provide a tool for the analysis of performance of a volumetric rotary compressor with any vane tilted angle, all that is implemented to the computer. The model is validated by an experimental data set of an existing industrial machine. The landmark for the performance analysis and vane’s state of stress is the standard compressor with radial vanes. The results of simulations show that compressors with forward tilted vanes have a small increase in the value of mechanical efficiency and at the same time show a significant decrease in the value of the vanes stress; the optimal tilted angle is 15°, in which mechanical efficiency increases by 0.5 percentage points and the maximum principal stress decreases by 13.3%. Consequently, the more appropriate comparison with the standard machine should be done at the same state of vanes stress that implies the possibility to have thinner vanes and an additional increase in mechanical efficiency, about 1 percentage point. Finally, as a starting point for the future, some simulations results show that the use of an unconventional material for the vanes can produce substantial improvements in mechanical efficiency (+2.7 percentage points) and a forward tilted sliding vane compressor could meet the potential problems of mechanical resistance of the new material.

In questo studio viene presentato un modello matematico di un compressore a palette inclinate, allo scopo di individuare una configurazione che migliori l’efficienza meccanica del compressore tradizionale a palette radiali. Il modello affronta dapprima lo studio geometrico e cinematico della macchina, poi lo studio del processo termodinamico di compressione e della dinamica della paletta. Inoltre viene proposta l’analisi dello stato tensionale della paletta e l’opportuna verifica di resistenza. Tutto ciò viene implementato al calcolatore, fornendo uno strumento per l’analisi prestazionale di un compressore rotativo volumetrico con una qualsiasi inclinazione delle palette. Il modello è validato con dati sperimentali. Il riferimento per l’analisi delle prestazioni e dello stato di sforzo delle palette è il compressore tradizionale a palette radiali. Dai risultati delle simulazioni risulta che nei compressori con palette inclinate in avanti si registra un aumento, seppur modesto, del rendimento meccanico e contemporaneamente emerge una significativa diminuzione delle sollecitazioni meccaniche alle palette; il punto di ottimo si verifica per un’inclinazione in avanti delle palette di circa 15°, in cui il rendimento meccanico aumenta di 0.5 punti percentuali e lo sforzo principale massimo si riduce del 13.3%. Di conseguenza il confronto più opportuno con la macchina di riferimento è quello a pari stato di sforzo che si traduce nella possibilità di realizzare palette di minor spessore e ottenere un ulteriore incremento del rendimento meccanico, pari a circa 1 punto percentuale. Infine, come spunto per il futuro, viene mostrato che l’adozione di un materiale non convenzionale per le palette produrrebbe sostanziali miglioramenti dell’efficienza meccanica (+2.7 punti percentuali) e un compressore con palette inclinate in avanti andrebbe incontro alle eventuali problematiche di resistenza meccanica del nuovo materiale.