Previsão da velocidade de impacto de válvulas tipo palheta

Abstract

A tendência de aumento da velocidade de operação de compressores alternativos de refrigeração representa um grande desafio devido à falha por fadiga de impacto em válvulas do tipo palheta. A velocidade de impacto dessas válvulas contra o assento tem sido amplamente utilizada por fabricantes de compressores como critério para análise da fadiga. O objetivo deste estudo é a previsão numérica da velocidade de impacto de válvulas, com o emprego de um modelo numérico simplificado desenvolvido com o código GT-SUITE. O modelo adota um sistema equivalente massa-mola-amortecedor para modelar a dinâmica da válvula e áreas efetivas de força e escoamento para determinar a força induzida pelo escoamento sobre a válvula e a vazão mássica nos seus orifícios de passagem. Para validar os resultados numéricos, medições de velocidade das válvulas de sucção de um compressor foram realizadas com um Vibrômetro Laser Doppler, utilizando ar como fluido de trabalho e removendo a linha de sucção para facilitar o acesso óptico às válvulas. Uma análise sistemática foi realizada para verificar o efeito de diferentes parâmetros de entrada do modelo (força de contato, adesão do óleo e junta de montagem da válvula) e de condições de operação do compressor (velocidade de rotação e razão de pressão) sobre a dinâmica e a velocidade de impacto da válvula de sucção. Observou-se que a força de contato influencia significativamente a dinâmica e a velocidade de impacto da válvula, permitindo prever o efeito de rebote observado experimentalmente. Verificou-se também que a força de adesão de óleo entre a válvula e o assento tende a aumentar a velocidade de impacto na primeira oscilação de abertura da válvula e a reduzi-la nas oscilações subsequentes. Por outro lado, a junta de fixação da válvula apresentou a menor influência sobre a velocidade de impacto, mas a sua inclusão na determinação da rigidez equivalente e da frequência natural resulta em previsões de dinâmica de válvula mais alinhadas com os dados experimentais. Os resultados mostraram que a velocidade de impacto aumenta com a velocidade rotacional do compressor, mas tende a se estabilizar a partir de uma certa rotação. O estudo também mostrou que a razão de pressão pouco afeta a velocidade de impacto da válvula. As velocidades de impacto previstas com o modelo mostraram concordância com as medições realizadas para as válvulas mais rígidas, mas o mesmo não acontecendo com a válvula menos rígida. Um modelo tridimensional desenvolvido em volumes finitos e que não emprega áreas efetivas, uma vez que calcula diretamente a força induzida e a vazão mássica da solução do escoamento através da válvula, conseguiu prever a velocidade de impacto da válvula menos rígida. Isso indica que a deficiência do modelo simplificado na avaliação da velocidade de impacto da válvula menos rígida está relacionada aos efeitos transientes do escoamento nas válvulas, que podem amortecer a dinâmica da válvula, mas não são caracterizados nos conceitos de áreas efetivas de força e escoamento.

Abstract: The trend toward increasing the rotational speed of reciprocating compressors adopted in refrigeration systems poses a significant challenge due to failure from impact fatigue in reed-type valves. The impact velocity of these valves against their seats has been extensively used by compressor manufacturers as a criterion for analyzing fatigue. This study aims to numerically predict the impact velocity of valves using a simplified numerical model developed with the GT-SUITE software. The model employs a mass-spring-damper equivalent system to simulate the dynamics of the valve and effective force and flow areas to determine the flow-induced force on the valve and the mass flow rate through its feeding orifices. To validate the numerical results, velocity measurements of suction valves in a compressor were carried out using a Laser Doppler Vibrometer, employing air as the working fluid and removing the suction line to facilitate optical access to the valves. A systematic analysis was conducted to assess the effect of different input parameters of the model (contact force, oil adhesion, and valve mounting gasket) and compressor operating conditions (rotational speed and pressure ratio) on the dynamics and impact velocity of the suction valve. It was observed that the contact force significantly influences the dynamics and impact velocity of the valve, allowing the prediction of the rebound effect observed experimentally. It was also found that oil adhesion between the valve and the seat tends to increase the impact velocity during the first opening oscillation of the valve and decrease it in subsequent oscillations. Conversely, the valve mounting gasket showed the least influence on impact velocity, but its inclusion in determining equivalent stiffness and natural frequency results in valve dynamics predictions more aligned with experimental data. The results indicated that impact velocity increases with the rotational speed of the compressor but tends to stabilize after a certain rotation speed. The study also showed that the pressure ratio has negligible effect on the impact velocity of the valve. The impact velocities predicted with the model were consistent with measurements performed for the stiffer valves, but not for the less rigid valve. A three-dimensional model developed in finite volumes, which does not employ effective areas as it directly calculates the induced force and mass flow from the flow solution through the valve, was able to predict the impact velocity of the less rigid valve. This suggests that the deficiency of the simplified model in assessing the impact velocity of the less rigid valve is related to the transient effects of flow in the valves, which can dampen the valve dynamics but are not characterized in the concepts of effective force and flow areas.