（化工过程机械专业论文）涡旋压缩机压缩腔内部流场的模拟分析.pdf

硕十学位论文 摘要 涡旋压缩机是一种新型的容积式压缩机，以其效率高、体积小、质量轻、 噪音低、结构简单且运转平稳等特点，被广泛应用于空调制冷、动力工程、交 通运输等领域。 涡旋压缩机的热力学特性是其工作的基础，是影响结构构造的重要因素。 本文首先研究了涡旋压缩机的热力特性，并依据热力学第一定律和质量守恒定 律，对涡旋压缩机的压缩腔体的热力状态进行了分析和探讨。建立了涡旋压缩 机的传热模型和泄漏模型，综合考虑了吸气、压缩、泄漏、排气等各个因素对 压缩机工作过程的影响，建立了基于实际传热模型基础上的涡旋压缩机的数 学模型。作用在动涡盘上的气体力直接影响着涡旋压缩机的容积效率和机械效 率，因而本文也对涡旋压缩机的动力特性进行了探讨，这对涡旋压缩机的参数 优化设计、提高机械效率和运动可靠性具有重要的理论意义和现实意义。 涡旋压缩机型线研究是涡旋压缩机研究的一个重要课题，它不仅涉及到性 能，而且会对加工成本造成很大的影响。本文对涡旋压缩机型线的型线方程、 行程容积、型线长度与曲率等公式进行了详细的推导，为正确设计涡旋压缩机， 建立型线数学模型奠定了基础。通过常用简单型线不同表达形式的对比，得出 了其相互之间的对应关系。通过由简单型线连接成的常用组合型线的分析，得 到其容积变化率的变化特性和型线的过渡特性。 目前关于涡旋型线的研究，大多数文献还主要集中于动力学、热力学理论 性的分析计算，而对涡旋压缩机内部流场的研究较少。本文运用f l u e n t 软件， 采用标准k 一5 湍流模型，利用s i m p l e 算法并结合改进的壁面函数法对圆的渐 开线、圆的渐开线圆弧一圆的渐开线两种基本型线的压缩腔内部流场进行了模 拟，根据模拟后处理的结果对流体流动的速度、温度和压力做了分析比较，结 果表明型线的不同对流场分布有较大影响，这为深入研究涡旋型线对压缩机性 能的影响和工程实际应用提供理论参考。 关键词：涡旋压缩机；热动力特性；型线；流场 涡旋压缩机压缩腔内部流场的模拟分析 a b s t r a c t s c r o l lc o m p r e s s o ra san e wt y p ed i s p l a c e m e n tc o m p r e s s o r ，p o s s e s s i n gc h a r a c t - e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c y s m a l lb u l k ，l i g h tw e i g h t ，l o wn o i s e ，s i m p l es t r u c t u r ea n d w o r k i n gs m o o t h l ye t c ，i sw i d e l yu s e di nr e f r i g e r a t i o na n da i r - c o n d i t i o n i n gu n i t s s c r o l lc o m p r e s s o rt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c si st h eb a s i sf o ri t sw o r k ，a n di m p a c t o ft h es t r u c t u r eo ft h e i m p o r t a n t f a c t o r s i nt h i s p a p e r ，i n i t i a l l y o nt h e t h e r m o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es c r o l lc o m p r e s s o r ，a n db a s e do nt h ef i r s tl a w o ft h et h e r m o d y n a m i c sa n dt h el a wo fc o n s e r v a t i o no ft h e q u a l i t yo fo b je c t s ， m a i n l yo n t h es c r o l l c o m p r e s s o rc o m p r e s s i o nc h a m b e rt h e r m a ls t a t eo fa p r e l i m i n a r yd i s c u s s i o n t h ee s t a b l i s h m e n to fas c r o l lc o m p r e s s o rh e a tt r a n s f e r m o d e l ，c o n s i d e r e dt h es u c t i o n ，c o m p r e s s e d ，l e a k a g e ，e x h a u s t ，a n do t h e rf a c t o r so n t h ep r o c e s so ft h ec o m p r e s s o r t h eg a sf o r c ew h i c ha c t so nt h ed y n a m i ce d d y a f f e c t st h ea b i l i t yo ft h es c r o l lc o m p r e s s o rv o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya n dm e c h a n i c a l e f f i c i e n c y ，a n dt h u st h i sa r t i c l eo ft h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ft h es c r o l lc o m p r e s s o r a r ed i s c u s s e d ，w h i c hh a v e i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo n p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n ，a n dt oi m p r o v et h em e c h a n i c a le f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t yo fm o v e m e n t s c r o l lc o m p r e s s o rp r o f i l el i n es t u d yi sa ni m p o r t a n ti s s u ei ns c r o l l c o m p r e s s o r s t u d y ，i ti n v o l v e sn o to n l y + p e r f o r m a n c e ，b u ta l s os i g n i f i c a n ta f f e c t i o no nt h e p r o c e s s i n gc o s t s i nt h i sp a p e r ，p r o f i l el i n ee q u a t i o n ，s t r o k ev o l u m e ，l e n g t ho f p r o f i l el i n ea n dc u r v a t u r ea r ed e r i v e di nd e t a i l ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o r c o r r e c td e s i g no fs c r o l lc o m p r e s s o r ，a n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e p r o f i l el i n e s m a t h e m a t i c a lm o d e l t h em u t u a l r e l a t i o n s h i p w a so b t a i n e d t h r o u g h t h e c o m p a r i s o no ft h ec o m m o n l yu s e ds i m p l ep r o f i l el i n e s d i f f e r e n tf o r m so f e x p r e s s i o n t h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv o l u m e t r i cr a t ea n dt h et r a n s i t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp r o f i l el i n e sw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fc o m m o n c o m b i n a t i o np r o f i l el i n e sw h i c hw e r ec o n n e c t e db ys i m p l ep r o f i l el i n e s a tp r e s e n t ，m o s to fl i t e r a t u r e sf o c u so nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f d y n a m i c s a n d t h e r m o d y n a m i c s ，t h i s c a nn o tu n d e r s t a n dt h e p r a c t i c a l f l o w d i s t r i b u t i o ni nc o m p r e s s i o nc h a m b e r i nt h i sp a p e r t h en o r m a lk 一5t u r b u l e n c e m o d e la n dm o d i f i e dw a l lf u n c t i o nm e t h o dw i t ht h es i m p l ea l g o r i t h ma r eu s e dt o s i m u l a t et w ob a s i cp r o f i l e s i n t e r i o rf l o wf i e l d s ，t h e na n a l y z e ds e v e r a li m p o r t a n t v a r i a b l e sa b o u tt h ef l o wb a s e do n p o s t - p r o c e s s i n gr e s u l t s ，s u c ha sv e l o c i t y ， i i 硕 ? 学位论文 t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e t h e s ep r o v i d et h e o r yr e f e r e n c ef o rs c r o l lp r o f i l es t u d y a b o u tc o m p r e s s o rp e r f o r m a n c ea n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r ；t h e r m a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ：p r o f i l el i n e ； t l o wf i e l d i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：啊摒 _ j 魄力户月逐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 哗办野 导师签名： 苍冬f 日期：弘7 年月西日 日期：中，月矿日 硕l j 学位论文 第1 章绪论 涡旋压缩机是一种新型高效的容积式压缩机，主要借助于封闭容积的变化 来实现气体压缩。涡旋压缩机因具有高效率、高可靠性、低能耗、低噪音、零 件数少、结构紧凑等诸多优点而倍受重视，在制冷空调和气体压缩等领域具有 广泛应用。 1 1 涡旋压缩机的发展概述 涡旋式流体机械的工作原理，最初是由法国人l e o nc r e u x 于1 9 0 5 年提出 并在美国注册专利n3 。在其专利中，涡圈采用圆的渐开线，动涡盘采用公转结 构，涡圈端部设计有密封材料，从现在的机器结构来看，这三项技术都被保留 下来，并成为涡旋压缩机高性能的基本保障。l e o nc r e u x 的专利之后，l n o r d i 在19 2 5 年提出了涡旋液泵的专利心1 。在其专利中，动静涡盘由两个曲柄轴驱 动，两个轴用齿轮保持同步，涡线圈数为1 5 。 围绕涡旋的基本原理，人们又陆续提出了涡旋机械在其他方面的一些应用 设想，并为此做出了许多理论上的探讨和实践。6 1 。但在2 0 世纪七十年代以前， 有关涡旋机械的技术并没有取得多大发展，一方面是因为没有理论上的突破， 更主要的原因是加工手段、工艺设备等条件的制约，限制了其商业化发展。直 到19 7 5 年美国a d l 公司首次利用涡旋式压缩机的原理，采用双轴两级压缩的 结构，成功开发了排气压力为1 7 m p a 的氦气压缩机h 1 ，展现了涡旋压缩机所 具有的独特优点，从而揭开了涡旋压缩机大规模工程开发以及科学研究的序 幕。 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，特别是2 0 世纪七十年代以来 世界在经历了第一次和第二次能源危机以及温室效应，使得社会对节能和环境 保护的要求日益高涨。涡旋压缩机以其高效低噪、结构简单、运转平稳的特点 满足了人们对节能和环保的要求，得到了很大的发展。 日本在涡旋流体机械的商业开发上处于优势地位。三电公司于19 8 2 年率先 批量生产涡旋式汽车空调压缩机1 ，日立公司于1 9 8 3 年首先推出柜式空调式 空调涡旋压缩机旧3 。产品覆盖了从3 h p 到5 h p 几个型号，实际应用效果良好。 随后各大公司竞相开展研究开发工作，并不断推陈出新，涡旋压缩机的制造业 迅速崛起。松下电器于1 9 9 0 年开始大规模生产小型立式空调涡旋压缩机，1 9 9 2 年又成功研究开发了分体式空调卧式涡旋压缩机。丰田公司大批量生产涡旋式 汽车空调压缩机用以装备本公司生产的轿车；东芝公司把涡旋压缩机作为新干 涡旋j 矗缩机压缩腔内部流场的模拟分析 线高速火车的空调压缩机，成为新干线高技术组合的一部分。此外一系列卧式 涡旋压缩机由日立、三菱重工、大金等公司开始投入生产。除此之外，三菱电 机、东芝、三洋、三井精机、岩田涂装等公司也都批量生产涡旋压缩机。 美国是继日本之后又一个大规模生产涡旋压缩机的国家，其中考普兰公司 于l9 8 7 年开始生产涡旋压缩机，近年来推出了一种新的数码涡旋压缩机，使空 调器不必使用昂贵的变频控制器就能实现制冷量在10 10 0 范围内的无级调 节，是目前世界上最大的涡旋压缩机制造商。开利公司和特灵公司19 9 2 年开始 生产涡旋压缩机，泰康公司19 9 5 年也开始了涡旋压缩机的生产。此外，韩国的 l g 电子和三星公司也批量生产涡旋式空调压缩机。 在我国，2 0 世纪八十年代，涡旋流体机械逐渐成为研究热点。先后有甘肃 工业大学、西安交通大学、机械部通用机械研究所以及一些其它的院、所和工 厂对涡旋技术进行规模研究，并研制成功多种形式的涡旋式空调压缩机、空气 压缩机、汽车空调压缩机、油泵等产品样机，对涡旋式机械的一些主要技术问 题进行了研究，并在理论研究和工程实践上取得了相当的成果。由于各方面的 原因，目前我国的商业空调涡旋压缩机生产仍以引进为主。广州万宝压缩机股 份公司引进了日立公司年产1 2 万台单元空调用全封闭涡旋压缩机的生产线，西 安大金庆安压缩机有限公司同日本大金工业株式会社合作，年产1 0 万台柜式空 调压缩机，考普兰公司在苏州投资建设了年产1 0 0 万台5 h p 涡旋压缩机的生产线， 日本三洋公司与大连冰山集团合作也推出了涡旋压缩机产品。 除空调领域外，涡旋机械的另一个成功应用是作为空气增压装置，比较典 型的是汽车发动机用机械增压器。德国大众公司在这方面进行了大量的探索， 开发成功了著名的g 增压器，使得发动机的功率提高了3 5 。涡旋增压装置在9 0 年代以后又被谷轮公司制造成为医用空气动力源，效果也比较理想。这类装置 的共同特点是气体流量大，但压力比非常低，一般不超过2 。 涡旋流体机械在真空技术方面也取得了比较好的应用效果。1 9 8 7 年日本三 菱电机公司首次开发成功回转型涡旋真空泵。这种装置中，动、静涡旋盘，同 时绕自身轴线回转，这使得周向密封线即径向间隙的位置不随涡旋的运动而改 变，更容易实现密封。19 9 0 年以后，日立、岩田涂装等公司也相继推出了涡旋 真空泵。目前，涡旋真空泵包括无油式和油浴式两种，单级情况下，前者的真 空度可达1p a ，后者的真空度可达10 2 p a ，比滑片式真空泵所能达到的真空度提 高了近1o 倍，且油浴式涡旋真空泵在尺寸、重量、性能、可靠性等方面都有较 大的优势。 涡旋流体机械另一个应用领域是作为动力用空气压缩机，因为涡旋机械的 压缩过程无法外冷却且空气的绝热指数较高，一般需要进行喷油内冷却。一方 面可以降低温度、润滑表面；另一方面可以减小泄漏、提高效率。产品方面， 硕卜学位论文 喷油涡旋式空气压缩机主要以日本三井精机公司为代表，无油涡旋式空气压缩 机主要以日本的i w a t a 公司为代表。 1 2 涡旋压缩机的展望 涡旋压缩机具有体积小、重量轻、振动小、噪声低、绝热效率、容积 效率和机械效率高等优点。因此，与其它类型压缩机相比，涡旋压缩机具有更 为广阔的发展空间。经过短短几年的发展，涡旋压缩机在国内压缩机市场已占 有相当的市场份额。随着我国加入w t o ，国内市场将更加开放地面向世界， 竞争也将更加激烈。国产涡旋压缩机如果想占领国际市场，一定要在现有基础 上加大科研和开发力度，逐步摆脱引进国外技术与设备的状况n 们。根据以上分 析，提出涡旋压缩机今后发展方向： ( 1 ) 加大研发力度，拓宽应用范围和使用领域，实现产品系列化。运用新 材料和新结构对现有类型涡旋压缩机进行优化设计，研发高精度的数控加工及 检验专用设备和先进的装配工艺，从而提高涡旋压缩机的工作效率和可靠性 能。 ( 2 ) 加强实验研究，建立关于涡旋压缩机理论和实验相应发展的统一体系， 并在此基础上加强对涡旋压缩机热力学、动力学研究，更完善地分析各种运行 工况下的工作过程，为设计更高效的涡旋压缩机提供一定的理论依据。 ( 3 ) 在保证性能和品质的基础上提高国产涡旋压缩机技术水平，加大生产 力度，实现批量生产，降低生产成本，这样才能在国际涡旋压缩机市场具有较 强竞争力。 ( 4 ) 建立系统，包括压缩机油冷却、供油、电机等外部系统在内的模块化 数学模型，使之具有通用性；并在原有基础上强化对压缩机内部热力学特性、 动力学特性的研究，更完善地分析压缩机各种运行工况下的工作过程。 ( 5 ) 研究变转速下涡旋式压缩机性能，提高工作转速。 ( 6 ) 扩大涡旋式压缩机机型，打破涡旋压缩机在大容量上的空白。 1 3 涡旋压缩机的结构、工作原理及特点 1 3 1 涡旋压缩机的结构 涡旋压缩机的主要部件有动涡旋盘、静涡旋盘、曲轴和支架体、防自转机 构、大、小平衡铁等。根据电机放置位置的不同，涡旋压缩机分为外驱动式( 如 下图) 和全封闭式两种。 图i2 立式全封闭结构 压缩机分为动静式、双公转武两种。开前动 囤l3 动静式机构模型图i4 双公转式机构模型 根据涡旋基线数量的不同，涡旋压缩机分为单涡旋齿、双涡旋齿、多涡旋 齿结构。 图15 单涡旋齿 图i6 双涡旋齿图17 三涡旋齿 根据运动部件的润滑状况，r 分为无油润滑和有油润滑涡旋压缩机。 另外，还有一衅特殊结构的涡旋膻缩帆，如：高低间断涡旋齿结构，驱动 轴承内嵌式结构等等。 132 涡旋压缩机的工作原理 涡旋压缩机借助封埘容积变化米实现气体压缩，这一点与朴复式压缩机相 。涡旋压缩机零部件少，山动涡旋盘、静涡旋盘、防自传机构、曲轴和支架 体等部件组成”。其主要部件是两个涡旋型线参数丰h 同、相位差1 8 0 。、皋网 中心相距r 。，的渐，f 线涡旋盘，其是静涡盘，而另个是动涡盘。静涡盘固 赵哥赢帮氍 静器苛、 硕十学化论文 定在支架体上，曲轴带动动涡盘基圆中心绕着静涡旋盘基圆中心做半径为r 口， 的圆周轨道运动n 纠。为实现这一运动，需要在动涡盘和支架体之间设置防自转 机构。 装配后，两个涡旋盘之间形成了数对月牙形的封闭腔，其压缩过程如图1 8 所示 一 a ) 吸气 c ) 压缩过程 b ) 开始压缩 图1 8 涡旋压缩机的工作原理 d ) 排气 随着曲轴的转动推动动涡盘运动，最外圈一对工作腔逐渐张开，气体随之 进入腔内，进入的气体量随曲轴转角的增大而增加，进而达到最大值；随着曲 轴的继续转动和开口的逐渐关闭，工作腔的容积又有所减少；吸气腔闭合后形 成一对封闭容积，完成一次吸气过程。当主轴继续转动时，动涡盘将吸入气体 自外圈向中心推移，工作腔容积减小，与气体排气孔口相通时开始排气，并直 至排气过程结束。 这样，一对工作腔完成一次吸气一一压缩一一排气过程，当最外的吸气腔 形成封闭容积开始向中心推进成为一内工作腔时，另一个新的吸气腔同时又开 始形成，并开始重复进行上述过程，如此周而复始。因此，涡旋压缩机压缩气 体的过程是连续进行的，需要曲轴转动数圈，曲轴每转一周即可完成一次吸气， 一次排气。 涡旋压缩机瓜缩腔内部流场的模拟分析 1 3 3 涡旋压缩机的优缺点 涡旋式压缩机是目前开发出来的最新型的压缩机，它与传统压缩机相比， 具有结构新颖，体积小、重量轻，可靠性高，噪音低，能耗低，输气平稳连续， 维护费用少等一系列优异的技术性能，被行业内誉为“无需维修压缩机和 “新革命压缩机 ，是5 0 h p 以下压缩机的理想机型。其优点为： ( 1 ) 多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄漏量少， 容积效率高，可达9 0 9 8 。 ( 2 ) 驱动动涡旋盘运动的偏心轴可以高速旋转，因此，涡旋式压缩机体积 小，重量轻。 ( 3 ) 动涡盘与主轴等运动件的受力变化小，整机振动小。 ( 4 ) 没有吸、排气阀，涡旋压缩机运转可靠，且特别适应于变转速运转和 变频调速技术。 ( 5 ) 轴向和径向柔性机构提高了涡旋压缩机的生产效率，而且保证轴向间 隙和径向间隙的密封效果，不因摩擦和磨损而降低，即涡旋压缩机有可靠和有 效的密封性。 缺点： ( 1 ) 运动机件表面多呈曲面形状，这些曲面的加工和检验均较复杂，因此 制造成本较高。 ( 2 ) 高压缩比和大排气量压缩气体的需求限制了涡旋压缩机的发展。增加 涡旋齿的圈数造成涡旋盘直径的增大，整机尺寸的增加，轴向力、径向力和倾 覆力矩的增加，使机械磨损严重，震动加剧。高转速会使动静涡旋盘相对运动 的线速度增加，摩擦损耗大，泄漏增加，效率降低。 ( 3 ) 涡旋盘的加工精度，特别是涡旋体的形位公差有很高的要求，端板平 面的平面度，端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度，应控制在微米级，因此，需 采用专门的加工方法，加工技术和加工设备。 1 4 国内外研究现状及课题意义 分析近年来国内外发表的关于涡旋压缩机的文献，主要从以下几个方面进 行了研究： 1 4 1 工作过程的热力学分析 涡旋压缩机工作过程的数学模拟是研究压缩机工作特性的主要方法和必 备手段，热力学特性的研究主要集中在工质的泄漏和传热两个方面。文献 1 7 】 采用可视化技术对滚动活塞式制冷压缩机的径向间隙泄漏进行了观察，发现泄 漏并不同于以往的假设，它是润滑油的泄漏造成制冷剂从油中逸出的间接泄 6 硕f j 学位论文 漏；文献 18 假设压缩机的各泄漏通道只存在油的单相泄漏，并采用平板间平 行间隙流动模型计算压缩机的周向和径向泄漏量；文献【1 9 模拟工作腔内的轴 向和径向间隙的泄漏工作条件，对腔内气体的泄漏状态进行实测，结果表明工 作腔内制冷剂的泄漏过程和不可压缩粘性流体的完全紊流模型相吻合：文献 2 0 1 对各泄漏通道内介质的流态进行了分析，提出了确定泄漏间隙内的流态判 别准则，并对不同流态下介质的泄漏量进行了计算。目前通过径向间隙的周向 泄漏模型主要有：流体流过狭窄通道泄漏模型、流体流过理想喷管泄漏模型、 可压缩流体流过理想喷管有限流动泄漏模型和可压缩流体流过狭长管道的有 摩擦流动泄漏模型( f a n n o7 sf l o w ) g 通过轴向间隙的径向泄漏模型主要有：流 经平板间的平行流动模型；流经半圆环和平板间的流动模型和流经渐开线环和 平板间的流动模型。 文献 2 1 同时考虑了热传导和对流换热，并计算了工质的传热量，其中吸、 排气管中的对流换热系数按管内紊流准则式计算，工作腔内则采用j r 方程； 文献 19 】在传热模型中考虑了气体和金属、金属和金属、金属和大气以及气体 和润滑油之间的热交换，但没有说明采用的方法和具体的计算公式；文献 2 2 】 认为涡旋盘和周围工质之间的对流换热系数非常大，工作腔壁面的温度等于工 作介质温度；此外，还有许多文献研究了涡旋压缩机热力学特性的模拟心3 q 2 1 。 1 4 2 涡旋型线的研究 涡旋压缩机属容积式压缩机3 35 | ，由于容积式压缩机的热力过程主要是通过 容积的变化来实现的而容积的大小又取决于动、静盘的型线类型和参数，所以 型线设计是涡旋压缩机设计的一个最基本，也是较重要的问题。 1 4 2 1 单一型线研究的现状 所谓单一型线，主要指基圆渐开线、正多边形渐开线、线段渐开线、半圆渐 开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基园渐开线、包络型线等型线，目 前采用正向分析的过程模拟及实测等方法对这些型线的几何特性、力学特性、 热力学特性、功耗影响等方面的问题进行了详细的研究，其主要目的是评判型 线的优劣，划定型线的适用范围，例如基圆渐开线就具有面积利用系数高、泄 漏线长度短、有效容积比高的几何特性，主轴力矩变化平稳的力学特性、压缩 腔压力曲线平缓、泄漏量小的热力学特性等，因而被广泛采用。 1 4 2 2 修正型线研究的现状 尽管单一型线有一系列优点，但是在许多场合，却伴有不能兼顾压缩、排气、 加工的不足，如当出现型线始端的加工干涉时，将出现排气角与内压比不能随 意改变，型线始端形成尖角，刚性降低，让刀严重，形成余隙容积等不利因素， 7 涡旋压缩机压缩腔内部流场的模拟分析 为此产生了修正型线，以改善单一型线的缺憾。 在修正型线方面，主要研究了直接截断修正、双圆弧修正 3 6 - 3 9 j , 圆弧一直线一 圆弧修正h p 4 纠、多段圆弧修正h3 1 、二次曲线修正、三角函数类修正h 43 等修正型 线，研究了这些修正型线对加工特性、热力学特性、机械特性的影响，以便在 型线设计时采取相应的修正措施，例如圆弧一直线一圆弧修正型线，就具有增加 型线的强度及刚度，保证排气角，减少轴向气体力，减少余隙，降低噪音，增 大排气孔口面积，提高了内压比，改善切削受力特性，易于加工和保证加工精 度的特性。 1 4 2 3 组合型线研究的现状 为同时发挥不同类型型线的优势，近年来出现了组合型线，即在同一涡圈上 采用多段不同类型的型线连接为光滑型线。与修正型线相比，它是修正型线的 拓展，修正型线则为它的特例，它可兼顾吸气、压缩、排气全过程：与单一型线 相比，组合型线以各种常用典型型线和通用型线为基础，是常用型线的综合运 用。 目前所见的组合型线主要有基圆渐开线一圆弧一基圆渐开线组合型线n 妇和基 圆渐开线- i i i 型型线一基圆渐开线的组合型线h 铲5 0 1 ，按常规的分析方法对其进行研 究，发现这类型线具有提高面积利用系数，增加行程容积，提高排气量和压缩 比，缩短型线长度和圈数，减少加工工时、减少泄漏线长度，缩短压缩过程、 减少气体停留时间，增大气体轴向泄漏的阻力等优势。但也有增加工作腔之间 压差，少量增加气体力和扭矩及其波动量，减少热交换作用，加工和测量不方 便等不足。 组合曲线的意义不仅在于以上优点，而且在于它提出了通用型线的概念，提 出了采用法向分量和切向分量表达型线的方法，不但便于表达常用的典型型线， 而且易于扩展出新型的型线和建立便于优化的通用数学模型。 1 4 3 工作腔内流动分布的数值研究 1 4 3 1 数值方法的发展及现状 涡旋压缩机内部的实际流动大多属于非定常湍流粘性流动，可以用n s 方程 来描述。但即使是计算机飞速发展的今天，用直接求解n s 方程来计算实际湍流 流动，还是不可能的。这是因为决定湍流流动机理特性的是大量不同尺度的涡 旋的运动及其相互作用的结果。为了描述小尺度涡团的运动，计算网格必须取 的很小，这就导致了计算时间过长，因此，无论是计算容量还是计算速度，都 是现有计算机都无法胜任的。 在工程上大多数情况下是对时间平均值感兴趣，这一事实使湍流模型方法在 硕卜学位论文 工程技术上得以广泛应用，同时也促进了湍流模型理论的发展1 | 。湍流模型理 论是采用平均参数来近似模化湍流脉动量作用的一种解决工程中湍流流动问题 的数学处理方法。这种数学处理方法可以说是从最早追溯到18 7 7 年b o u s s i n e s u 假 设湍流粘性系数“假定的基础上发展起来的。后来p r a n d t l 混合长度理论阳2 1 为湍流 流动的发展作出了重大的贡献。从那以后，许多学者做了大量的研究，针对湍 流粘性系数的不同模化方法相继提出了各种各样的湍流模型，方程个数也从“0 ” 方程、“1 方程、“2 方程不断增加，考虑的因素越来越多，适用范围也不断 拓宽。例如我国周培源教授19 4 5 年提出的17 个方程模化湍流流动，19 6 9 年 k o l a v a n d i n 的2 8 个方程模化等。从工程应用角度讲，方程个数越多，计算工作量 及复杂程度就越大，对应的系数也就越多，其实用性容易受到限制。而“o ”方 程、“1 方程往往过于粗糙，其中的假定也多，在许多场合下是不合理的。“2 方程模型以其广泛的适用性和较强的物理背景，得到广泛的应用。其中最常用 的是k 5 两方程湍流模型3 1 。在过去的2 0 多年中许多研究者采用k - e 两方程湍流模 型对各种湍流流动进行了研究，使这一理论获得了巨大的发展并在实践上取得 了成功，并在此基础上提出了相应的改进模型。j o n e s 和l a u d e r 4 j 、p a t e l 和r o d i 畸5 | ， 考虑到近壁区的影响提出了近壁区低雷诺数模型对系数c “，进行修正；a l m e s 和 l a k s h m i n a r a y a n a 等嵋6 5 7 1 考虑到各项异性提出了k - e 模型改进方案；s p e z i a l e 啼踟在 线性各向同性雷诺应力本构关系式中引入高阶非线性项和高阶导数项，提出了 非线性各向异性的k 5 模型；s p e z i a l e 引根据重整化群理论导出了经过模化之后的 r n gk 5 模型，等等。所有这些模型对标准k 5 模型存在的缺陷都作了不同程度的 改进。尽管如此迄今尚找不出一个对各种情况均适用的通用湍流模型，因而， 标准k e 两方程湍流模型仍是当前最常用的湍流模型，也是各大著名c f d 商业软 件首选采用的湍流模型。 1 4 3 2 涡旋腔内流动的数值研究 对于涡旋压缩机，由于工作腔的大小和形状随时间不断的变化，并且为封 闭的月牙型腔，再加上转速很高，所以通过实验研究来了解内部的流动本质非 常困难。在过去的多年里，大量的研究都集中在对涡旋压缩机性能的研究上， 工作腔内流动分布和换热研究较少。 较早的基于压缩机内部流场的数值模拟侧重于系统状态空间方程的建立， 常采用解析法与参数法，但是如何把精确的近似模型推广应用于压缩腔流场的 动态分析一直是人们探讨的研究方向。当前，计算流体动力学( c f d ) 和计算机技 术等相关学科的发展为涡旋压缩机压缩腔内部流场的仿真计算提供了强有力 的手段和切实可行的方法。c f d 是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有 流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。基本思想就是把原来在 9 涡旋压缩机j f 缩腔内部流场的模拟分析 时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场通过一定的原则和方 式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程 组获得场变量的近似值。目前运用c f d 软件对流体机械作仿真模拟已较为普 遍，但运用于涡旋压缩机涡旋盘型线比较的研究还少有提及。 1 4 4 课题意义 涡旋压缩机是一种新型的容积式压缩机，具有结构紧凑、重量轻、可靠性强、 噪声低、振动小、效率高等特点。涡旋压缩机中气体的压缩是通过动静涡旋相 互啮合形成封闭容积的变化来实现的，容积的大小取决于构成涡盘型线的类型 和参数，不同的型线类型直接影响着压缩机的几何尺寸、动力学、热力学、功耗、 效率等关键参数和加工性能、磨损、寿命、噪声等重要技术指标。 过去对涡旋压缩机型线的研究主要集中于动力学、热力学理论性的分析计 算，对于不同型线的特点不能够作出直观的评价和估计。随着计算流体动力学 的方法不断改进和计算机的飞速发展，利用c f d 方法进行涡旋压缩机内部流场的 数值模拟已经开始应用，大大提高了设计水平及设计的效率。涡旋压缩机压缩腔 内部由于有复杂的流道形状以及部件间的相互作用，其内部流动结构极为复杂。 为了提高涡旋盘的机械性能，掌握不同型线压缩腔内流体运动规律和流场特性， 必须对其内部流场进行数值模拟，以改进涡旋齿的结构，并为不同型线的涡旋压 缩机数学模型的建立和型线优劣评判提供参考依据。 1 5 课题的来源与主要研究内容 1 5 1 课题来源 本课题属兰州理工大学科研发展基金资助项目 1 5 2 课题的主要工作及创新点 主要工作： ( 1 ) 依据热力学第一定律和质量守恒定律，对涡旋压缩机压缩腔体的热力状 态进行了分析；从热力学基本定律出发，分析了涡旋压缩机的热力学特性，建 立了涡旋压缩机的传热模型及泄漏模型。 ( 2 ) 根据压缩机压缩腔的特点建立相应的控制方程，并根据建立数学模型的 需要对一些条件进行了合理的简化和假设。 ( 3 ) 选择适宜的边界条件利用软件模拟不同型线的流场，对模拟结果进行了 的分析和研究。 ( 4 ) 根据流场图分析不同型线的特点，进一步说明c f d 方法在研究涡旋压缩 机型线方面的可行性。 1 0 硕十学位论文 主要创新点： 利用c f d 软件模拟涡旋压缩机不同型线压缩腔内部流场特性，为判别不同型 线优劣和压缩机数学模型的建立提供参考依据。 1 6 小结 本章主要介绍了涡旋压缩机的发展历史、发展趋势；涡旋压缩机的结构、 工作原理、及优缺点；国内外涡旋压缩机研究现状及课题的来源、意义课题的 主要内容及创新点。 涡旋胝缩机压缩腔内部流场的模拟分析 第2 章涡旋压缩机的热力特性和动力特性分析 涡旋压缩机工作过程的热力学模拟是研究压缩机工作特性的主要方法和必 备手段。涡旋压缩机在工作时，内部发生许多现象和过程，如吸、排气孔口处 的节流、气体和润滑油之间的混合、工作腔内油和气的泄漏以及介质和外界的 热交换等等，这些因素对压缩机的性能和运动部件的动力特性等都会产生很大 的影响。 2 1 涡旋压缩机热力特性分析 2 1 1 热力过程分析和基本方程 涡旋压缩机在实际工作时，含油的气体由动、静涡旋盘的切向吸气孔口进入 型线啮合所组成的工作腔中，经压缩后，沿位于静盘中心部位的排气孔口轴向 排出。工作腔内润滑油用来改善机器运动表面的润滑和腔内介质的密封，同时 还起冷却气体的作用。另外，工作介质中的含油，增加了油气之间的热交换， 油、气两相流体的共同作用，使压缩机的热力过程变得的复杂。因此为了更切 合实际的模拟涡旋压缩机的工作过程，在热力学模拟时按两相流体处理。 1 基本假设 影响压缩机工作过程的因素很多，如工作介质的流动损失、运动部件间的摩 擦、搅拌损失、各部件间的间隙泄漏损失以及传热损失等，为了突出重点，使 问题得以简化，则假设： ( 1 ) 气体视为理想气体，比热恒定，状态均匀。 ( 2 ) 任何瞬时，控制容积体内油气混合物的状态均匀，各点的介质状态参数相 同，外界作用都瞬时均匀地传递给控制体内的介质。 ( 3 ) 吸排气孔口及各泄漏间隙处的流动均为绝热稳定流动，忽略气体和油滴 的动能和位能。 ( 4 ) 油滴无相变，不可压缩；与气体不互溶，忽略运动部件的搅拌损失。 ( 5 ) 对称的工作腔内的热力状态相同，各工作腔在相同转角下，工质的状态参 数相等。 ( 6 ) 假定气液两相具有相同的速度，忽略气液相间作用引起的熵增。 ( 7 ) 不考虑吸、排气腔的压力脉动。 2 热力学模型 涡旋压缩机在工作过程中，工作腔分别和吸气腔、排气腔、背压腔发生能量 1 2 硕 j 学位论文 和质量交换。根据空气压缩机的特点，认为吸气腔直接和大气相连，排气腔的 储气罐和油气分离器等容积比排气工作腔容积大得多，背压腔的容积在压缩机 工作中为定值，因此，可将吸、排气腔按无限大等压腔处理，背压腔按等容腔 处理。 根据变质量热力学理论哺0 l ，采用控制容积分析法，可建立如图2 1 所示的涡旋 压缩机工作过程的热力学模型。 1 ：作骼 图2 1 工作过程的热力学模型 3 基本方程 根据基本假设，结合能量守恒定律、质量守恒定律、油气混合物状态方程， 导出了各控制容积体内介质特性方程组。 ( 1 ) 工作腔 取工作腔为控制体，根据变质量热力学的观点，通过各孔口及泄漏间隙的流 动均为控制体与外界发生质量交换，从而可把描述工作腔吸气、压缩、排气阶 段的热力学模型统一成相同的形式，建立工作腔的热力学基本方程。 根据能量守恒定律，对工作腔内的介质有： 百d u = y 堡d t + z h i n ，百d m i n i h z d m “n 。u t i 一+ 百d w ( 2 1 ) 其中u 为工作腔内介质的内能，q 为腔内介质与外界的热交换量，m 洲为流进 工作腔的质量，h i 耐为其比焓，m 删为流出工作腔的质量，h 为腔内介质的比焓， 形为外界对腔内介质所作的功。 根据质量守恒定律，对油和气分别有： 1 3 涡旋胝缩机j t 缩腔内部流场的模拟分析 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 由基本假设并将理想气体和润滑油的热力性质以及压缩机转角与转速的关 系式p ：缈芒代入以上各式，可得如下形式的微分方程组： 驴纛q q ，= l q + 务= 去( 专等+ 等一砖i 等一l 等 ( 砖一1 ) id 乓 圪d o 等= 者( 吉努+ d 矿m i j _ l t t e d m 万。甜i t v 硼, d m , d m s b v 堕一v 塑叠 d oz d oz d o d m t b ：v d m i n i l b 一3 - d m o u t i l b d 9- d e_ d e 盟：丝一土盟 d 9d e p ld o 瓦= 笔薯警垅的l 嗜+ ，【， 肚纠2 警 m 岛l 一 气2 _ 芦 ( 2 4 ) ( 2 ) 背压腔 取背压腔内介质为控制容积，经过类似的推导，可得一组描述背压腔内油、 气混合介质特性的方程组。式中下标6 代表背压腔。 1 4 挈一 、i 丝卉办辟净垫出纽出 i i = 堕出亟出 硕l j 学位论文 q i b g = 去q q ，：土瓯 ，6 + 等= 去怯等+ 砖瓦动百d m i n i g b 一嗨百d m o u t i g b 呜等 等= 去怯貉+ 瓦渺百d m i n i l b 一死等一等 d m g b ：v d m i n t g b 一- , d m o u a s b d oz 。d o 工一d o d m t b ：y d m i n i l b y d m o u t i l b d oz 。d oo 。一d o z ：坠! 堡垒竺! 塾鱼 u m g f v g + m i b c l e g b - - 等 vm l b v 一 心a5 罟c v - v 只= e g b = 昂 ( 2 5 ) 上述方程组不封闭，无法直接求解，需要补充换热量计算和质量流率计算与 未知数之间的关系，因此需要建立传热方程、泄漏方程及通过吸、排气孔口的 流动方程。在这些工作的基础上，选用合适的数值计算方法来求解基本方程组， 才能计算出控制体中工质各状态参数的变化情况及涡旋压缩机的宏观性能参 数。 在知道各个阶段工作腔的质量变化和热量传递情况后，用龙格一库塔法求解 上述微分方程组，并假设油，气间换热充分，即对每一瞬时都有e = z = t 。 事实上，由于各种压缩机数学模型的建立都是以热力学、流体力学以及传热 学中的一些基本方程如能量方程、动量方程以及质量连续性方程为基础。因此， 上述基本方程组在形式上并无太大的区别。而真正衡量一个数学模型是否完善 和准确