（安全技术及工程专业论文）微型燃机然气增压系统的研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm e t h o dt oi m p r o v et h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nt e c h n i q u e f o ras c r o l lc o m p r e s s o rw a su s e dt oc o m p r e s ss y s t e m w h i c hc o m b i n e sd y n a m i c s i m u l a t i o no fc o m p r e s s s y s t e ma n dt h e r m o e c o n o m i c s a n a l y s i s p r e s e r v a t i o n o f e n v i r o n m e n td u et ot h ed i s a d v a n t a g e o u sf a c t o r ss u c ha sh i g he n e r g ye x p e n d i t u r e ，g r e a t m a t e r i a l sc o n s u m p t i o n ，a n ds oo n ，w h i c hr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fc o m p r e s ss y s t e m b a s e do nt h em e t h o do ft h e r m o d y n a m i c so ft h ec o m p r e s ss y s t e m ，a c c o r d i n gt o e x i s t i n gd o c u m e n t si np u b l i c ；l o t so ff i r e n e wc o n c l u s i o n sa b o u ts i m u l a t i o na r e i n c l u d e d w h i c hi s p r b e i n t ot h ew r o k em e c h a n i s mo ft h eh e r m e t i cs c r o l l c o m p r e s s o r , a n d a b t a i n e dt h es i m u l a t i o nm a t h e m a t i cm o d e lo ft h e c o m p o n e n t s e s p e c i a l l y ，t h eh e a te x c h a n g e rb e t w e e nt h es c r o l lw r a pa n dt h ef l o w i n g f r e o ni sa n a l y z e di nd e t a i l a n de d u c eo u tt h et h e o r e t i c a lf o r m u l a s b a s e do nt h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa m o n gt h ec o m p o n e n t sa n dt h ec o m p o n e n t m a t h e m a t i c a lm a o d e l s ，t h es i m u l a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l so fc o m p r e s ss y s t e ma r e f o u n d e d m o r e o v e r ，t h ea l g o r i t h mo ft h es i m u l a t i o ni sa n a l y z e d ，a n dt h ef l o wc h a r t s u s e df o r p r o g r a m m i n ga r ed r a w n t h ec h a n g i n gr e l a t i o n so fs t a t ep a r a m e t e r sa m o n ga l lt h ec o m p o n e n t s a r ea t t a i n e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h ，t h es i m u l a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r em o d i f i e dt o i m p r o v et h ec o m p u t i n ga c c u r a y ，w h i c hl a y sas o u n df o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o no f c o p r e s ss y s t 6 m k e yw o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r ，c o m p r e s ss y s t e m ，s y s t e ms i m u l a t i o n ，m a t h e m a t i c m o d e l v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 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：弓故墀日期：叼年莎月，口日 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，同意学 校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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：秽劳 导师签名：砻迎 日期：勿7 年月口日 日期：2 户叼年月，。日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 涡旋压缩机的发展概述 涡旋压缩机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 国注册专利的。在其专利中，涡圈采用圆渐开线，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。继l e o nc r e u x 的专利后，l n o r d i 在1 9 2 5 年提出了涡旋液泵的专利业1 。在其专利中，动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流体机械在其它方面的一些 应用设想，并为此做出了许多理论上的探讨和实践b “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，这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1 9 7 5 年美国a d l 公司首次利用涡旋压缩机的原理，采用双轴伸两 级压缩的结构，成功开发了排气压力为1 7 m p a 的氦气压缩机拍】，展现了涡旋压 缩机所具有的独特的优点，从而揭开了涡旋式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的出现，使得社会对节省 能源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，使其得到了很大的发展。 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1 9 8 2 年率先 批量生产涡旋式汽车空调涡旋压缩机n 1 ，日立公司于1 9 8 3 年首先推出柜式空调 涡旋压缩机”1 。产品覆盖了从3 匹到5 匹几个型号，实际应用效果良好。随后 各大公司相继开展研究开发工作，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 又成功地研究开发了分体式空调卧式涡旋压缩机。此后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，谷轮公司于1 9 8 7 年开始生产涡旋压缩机，现在年产量达2 5 0 万台以上，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1 9 9 2 年开始生产涡旋压缩机，泰康公司 1 9 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 微型燃机然气增压系统的研究 生产涡旋式空调压缩机。 在我国，2 0 世纪八十年代后期，涡旋流体机械逐渐成为研究热点，先后由 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，对涡旋式流体机械的一些主 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。广卅i 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，西安大金安庆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，谷轮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，涡旋压缩机的另一个成功应用是空气增压装置，。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，但压比特别低，一般不超过2 。 涡旋流体机械的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。1 9 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i p a ，后者的真空度可达l o - 2 p a ，这比滑片式真空泵所能达到的真空度提 高了1 0 倍，且油浴室涡旋真空泵在尺寸、重量、性能、可靠性能等方面都有较 大的优势。 涡旋流体机械另一个应用领域是作为动力用压缩机，因为压缩过程无法外 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；另一方面也可以减小泄漏、提高效率。产品方面，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 涡旋压缩机的工作原理 涡旋压缩机的工作原理是两个形状相同但角相位置相错开1 8 0 0 的渐开线 涡旋卷体，其一固定卷体，而另一个是由偏心轴带动，其轴线绕着固定卷体轴 线做公转的绕行卷体。工作中两个卷体在多处切向形成密封线，加上两个卷体 端面处的适当密封，从而形成好几个月牙形气腔。两个卷体间公共切点处的密 2 硕士学位论文 封线随着绕行卷体的公转而沿着涡旋曲线不断转移，使这些月牙气腔的形状大 小一直在变化。压缩机的吸气口开在固定卷体外壳的上部。当偏心轴顺时针旋 转时，气体从吸气口进入吸气腔，相继被摄入到外围的与吸气腔相通的月牙形 气腔里。随着这些外围月牙形气腔的闭合而不在与吸气腔相通，其密闭容积便 逐渐被转移向固定卷体的中心且不断缩小，气体被不断压缩而压力升高一1 ”。 如图l 。1 。 协 图1 i 涡旋压缩机工作原理图 j 1 3 涡旋压缩机研究现状 ( a ) 型线研究。涡旋压缩机工作过程主要依赖于容积的变化来实现，所以型 线设计是一个最基本也是较为重要的问题。对型线的研究主要从型线对压缩机 性能的影响入手，目前主要采用型线为单一型线、修正型线、组合型线和通用 型线几种。其中前三种型线都有自己的特点，但每种型线的针对性太强，缺乏 通用性，同时需要对不同方案进行比较，造成计算工作量大，因此，最新提出 通用型线。通用型线的提出能够使正向分析和逆向修正得以方便进行。 ( b ) 结构的研究。结构的研究包括以下内容：柔性机构、轴向端面密封机构、 变壁厚等。其中柔性机构的采用既可增强压缩机承受固体杂质和液滴的能力， 同时又可降低了加工精度和装配精度的要求；轴向端面密封机构通常是采用动 盘型线顶部开槽的方式，利用气体力将密封元件紧贴于盘的底面：变壁厚结构 是解决制冷系统或者动力系统中高压比的要求，使用此结构可降低涡旋压缩圈 数，提高面积利用系数。 微型燃机然气增压系统的研究 ( c ) 整体优化设计理论。涡旋压缩机型线研究对于提高整机性能是非常必要 的，但仅仅进行型线改进很难充分发挥其作用，也难以进行批量化大生产。实 际上涡旋压缩机的工作性能除了与型线设计有关外，还与型线加工精度、制动 机构、冷却系统，控制调节系统的配置情况等有关，因此，必须应用整体优化 设计理论。 涡旋压缩机由于具有效率高，振动小，噪声低，运行平稳和可靠性高等特 点已经被广泛应用于动力、制冷与空调以及新能源领域。涡旋压缩机的研究和 开发目前已受到科技界的广泛重视，它的发展也是极其迅速的，变频调速技术 在涡旋压缩机的各种系统中的应用使其独特的优点得以充分的体现。 而计算机的出现使得涡旋压缩机研究进入了新阶段，近年来有许多学者对 涡旋压缩机系统的模拟仿真进行研究“1 。以前一种涡旋压缩机系统由设计到 批量生产要经历几个阶段：初步设计一制作出实验品一实验测试一设计改进一 再制作出实验品一一批量生产。可见，在实验阶段将耗费大量的时间和资金， 以保证设计在合理和成品的合格。而计算机的出现使得这一过程大为简化，通 常在做出实物之前，我们就可以对它的性能有一个较为详细的了解。由“个性 化”的原则，我们了解到今后为了满足不同场合的要求，涡旋压缩机的型号和 容量将越来越多，如果还是按照以前的那种模式，无疑会使设计成本大大增加， 所以涡旋压缩机系统的计算机模拟( 或者称为仿真) 就成为一种必然的选择。 这种仿真就是用数学公式建立系统模型，在计算机上模拟真实运行工况。由于 传热学的迅速发展，现在已经可以建立较为准确的模型。同时计算机运行速度 的提高也极大方便了涡旋压缩机系统的模拟计算。 另外也应指出在利用计算机模型模拟预测增压系统的性能时，一些实验数 据是必不可少的，这对预测的准确性是有极大益处的。而且计算机模型本身最 多只能预测一种趋势和近似的水平。主要的不确定因素为换热器和涡旋压缩机 的模拟。 1 4 课题的目的、意义 1 4 1 课题的目的 在确定了燃机然气增压系统及系统中各个部件一涡旋压缩机、风冷却器、 管道、油气分离器的具体结构的基础上，通过设定压缩机吸气压力和吸气温度 的情况下，选定一个优化目标、分析研究问题的有关参数及设计变量，确定有 关参数的约束条件、根据优化目标函数确定目标函数、目标函数求解。获取各 部件动态结果及系统整体性能，包括各重要参数的动态分布数值结果及曲线输 出；同时，要在各模型的基础上通过各种成熟可靠的优化方法对系统中的各部 4 硕士学位论文 件进行结构调整，使之达到优化匹配的要求，并最终达到节材、节能，可以指 导实践的目的。 1 4 2 课题的意义 进行燃机然气增压系统的研究目的在于揭示系统和设备运行过程中的内在 规律，在此基础上对系统的运行质量和运行效果进行评估，对系统和设备进行 改进，因此它有多方面的意义。 1 5 论文完成的主要工作 ( 1 ) 利用热力学第一定律建立了涡旋压缩机动态仿真数学模型；详细分析了 涡旋压缩机各个局部环节的热量传递，特别分析了通过涡旋腔室问的热量传递 规律。 ( 2 ) 通过详尽分析换热器内的特定结构，并具体结合兰州理工大学涡旋所测 试实验台的翅片式换热器特性，本文所建的模型为分布参数模型，把换热器流 道分为若干个微元段，用上一个微元段的出口参数作为本微元段的进口参数， 由于管内的定性温度未知，所以出口参数都事先假设，迭代计算出各热力参数 的变化情况。 ( 3 ) 分析研究问题的有关参数及设计变量：与增压系统工作有关的所有参数 包括各种工况参数和结构参数，其中一部分是独立参数，另一部分参数通过守 恒规律、传热规律、流动规律和结构特点等与独立参数相关联，即相关参数。 独立参数中的一部分是由任务条件所确定，不能改变，而另一些可以改变的是 设计变量。一通过对问题的分析，写出相关参数( 如传热量、出口温度等) 与独 立参数问的关系，确定设计中允许改变的设计变量。 ( 4 ) 分析了增压系统仿真的特点，并在此基础上建立了系统仿真用的各个环 节的系统仿真用模型；对各个环节的仿真算法作了详细的分析，并且为之建立 了计算框图，为计算机程序的编制提供了方便。 ， 微型燃机然气增压系统的研究 2 1 概述 第2 章涡旋压缩机的模型 2 1 1 涡旋压缩机引言 随着我国能源消耗的日益增长，节能降耗以及环境保护已经成为当代能源行业面 临的重要课题。通过仿真，实现增压系统在各种复杂的工况下的性能模拟，为最终新 产品的设计和开发以及设备安全、高效运行提供简洁的手段。作为系统的核心部件； 压缩机起着决定性的作用。压缩机性能的优劣直接关系到系统的能耗、噪声、可靠性 和安装灵活性等，一般压缩机仿真方法有： 2 111 理论模拟方法 通过深入分析压缩机的整个热力过程，从而建立起用来描述各个过程的控制方程 能量方程、质量方程、动量方程等。在此基础上，再具体分析特定压缩机的特定 结构，分别建立起具有通用或专用的结构性能方程，最终完成压缩机的仿真。但是， 纯粹的理论分析往往不能有效地进行部件或系统仿真，所以单单靠理论分析是不能模 拟压缩机的工作特性的。 2 1 1 2 实验曲线模拟方法 通过实验研究得到压缩机各性能指标的曲线，包括耗功率、性能系数、压缩机表 面温度分布以及容积效率等的变化，然后进行曲线拟合，获取必要的数值或系数，形 成可用于仿真研究的模型。然而，单凭实验研究去获取大量的实验数据又与仿真研究 本身的思想相违背，实际中是行不通的。 2 1 1 3 理论与实验相结合的方法 利用理论分析的结果和实验研究相结合的手段是行之有效的“”，它既考虑了理 论本身的指导意义又不失实际情况的多样性，因此可以简单准确的模拟出压缩机的各 项性能指标。作者即采取本研究方法，实际使用证明是可行的。 2 1 2 涡旋压缩机性能的影响因素分析 无论活塞式压缩机还是离心式压缩机，甚至是我们要研究的涡旋式压缩机，效率 是衡量压缩机性能的一个重要指标，因此准确把握压缩机的容积效率对压缩机的仿真 及其重要。 由于涡旋压缩机本身的特殊结构，因此其容积效率表现就有一些新的特点；容积 效率1 ，也受a ，、丑、冬及丑的影响，但是在涡旋压缩机中所受的影响较小。这是因 6 硕士学位论文 为涡旋压缩机气阀阻力小，所以其五。值也高；该种压缩机的余隙也小而且排气孔与低 压侧不通，这也就避免了再膨胀过程，所以屯也比较小；此外，涡旋压缩机各个压缩 腔间的压差也较小，所以其泄露损失也小；综合以上分析可以说涡旋压缩机容积效率 是很高的，最高可达o 9 8 “” 2 2 涡旋压缩机部件仿真动态数学模型 涡旋压缩机的仿真有稳态仿真和动态仿真以及部件仿真和系统整体仿真，针对不 同的要求和使用条件可建立不同的仿真数学模型，美国的w i l l i a ma m e g e r 曾对一台 全封闭活塞式压缩机的传热性能作了研究，获得了吸入口的热传递对压缩机性能的 影响。兰州理工大学的刘振全教授也曾对活塞式压缩机的计算机模拟和机理设计进行 了研究，获得许多有益的结论。当然，随着人工智能技术的发展已经有部分学者采用 人工神经网络进行压缩机热力性能参数的模拟，相信不久的将来会有更多出色的研究 成果应用于压缩机仿真研究中，为系统的仿真提供丰富繁荣研究参考。 对于涡旋压缩机的稳态模拟，国外研究比较深入，而国内目前所做的研究工作不 多，以转速对涡旋压缩机性能的影响为研究重点，从变质量热力学的基本原理出发，、 以工程热力学，传热学，流体力学及气液两相流动的理论为基础，详细分析了泄漏、 传热、润滑油等因素对压缩机工作过程的影响，建立了描述有自调背压平衡机构的涡 旋压缩机工作过程热力学模型，并在此基础上分析了各运动部件的受力情况，建立了 涡旋压缩机工作工程的动力学模型，最后通过实验验证了理论模型的正确性，为涡旋 缩机的设计提供了参考依据。文献中也大致提出一种涡旋压缩机工作过程数学的建 立方法。他同样是由热力学模型和动力学模型两部分组成，热力学模型是动力学模型 的基础。首先建立工作过程数学模型，选定控制容积，由能量平衡、质量守衡、m h 方程可以得到由一组常微分方程组构成的热力学模型，再按吸气、压缩、排气三个阶 段，用四阶龙格库塔法进行求解，可得数值解。动力学模型是一组力学方程组，根据 热力学模型的计算结果，用迭代法进行求解，可得各种力及力矩的数值解，最后可进 一步求出压缩机功耗、能效比等性能参数。这些工作为我国涡旋压缩机的设计生产提 供了很有益的参考数据 本文仅针对一种由兰州理工大学涡旋压缩机研究所研制的涡旋压缩机建立了其仿 真数学模型，对同类型的压缩机也是实用的。 2 2 1 各个环节的能量方程 增压系统中的涡旋压缩机，本身不是一个孤立的系统，在运行过程中，其内部、 外界均存在复杂的质能迁移，在各过程中相互制约、相互影响，而且温度、压力等状 态参数均呈三维分布，构成一分布参数的复杂热力系统。考虑到模型仿真的实时性， 在符合物理过程的前提下模型简化，作如下假设： 微型燃机然气增压系统的研究 ( 1 ) 压缩过程没有泄漏：。 ( 2 ) 动静涡旋盘无形变； ( 3 ) 压缩机主轴转速不变； ( 4 ) 介质通过吸气阀的过程为绝热； ( 5 ) 天然气中存在润滑油 微型燃机然气增压系统用压缩机为外驱动式涡旋压缩机，结构如图2 1 所示。 图2 1 外驱动式涡旋压缩机结构示意图 1 一静盘；2 一动盘；3 一防自传机构；4 一机架体；5 一曲轴 外驱动式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 腔发生能量和质量交换，根据涡旋压缩机的特点，可将吸，排气腔按无限大等 压腔处理，背压腔按等容腔处理。在系统仿真中，压缩机模块的输入为吸气压 力、吸气比焓及排气压力，并最终输出排气比焓及质流量。将整个压缩机模块 划分成四个环节：吸气环节、中间压缩环节、中间排气环节、壳体热容环节( 包 括排气) 如图2 2 。 p i h i 图2 2 各环节能量关系及其控制体 2 2 1 1 吸气环节 由能量守恒，吸气环节内压力p p i 时，有 h _ d m 2 p 业+ 堕+ 盟；h 塑+ m 塑v a p ( 2 1 )4 d fd fd rd rd rd rd r 、。 硕士学位论文 2 2 1 2 中间压缩环节 同理，对中间压缩环节，当p i p p 。时，有 2 p 工d v + 孕+ 华；m 婴v 孪 ( 2 2 ) 口fd t a t n f a t t 2 2 1 3 中间排气环节 对中间排气环节内压力p 0 + ( 2 6 ) 为： l 2 2 h ( 2 7 ) 径向泄漏：圆的渐开线不作任何修正时，从渐开线几何学可知，当主轴回转角 为伊时，中心压缩腔通过轴向间隙的径向气体泄漏线长度是指图2 3 中点画线的 渐开线长度，即涡旋体壁厚中心线长度。由对称性可知： l = 2 广口咖= p ( 2 7 r 一口) ( 2 8 ) 一般第i 个压缩腔的径向泄漏线长度为 图2 3 泄露线示意图 l 。；p ( 2 i ，r 一印( 2 9 ) 2 2 5 泄漏模型 若把压缩过程天然气的泄漏可看作绝热可压缩的节流过程，则通过泄漏口 的质量流量为： 1 0 硕士学位论文 a m 瓴 盎一( 酮陋( 南 吉亿柳 d 讲m c d a p 陆( 南 黜鞘剖吉 亿 式中：c 。为实际气体修正系数，a 为泄漏面积，p 。为上游压力，k 为绝热 指数，r 为气体常数，t 。为上游气体温度，p 。为下游气体压力。c 。的取值与 通过试验研究可得c 。为0 1 。但是泄漏间隙很大时( 吸气和排气) ，润滑油对于 2 2 6 各热流率的确定 q 。：咝盟 y + 1 1 6 ( 2 1 2 j q 。二一 u i 纠 孚l n ( e y + ) + q j p ( q ) t c p a t q m 2 百 y + 1 1 6( 2 1 3 ) y + 2 y ( c 一4 k l 2 ) r 为反映紊流的无因次距离 ，2 丽# 4 c 纠& q - l ，l ( 才 其中，为动力粘度系数，a t 为涡旋齿同靠近它的气流间的温差，q 为紊流 普朗特数，这里取为0 6 ，p ，为层流普朗特数。其它常数c 。= o 0 9 ，e = 9 2 ，k = 0 4 2 ， 吼= 0 9 ，a = 2 6 在涡旋压缩机运行过程中，各个腔室的结合形状要不断地变化，而且局部 微型燃机然气增压系统的研究 热流为计算处到涡旋壁距离的函数，因此计算是从形成涡旋腔的两段渐开线的 中线处算起来近似处理，由于涡旋齿啮合的对称性，同一腔室中斜对的两个1 4 空间中的热流量大小相等方向相反。从而两相邻腔室的传热量q = q j - q n 这样，第n 个压缩腔的内外空间中的天然气与涡旋壁间的传热量可,414 由 下面两式计算，计算q l 和q n 时， 。中的。要分别用内圈涡旋齿和外圈涡, 4 q t 旋齿的温度代入。 q ：罩2 ；+ 3 z + g t - o 们号( 可+ 瓜丽砌( 2 1 5 ) 学m 一8 t 2 q 。；单一一g t h i ( 丽+ 扛而i 面) d 伊( 2 1 6 ) ( 2 ) 经静盘内壁向外界的传热量 d q , 1 z 0 一丁( 印 d o 国! + 土+ ! a ( o ) s f 【a s f t a 。r s 。， ( 2 1 7 ) 其中，a ( o ) 为工作腔内介质的对流换热系数；口。为外界环境和静盘外壁 的对流换热系数；s ，为工作腔中静盘底面部分的传热面积。s 。为外界环境和 静盘外壁的传热面积；弗为静盘底盘厚度；z 为静盘材料的导热系数；t 。为 外界环境温度；t ( p ) 为工作腔内介质温度。 ( 3 ) 前一循环工作腔向本工作腔的传热量d q ： 堕= i 1 广t ( o + 2 7 r _ ) - t ( o ) t 一(218)do埘 1fl 、 a ( o + 2 7 r ) s p ) 五s 。( 口) 口p j h s ( 口) 式中，s ，( 口) 为工作腔之间的平均换热面积，t 为型线厚度，t p + 2 7 r ) 和口p + 2 x ) 为前一循环工作腔的介质温度和对流传热系数。 ( 4 ) 本工作腔室向下一循环工作腔的传热量d q ，； 盟= 石1 广r ( e - 2 万了) - t ( o ) 丁一(219)do国 lf1 、 口( 口+ 2 x ) s 。p ) 旯& ( 力。d p h ( d 式中，s 。( 口) 为两工作腔之间的平均换热面积，t ( 0 2 x ) 和a ( o 一2 r r ) 为下一 循环工作腔的介质温度和对流传热系数。 ( 5 ) 本工作腔向背压腔的传热量d q 1 2 项士学位论文 d q 4 1瓦p ) 一r ( o ) d 日出翮1 + 瓦8 0 r , + 丽1泐屯p ) 。五矗 。窿s ( 2 2 0 ) 式中，s 。( 口) 为动盘底面的工作腔面积，磊。为动盘的底盘的厚度，t 。( 口) 和 ( 力为背压腔的介质温度和对流换热系数。 2 背压腔 背压腔内介质的传热量主要由两部分组成，各部分的传热量计算公式如下： ( 1 ) 背压腔通过动盘底面和工作腔之间的传热量d q 。 d q = 一d q ( 2 2 1 ) ( 2 ) 背压腔通过机壳向外界环境的传热量d q 。：。 盟= i l d o 广垒斧) l ( 2 2 2 ) m1 氏 1 7 。c h s l 。由 a 卉s 。椭a 咖r s h 曲 其中，妒) 、口。为背压腔介质、外界环境的对流换热系数，s 。为机壳 的平均换热面积，以和以为外壳的厚度和导热系数。 背压腔内介质的总传热量为： 堕：盟+ 一d q b 2 ( 2 2 3 ) d od o d o 、 至此，外驱动式涡旋压缩机动态仿真用数学模型就建立起来了。仿真计算 中通过预设初值，采用四阶龙格库塔法反复迭代，最后得出所需参数的动态变 化，同时输出下一环节即风冷却器模块仿真所需的温度、排气量等参数。 2 2 2 i 几何参数 几何参数的取值范围 ( 1 ) 涡旋体壁厚t 壁厚t 根据涡旋体工作时的受力状况而定，以保证刚度 和强度为前提。一般情况下。t 在2 1 0 m m 范围内取值，压缩机功率小的取较 小的值；当涡旋体顶部设置密封槽时，t 的取值应考虑密封条的加工工艺，一 般取较大值。 ( 2 ) 渐开线发生角口口是与基圆半径a 和涡旋体壁厚t 相关的一个几何参 数，可根据经验取口= 1 5 。7 5 0 。 ( 3 ) 渐开线节距p 或基圆半径a由于p = 2 l r a ，因此p 和a 中只有一个参数 是独立的。一般情况下a 的取值范围是a = 1 2 6 5 m m 。 ( 4 ) 渐开线圈数nn 值不能太大，否则涡旋体的加工质量很难保证。一般 情况下n = 2 4 圈为宜，当压力比过大，要求较多涡旋圈数n 时，可用组合型 微型燃机然气增压系统的研究 线。 ( 5 ) 吸气结束角只只与n 有关，当其它几何参数一定时，幺越大，则n 越小。 ( 6 ) 开始排气角0 当渐开线始段不修正时，开始排气角矿的大小与：r o t 刀 具对涡旋体的干涉有关，矿取值一般为1 5 0 3 0 0 范围。 ( 7 ) 涡旋体齿高hh 的大小与涡旋盘直径、轴向间隙泄漏线长度有关，一 般取h = 1 0 8 0 m m 2 3 计算方法 数学模型可以看作常微分方程的初值问题。由于泄漏和吸气加热量的求解 需要后节点的参数，所以采用迭代方法求解。仿真计算中通过预设初值，采用 四阶龙格库塔法反复迭代，最后得出所需参数的动态变化，同时输出下一环节 即换热器模块仿真所需的进气温度，排气量等。计算程序的流程如图2 4 所示 2 4 本章小结 应用增压系统热力学方法详细分析了外驱动式涡旋压缩机压缩腔的能量传 递机制，同时对泄漏环节作了热力分析，进而建立起用于增压系统研究及优化 设计的以天然气为工质的外驱动式涡旋压缩机动态数学模型。 ( 1 ) 利用热力学第一定律建立了外驱动式涡旋压缩机动态仿真数学模型； ( 2 ) 详细分析了外驱动式涡旋压缩机各个环节的热量传递，特别分析了通过 涡旋壁各个腔室间的热量传递规律，并得到仿真所需的理论及实验公式。 1 4 硕士学位论文 开始 i 输入压缩机参数及出入口条件 假设吸气腔入口温度 i 初始化：计算迭代初值 1 0 = 0 。t ，t 一i 卜是 0 一。z _ - - - - 魁 赠 压缩机几何模型，泄漏模型 一 靶! 翅 i 扩 卜 螫 r u - a 计算 目 蝰 否 是i 吸气加热模型 垂多否 是l 计算排气加热量、压缩机效率、功耗等 l 结束 图计算流程图 1 5 微型燃机然气增压系统的研究 第3 章换热器模型 3 1 风冷翅片管换热器的模型 3 1 1 风冷翅片管换热器 翅片管换热器的换热可细分为天然气侧换热和空气侧的换热，其中空气侧 的换热对翅片管换热器的性能有至关重要的影响。改进空气侧换热性能的主要 方法有： ( a ) 使用高效率的翅片。目前改进翅片换热效率的主要手段为改变翅片型式 例如使用波纹或者开缝等方式破坏翅片表面的层流边界层一提高换热性能； ( b ) 减少各种热阻的影响。例如保持翅片和管外壁的洁净以减小污垢热阻， 改进翅片管工艺以减小接触热阻等等。 要进一步提高换热器的总传热系数还需要管内介质侧的强化。自1 9 8 0 年以 后为了提高工质侧表面传热系数，在国际上大力推广和使用强化工质管内的内 螺纹管来代替光管，内螺纹管是在管子内表面上加工出许多微细的螺旋槽，它 与光管相比有以下特点： ( a ) 改善了工质的流动方式，可提高表面传热系数1 5 2 0 倍； ( b ) 管内的压力损失与光管差不多； ( c ) 翅片管换热器的加工和制造方法基本与光管相同。 风冷却器在整个增压系统中起着关键的作用，因为天然气是易燃易爆的气 体，其温度不应太高，风冷却器将把天然气从压缩机工作中输入的能量( 转变为 热能的形式) 释放到环境中，起到了降温的作用。 对于工作在空气与天然气之间的换热器，由于空气侧的表面换热系数远低 于天然气侧的表面换热系数，所以换热器在空气侧加翅片以增强换热或者达到 减小换热器重量和体积的目的。这就是翅片换热器。为了提高换热器的空气侧 翅片的换热特性主要通过两种方法。一种是增加空气侧的扰动，可通过不断改 变气流方向达到，这种方法典型的将翅片冲压成波纹状，常称为波纹片；另一 种方法是将翅片表面沿气流方向逐段断开，以阻止了翅片的表面传热系数可比 平片的表面传热系数增加约一倍。 本文模拟的管翅式风冷换热器，天然气在管内降温放热，空气在管外冲刷 吸热，其结构示意如图3 1 所示。、 本文对换热器模型建立采用为分布参数模型，即把天然气流道分为若干个 微元段，用上一个微元段的出口参数作为本微元段的进口参数，由于管内外的 定性温度是未知的，所以先假设微元出口参数，然后迭代计算出各热力参数的 1 6 硕士学位论文 变化情况。 避i 1 空气 天然气 3 1 空冷式换热器主体结构示意图 由于天然气在换热器内的流动比较复杂，为了使模型推导方便，做到既能满足 工程精度的要求，又能最大限度的简化计算，特作如下假设： ( 1 ) 传热仅沿换热器径向进行而忽略轴向传热，即所有热量传递都在空气和 天然气之问进行，不计管子方向的热传导。不考虑金属材料热容。 ( 2 ) 天然气在管内流动为一维的，只考虑轴向运动，忽略径向运动。 ( 3 ) 不考虑重力场的影响。； ( 4 ) 不考虑由于天然气流速变化引起的动能和摩擦功： ( 5 ) 天然气视为不可压缩流体； ( 6 ) 各个微元中的天然气物性参数为常数； ( 7 ) 空气和天然气在各点的参数和流量不随时间变化； ( 8 ) 空气在管外流动时不考虑横向掺合； ( 9 ) 忽略天然气在弯头处的热交换，只考虑弯头处的流动阻力。 3 1 2 控制体的选取： 为了建立热平衡方程、质量平衡方程和压力平衡方程，首先选取微元段， 本文的微元段选取如图3 2 ，为了计算，首先要选取控制体，如图3 3 所示的微 元体即为控制体。其中d x 由于受管排数的限制，只能取一有限值，本文取排间 距。而沿y 方向空气和天然气参数的变化是连续，所以控制体在y 方向上的长 度可以任意小。 空气和天然气两种流体在控制体内只存在热量的交换，其换热量为d q ， 每一控制体入口空气和天然气参数分布均匀，其参数变化见图3 4 ，其中： t 。：进入控制体的空气温度，k ； 微型燃机然气增压系统的研究 天然气 空气i 士 1 1 l i 一- 7 硕士学位论文 d h ，d m ，= 面习丽( t i - t t , ) 百石d y 曲一岫，。亟巫f 覃何 2 ma r d l 积口一 d p ，2 f ( t ，p ，x ，) 式中：c 。：空气的定压比热，j ( k g k ) ； ：空气侧的换热系数，j ( k m2 ) ； t ，：管壁温度，k ： a ，：单位管长肋片表面积，m2 m ； a ，：单位管长基管外表面积，m2 m ； ：管壁的导热系数，w ( m k ) ； r o ：接触热阻，m2 k w ； d o ：管外经，m ； d i ； 管内径，m ； h 。：天然气的焓值，j k g ； 口，；天然气侧的换热系数，j ( k m2 ) 。 3 1 4 有关参数的计算 a 天然气侧的换热系数与压降： ( 1 ) 换热系数； 天然气进入和流出风冷却器的状态均为气态， 的关联式： n 。= o 0 2 3 r e “p ，0 4 ( f ) 式中： r e ：g d i f ：修正系数，其定义为：f = f i0 1 f2o j f3 4 ； g ；单位面积天然气质量流量，k g ( m2 s ) ； ：天然气的动力黏度，p a s ； p 。：天然气普朗特数； f 。，f2 ：几何尺寸修正因子，定义如下 ( 3 2 ) 本文选用1 9 8 0 年c a r n a v o s 即丢= ( 舒m z b 州= 1 - ( 4 n 而b t ) ( x 研d i 2 c o s f l ) 即石a n2 ( d i dh d , 2 ) 2 面 a 扣：实际流通面积，m2 ，a 向= t r d 。2 ，4 。 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 丝型筌丝竺：塑曼至釜竺至空 a m ：开口核心流通面积，a 声2 i r d 。2 4 ； a 。：名义传热面积( 假设肋片不存在) m2 m ，用管内名义内经计算 a 。：实际传热面积m2 m ； d ，：当量直径，m ，定义为：三譬= 三乎- n b t c o s ； d 。：核心直径，m ，d 。= d , - 2 b ； d 。：水力直径，m ，d ：笔 生； ：内螺纹的螺旋角。 t i ： 肋数； t ；翅片厚度，m ； f 3 的定义为：f3 = c o s 3 3 1 5 压降的计算 本文选用1 9 8 0 年c a m a v o s 的关联式： apr = f 去丁 v y g y 2 式中：f ：天然气进出口平均比容，i l l3 k g ： l ：控制体长度，m ； f ：摩擦因子，计算表达式为： f - 嵩尉f _ 吖r 5 弯头压降 弯头处的压降用p i e r r e 的关联式来计算： p 一= fg ，2 2 9 。几 式中：成。蕊1 x 。：天然气的平均干度。 f ；是x 。的函数，如下表所示： 表3 1f 与x 。的关系 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 并 dd 20 4o 6d 8 j d f 0 7o 81 o 1 11 o 0 6 2 0 硕士学位论文 3 1 6 空气侧的换热系数、压力降及翅片效率计算 ( 1 ) 换热系数： w e b b ( 1 9 9 0 ) 采用多次回归的技术分析了各种不同几何参数的波纹片，得到 了以下关联式：口” 当gz 2 5 ， d n 。= o 5g zn 赫( ) n ( s d 。) n 胂( s 4 ，p ，) 0 1 2 ( 2 s ，p ) - 0 _ ( 3 1 0 ) u c 其中：g z ：g r a e t z 数，定义为：g z = r ，p ，d ，l ； ( 3 1 1 ) r 。：基于水力直径的r e y n o l d s 数，定义为：r 。= p u 。d ； ( 3 1 2 ) n 。：基于算术平均温差的n u s s e l t 数，定义为：n g 。= g 。d z ；( 3 1 3 ) d 。：容积水力直径，m