十字滑块双级压缩机讨论过程

1、压气机气体流通设计及流体动力学分析研究报告河南科技大学2015.06.16压气机气体流动通道设计及流体动力学分析研究报告压缩机主要零部件气缸布置示意图气缸吸排气状态与滑块旋转角度的关系主要零部件三维图、参数计算2.1热力计算2.1.1容积效率，轴功率与活塞平均速度2.1.2指示功率、轴功率计算公式 .2.1.3确定压缩机参数 2.2动力计算、气缸内流场数值模拟 3.1.3.3.4.4.5.5.7.7.7.910.1.012.1.3131313.1.414 .16 2121.242933333843、压气机方案设计 1.1十字滑块压缩机止转轭结构示意图1.21.31.41.5流体动力学控制方程3

2、.1.1质量守恒方程 3.1.2动量守恒方程3.1.3能量守恒方程3.2低压级气缸流场数值模拟3.2.1建立网格模型3.2.2低压级气缸运动情况下工质状态的数值模拟3.3高压级气缸流场数值模拟3.3.1建立网格模型3.3.2高压级气缸运动状态下工质状态的数值模拟3.3.3不使用中间冷却的高压级气缸数值模拟3.4网格一致性分析3.4.1低压级流场3.4.2高压级流场四、总结、压气机方案设计十字滑块压缩机的运动转换机构如图 1-1所示。这种压缩机的零部件如图 1-2所示。正 方形滑块3的内孔与曲柄销7的轴颈滑配，框架5的滑道4与滑块的侧面配合，每个滑块均 与一对活塞连接。当两个框架与滑块对合后，

3、四个活塞就处于同一平面内， 其夹角为90度, 故称为十字滑块压缩机。 十字滑块压缩机比传统压缩机在效能方面有明显提高，可以与涡旋压缩机相媲美。具有结构紧凑，振动小，效率高等优点。1.1十字滑块压缩机止转轭结构示意图tl! ：l图1-1十字滑块压缩机止转轭结构示意图1.2压缩机主要零部件1、8 平衡块5 框架图1-2压缩机主要零部件3滑块 4滑道7曲柄销2活塞6、9主轴颈1.3气缸布置示意图27007360图1-3 气缸布置示意图四气缸在同一平面。滑块从零度开始顺时针旋转。1.4气缸吸排气状态与滑块旋转角度的关系表1-1气缸吸排气状态与转角关系0 -9090 -180 180 -270270 -

4、360 备注吸吸排排高压级排吸吸排低压级排排吸吸高压级吸排排吸低压级1.5主要零部件三维图JIW3图1-4主要零部件三维图压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告13、参数计算2.1热力计算2.1.1容积效率，轴功率与活塞平均速度容积效率(即容积系数)计算公式如下:1(2-1)卜弋=1 am 1)式中K 容积效率;a 相对余隙容积;S 气缸压缩比；容积效率与排气量无关。以下三图活塞平均速度为m 膨胀过程指数;1.455m/s，活塞行程 S2=0.03032m，手册上合适的缸径比为 0.320.45。高低压级单缸轴功率固定在1.362kw:I活塞平均速度-轴功率2活塞平均速度(a)活塞平均

5、速度-轴功率压气机气体流动通道设计及流体动力学分析研究报告沽塞平均速度排气量rv量气排0.0 -0.5 -2沽塞平均速度(b)活塞平均速度排气量0.8 -沽塞速度-低压级缸径比比径缸级压低0.6 -0.4 -0.2 -2活塞速度m/s(C)活塞速度-低压级缸径比比径缸级压高2活塞平均速度m/s(d)活塞速度-咼压级缸径比m(程行缸气图2-1参数曲线2.1.2指示功率、轴功率计算公式k 4(2-2)Nid 十34 PsV厶一哙1式中Nid 指示功率;Ps吸气压力;V 气缸的行程容积(米3/分)；為容积效率;k气体绝热指数;Pd，Ps 气缸的实际排气压力和吸气压力;(2-3)N =(Nidi +叽

6、2)/式中 N轴功率;Nid1低压级指示功率;Nid1高压级指示功率;%机械效率;2.1.3确定压缩机参数1、低压级吸气温度 300k，排气温度376.08k。2、高压级吸气温度 320k，排气温度 401.16k。3、低压级吸气压力 0.1Mpa，高压级排气压力 0.8Mpa。4、中间压力0.28Mpa。2.81。5、高低压级压缩比相同，压缩比6、 低压级气缸体积流量0.5263941立方米/min。7、 高压级气缸体积流量0.20200314立方米/min。8、高压级体积流量/低压级体积流量=0.38。9、低压级缸径比=0.3039。10、高压级缸径比=0.4325。11、活塞平均速度 1

7、.45556m/s。12、 低压级排气系数 0.7513、 高压级排气系数 0.6514、 四个气缸总轴功率2.86 kw。0.0997897m。0.0551183m。15、低压级气缸直径16、高压级气缸直径17、活塞行程 0.0303241m。18、 低压级阀隙直径 23.26mm。19、 高压级阀隙直径 14.46mm。2.2动力计算压缩机参数：20、当量余隙3mm。21、 膨胀终止时活塞转角44.92度。22、 压缩终止时活塞转角77.44度。4000 r滑块转角-活塞力2000 ,N力塞活400200滑块转角图2-2活塞力与滑块转角图2-3切向力与滑块转角2000 _I滑块转角-法向力

8、IN力向法400200滑块旋转角度图2-4法向力与滑块转角活塞转角图2-5侧向力与滑块转角三、气缸内流场数值模拟对缸内气体进行流体动力学研究，将气缸作为控制体划分网格，并设置动网格，对缸 内气体的瞬时参数，如压力场、温度场进行研究。3.1流体动力学控制方程3.1.1质量守恒方程任何流动问题都必须满足质量守恒方程。该方程可表述为单位时间内流入微元体的质量 与单位时间内流出微元体的质量的差值等于微元体内的质量增加量。根据这一规律，可以得到质量守恒方程：(3-1)竺+沁)+空v) +空w) = 0 aexcycz -式中 P密度；t 时间；u x方向上速度分量； v y方向上速度分量； w z方向上

9、速度分量;3.1.2动量守恒方程动量守恒方程也是任何流动问题都必须满足的方程。动量守恒方程可以表述为微元体中流体动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。根据这一规律可以推导出X、y、z三个方向上的动量守恒方程：沁+div(Puu) 虫+空xu+也u ctexexcy+叫Fxcz(3-2a)(3-2b)(3-2c)沁+div(Pvu)虫+理+理cyexcycz迪+div他u) 一虫十空电+空J Fz czexoycz式中 p微元体上压力;Txu、Txv、Txw 由于流体粘性而产生的作用在微元体表面的粘性力的分量;Fx、Fy、Fz 作用在微元体上的体力;3.1.3能量守恒方程能量守

10、恒方程是包含热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律表述为：微元体内能量的增加率等于进入微元体的热流量加上表面力和体力对微元体做的功。依据这个规律可以导出能量守恒方程:(3-3)d(mu) =dEj +dE。+dQ +dW式中 dEi 进入控制体内的能量;dEo 流出控制体的能量;dQ 外界对流体传递的热量;dW 外界对流体做的功;3.2低压级气缸流场数值模拟3.2.1建立网格模型网格模型分为两个：一个是在气缸密闭情况下建立网格，另一个是在排气阀开启的情况下建立网格。低压级气缸密闭状态运动情况下的网格变化:时间0秒时间0.006秒时间0.0125秒低压级排气阀开启情况下气缸运动的网格变化:时

11、间0.0145秒时间0.0175秒时间0.0195秒图3-1低压级网格随时间变化322低压级气缸运动情况下工质状态的数值模拟将上述两个网格文件以*.msh格式分别导入FLUENT，工质为空气，密度设为理想气体,导热系数设为 0.0242 w/(mk)，粘度为1.7894e-05 kg/(ms)。如下图：3 Create托dit MaterialsNameFluent Fluid Materiald1i: - non恵Materifll TypeUaer-Deflped Database,.”Ofdg Materials byO Name Chemical FormulaPropertiesTh

12、ermal Conducljvityidtj| 邨 sdLEdi ,. JcofistantTL二寸 it.1006.45J constant3.(LD 出2constantTLzdii,.Density Otfl/mJ)Cp (Spedfc Heat) (j初VfecDsity 伙g/E 勻1,西94e爷5 出 tft _.上昼 H 出图3-2低压级工质参数设定计算模型采用标准 k- 湍流模型，采用能量方程。壁面函数采用标准壁面函数。初始压力为一个大气压，初始温度为25摄氏度。计算活塞运动情况下气缸压缩和排气的压力分布如下：压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.006秒1.0

13、7e+051 07e+051.07e+05l.07e+D51.07e+051 07e+D51.07e+051 07e*051.07e+051.076+051 079+051.07e+051.07e+051.07e+051.07e+051.07e+051.07e+D51.07e+051.07e+051.07e+05时间0.001秒1 51e+051 51&+051.5le+05U 519+051.516+051 51e+05151e+051 51e+051.516+05151 &+051 51+051.516+051 51e+051.51e+051 51e+05151&+051 51e+051.

14、51 e+051 510+051.51 e+05压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.0145秒2.336+052,639*052.S3e+052.S3e+052839*052.83e+052 E30+O52.S3e-052.83e*052.S3e+052839*052.S3e+052 039+052.S3e+052.83e+a52 039+052.S3e+O5283e*052.330+05时间0.0125秒290e+C62 S0e+O52 87e*052.8ee+052.85e-052.S4e+052 32e*l?52.819* 052.0e+052.77e+O52.78e+

15、O52 76e*052.75e+052.74e+052 72尹 052 71e+l?52699*052.636+052.y3e+052.e7e+CE5压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.0195秒2.S3e+052.S2e+052eie*052.S0e+O52 609*05279e*052 78e+052.77e+O52 779052.76e*052 75e*052.75e-O52.74e+0S2.73e*052.72e*052.了 le+052.70e*052 72e+052.e3e+05时间0.0175秒a.0le*053.039*052.9ee+052.S3e+052.

16、91e*052eSe+OS2.669*052.eSe+052.eie*052 769*052.74e+052.790+052.719*052.e9e+052 6ee*052.62e+aS2.59e*052 57e+052.e4e+052.549*05图3-3气缸压力随时间变化压气机气体流动通道设计及流体动力学分析研究报告低压级气缸绝对压力变化3000002P(力压对绝2000001000005001000迭代次数图3-4气缸压力随迭代次数变化在活塞由下死点向上运从上图可以看出，在排气阀开启之前，气缸内绝对压力逐渐升高，动0.0125秒后，气缸内绝对压力达到要求的中间压力0.28Mpa。在气缸密

17、闭时，数值计算结果符合克拉伯龙方程式pV=nRT。达到中间压力后，排气阀开启，气缸内绝对压力趋于稳定，维持在 0.28Mpa0.303Mpa之间。低压级排气温度:3.986+023.886*024.07 023 79s*023.23e*O23.14s*022 珈*0222.390*022.30e*a22.67e*O22.210*023 70S*023.60e*Cl2 3.5le*O2 3.42e*O23.04 呻I I I I I I*1 I 22.360+02 2.760*02图3-5低压级排气温度K* t=根据传热学计算公式 q=KA t,其中q是传热量，K是传热系数，A是传热面积， t

18、是传热温差，K根据经验取86 w/(m2k)，温差 t取106摄氏度，所以热流量为9116 w/m2。由上图可以观察到出口温度中间最高，为407K，即134摄氏度，靠近壁面处气流温度稍低，约为 370379K，即97106摄氏度。3.3高压级气缸流场数值模拟331建立网格模型与低压级相同，高压级网格模型同样分为两个，一个是在气缸密闭的情况下建立网格模型，另外一个是在排气阀开启的情况下建立的网格模型。高压级气缸密闭状态运动情况下的网格模型:时间0.0005秒时间0.006秒时间0.013秒高压级排气阀开启情况下气缸运动的网格变化:时间0.015秒时间0.017秒时间0.020秒图3-6高压级网格

19、随时间变化332高压级气缸运动状态下工质状态的数值模拟将上述两个网格文件以*.msh格式分别导入FLUENT ,工质为空气，密度设为理想气体，导热系数设为0.0242 w/(mk)，粘度为1.7894e-05 kg/(ms)。如下图：Density|idMl-gas-LPdiL. 11constat11006.4SJcofistant1D.QZaconstant-JIEdii. 1Thermal Conduclwity w/h-lt)Viscosity (kg/nrs)1.7?94e)5Cp (Specific Heat) 0网弋3 Create/Edit MaterialsXNwieMete

20、rifll TypeOfdH MaterBls byarflixJT| Name1 Chemical FormulaCMnfeCAJ FocmJaFluent Flijid Materials|airTFkjent Database.11i;Uaer-Defined Database. noiw-PropertiesClWige/CrAte旦座 i H啣图3-7高压级工质参数设定计算模型采用标准k- 湍流模型，采用能量方程。壁面函数采用标准壁面函数。初始压力为0.28Mpa。采用中间冷却，高压级气缸内气体初始温度为320K。计算活塞运动下气缸压缩和排气的压力分布如下：压气机气体流通通道设计及流

21、体动力学分析研究报告时间0.006秒2.906+0520+052.90e+052 909+052.90e+052.W&+052.90e+0520+052.e+052%&+052.e+052 90&+052.90e+052 900+052.90e+052 90&+052.90e+052 90e+052Me+052 909+051.22e*05i.22e+052 90&+05时间0.0005秒4.229*054.22e+054.220+05i.22e*054 22e*05i.22e*054.22e+05i.22e*054 22e*05i.22e*054.220+05i.22e*054.22e+05

22、4.22e*054 229*054.22e+051.22e*054.22e+054.22e+0S压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.16秒8 4 佃+056419*05S 410+05S.41e+05S.41e+a58 410+05e41e*Ct58.416+050 416+0541*056 419+()58 416-053.41e+l5S.41e+056 410*05S41e+05S41e+O5e4l0+U5e.4ie*a5S 410+058.07e+05eoee+05e08&+05S.CKe+05S040+05S.03e+05e0?e+058CHe+05eooe+os7.

23、99e+057.97e+057 3ee+057 90+057.e+057 9+e+057 9(2e+057 aOe+057.e+057e+057 31&+057.SSe+05时间0.013秒压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.21秒8.Ct2e+05eCF2&+05S.OOe+058TOe+057.&+057aee+057.97&+057 97e+057.%e+057 35e+05I7 95&+057 946+057.9-3&+057.a2e+057 91e+057 9Oe+057.9Oe+057 89&+057 92&+057.8$e+05时间0.017秒3.02e+05e

24、01e+05ecFS&+05S.OOe+05eOOe+057.902510e*024.98e+02 4.86e+02 4.74e*024 620+024.S3e+024.14e+024.029*02S.90e+02 3759*02342e+023.30e+023.18e*023.060+02S.e6e+022.949*02图3-13不使用中间冷却的高压级排气温度可以观察到排气口中间空气温度较高，达到534 K，即261摄氏度，靠近壁面处空气温度较低，为414 K 450 K，即141 177摄氏度。3.4网格一致性分析为了验证上述低压级和高压级的流场、压力、温度与网格无关，现在将上述网格细化并

25、重新进行计算。341低压级流场低压级网格细化前后的参数对比如下:表格3-1低压级网格参数细化前细化后排气阀关闭总兀素数66880389391总节点数61938372120排气阀打开总兀素数10272712214262总节点数173215373522低压级网格细化后各时刻流场压力:压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.006秒1.050+051.050*051.053*051.05e*051.04e*051.0461-051 04e*051 04e*051.04e*051.04e+051.04e+051.046+051 04e*051.04 051.04e*051.04e+051

26、.04e+O51 049*051.04e*051.04e+O51.04e*G5时间0.0005秒1 54e+051 54e+051 54&+051 54-6+051 54e+051 54e+051 54e+051 54e*05I 54e+051 54e+051 54e+051 54e+051 54&+051 54e+051 5+e+051 54e+0511 54&+051 54e+051 5+e+051 54e+051 54e+05压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.0145秒2SOe+052SOe+052SOe+052SOe+0523Oe*052.SO&+052.SOe+0

27、52300+052309+052.SO&+052.SOe+05*1山I2.SOe+0529Oe+0528O&+052.SOe+052aOe+0523O&+052 SOe+OS时间0.0120秒2S7e+052 36&+052.85&+052S3e+052 S4e+052S3e+052 329+052 31e+052 3O&+052.SCe+052 7ae+05III2 79e+052 77e+052.?ee+052.?5e+052 74e+052 72e+052 71&+052.?0e+052 7Se+052.6e+05压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.0195秒2.Sle

28、+O52.S0e+O52.829*052eOe+052.79e+O52.78e*052.7Se*052.77e+052.77e+O52.76e*O52.T5e*a52.74e+052.74e+0S2J3e*O52 了3尹 052.729*052 72e+O5271e*052769*052.70e+05时间0.0165秒3.01e+053 039*052.97e+O52.93e+052.89e+052 37e+052.85e+052 839+052.81 e* 052 70e+O52.77e+052 75e+0S2.7Je+05 2 710-05 269et05 2.670+05 2.65e+0

29、5 2.63e+05图3-14低压级气缸网格细化后绝对压力变化低压级网格细化后绝对压力变化曲线:压气机气体流动通道设计及流体动力学分析研究报告低压级细化网格绝对压力变化3000002P(力压对绝2000001000005001000迭代次数图3-15低压级网格细化后绝对压力变化曲线从上图可以观察到，低压级气缸模型的网格细化后,气缸内绝对压力的变化规律与细化之前气缸内绝对压力的变化规律差别不大，可以认为低压级绝对压力的计算结果是与网格无关 的。网格细化后低压级气缸的排气温度计算结果:4026+03 3 94e+02 3 8ee+02 37Se*023 620-033 54.0+023 21e+0

30、33 13e+02305e+022 SOe-032e4e+022Ge+D2272e+022 4Se+02图3-16网格细化后低压级排气温度由上图可以观察到出口温度中间最高，为411K，即138摄氏度，靠近壁面处气流温度压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告稍低，约为370378K，即97105摄氏度。这个结果与细化之前的温度计算结果相差很小, 可以认为排气温度的计算结果与网格无关。342高压级流场高压级网格细化前后参数对比如下:表格3-2高压级网格参数细化前细化后排气阀关闭总兀素数31031114513总节点数29400110240排气阀开启总兀素数423660766657总节点数71

31、564129519高压级网格细化后各时刻流畅压力:290e+052900+05?90e+05时间0.0005秒290e+05290e+05290e+05290e+05290&+05290e+052gOe+05230e+05230e+052 30e+05290e+0529Ce+05230e+05290e+05290e+05290e+05压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.013秒4.21e+054,21e*054.2le+054.219*054.21e+054.21e+054 219*054.2iet054.710+054.2；e+054.21e*054 219*054 21e

32、+O54.2le+054.21e*054 21e+O54 219*054.21eH-054.219*054.216+05时间0.006秒S.2Se+a50289*()5e 28905S.23e+O53 250+05S.2Se+Ct5&.2Se+05S.2Se+058.28e+05S.2Se+05S 280+058.2Se+a58 伽+058.280*05S28e+(J5S.2Se+05S.28e+05压气机气体流通通道设计及流体动力学分析研究报告时间0.0165秒S.O2e+O58.03e*05S.OOe+057.90*057.9Se*057.97e*057 殛+057.95e+057.93e

33、*05729*057.92e+057.S1e+057.90e*057.eSe*057.076+057.S7e*05709*057.See+05时间0.015秒7.97e+057.970*057.96e+O5795e+Q57.956+057.946+057 93e+O57.93e+057 92e*O57.92e*057 91e+O57.91e+057.90e+0S7.90e+051 89et057 S8e+CJ57.8Se+057.S7e+O5压气机气体流动通道设计及流体动力学分析研究报告7.97e+0577.See+057.95e+057 9J9*O57.94e+057030+057.e3e+057.929*057.92e+057 91e*057.Sle+057.009+057.S9e+0517 曲0757.88e*057 080+057.S7e+a57.37e