涡旋压缩机浮动式静盘的性能优化研究.pdf

书书书设 计 研 究 年 期（总第 期）涡旋压缩机浮动式静盘的性能优化研究刘兴旺，李登辉，刘晓明，李远航，蒋强强，陈荣道（兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 ；压缩机技术国家重点实验室（压缩机技术安徽省实验室），安徽 合肥 ）摘要：针对浮动式静盘涡旋压缩机静盘背部温度过高且集中于排气管处的问题，提出带散热结构的浮动式静盘背压机构，研究了新机构的质能交换，分析了热量交换过程，给出了各腔体传热的数学模型，并对新机构进行 模拟计算，得到了不同外界温度下的静盘背部温度分布情况。与原浮动式静盘背压机构对比分析可得，新机构有效地改善了静盘背部中心温度过高的问题，使静盘温度分布更加均匀，可以解决因温度过高而造成的变形、摩擦磨损以及泄漏等问题，提高了压缩机的可靠性。关键词：浮动式静盘；质能交换；数值模拟；对流传热中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：压缩机技术国家重点实验室（压缩机技术安徽省实验室）开放基金项目（），（，；（），）：，：；设 计 研 究 年 期（总第 期）引言 世纪 年代 公司研发出第一台涡旋压缩机，经过四十余年的发展，涡旋压缩机已被广泛应用于空调、热泵以及各种气体压缩领域，同时也表现出了良好的工作特性和市场竞争力。但是由于涡旋压缩机工作过程近似绝热、工作过程连续、单位散热面积小且没有良好的散热装置等缺点，故会造成动、静盘的热变形，从而导致其密封效果变差泄漏增加，摩擦损失变大，整机的可靠性下降，寿命变短。如何对涡旋压缩机进行有效的降温散热，提高整机可靠性是今后努力的方向。赵远洋等 对 种不同冷却方式（自然冷却、动盘强制冷却以及静盘强制冷却）的样机进行了实验研究，对比了不同冷却方式换热效率，分析了散热对压缩机各方面性能的影响机理；李海生等 利用红外热成像技术，对涡旋压缩机静盘温度进行实时监测，得到了静盘工作过程中的温度变化规律；周新华等 对采用弧形翅片和直型翅片的静盘外壁面进行强化传热分析，分析了不同转角下的静盘传热温度场、轴向热变形及热应变结果，对两种散热结构进行了合理性评价；孙帅辉等 为具有外部水冷却结构的涡旋压缩机工作过程建立了热力学模型并搭建实验室样机，实验得到了外部冷却可以提高压缩机性能的结论；刘树清等 采用热 力耦合的方法研究了涡旋压缩机的变形情况，为减少涡旋压缩机内泄漏以及降低磨损提供了设计依据。本文为解决静盘背部温度过高且集中于排气管周围的问题，在浮动式静盘背压机构的基础上进行优化，将高温的气态制冷剂引到静盘外围，中心靠近排气管的位置设置散热腔，使涡旋盘整体温度分布梯度变小，避免了高温导致的局部变形，提高了压缩机的可靠性。浮动式静盘的结构及工作原理 物理模型的建立动盘背压机构具有其独特的优势，但由于作用在动涡盘型线高度一半处的气体力产生倾覆力矩，会使动涡盘发生倾斜，从而导致动、静涡盘顶部端面与各相应的涡圈的槽底部接触发生局部摩擦磨损，压缩机效率降低。解决此问题的方法是采用浮动式静盘背压机构，动涡盘受轴向气体力在支架体上稳定的运转，在一般情况下不会倾斜，在静盘外围设有导向环机构，此机构特别设在静涡盘型线高度一半的位置，用来平衡倾覆力矩，且周向定位由导向环保证，静涡盘也沿着导向环在轴向运动。浮动式静盘背压机构如图 所示。带散热结构的浮动式静盘背压机构传统浮动式静盘背压机构排气孔与背压腔相邻，背压腔中的压力来源于工作腔中的中间压力，故静盘背部呈现出边缘温度低、中心温度高的特点，由于其背压机构中心位置散热困难，导致中心位置变形较大，摩擦、磨损及泄漏问题急剧凸显。本设计在浮动式静盘背压机构的基础上，考虑到热量对涡旋压缩机带来的危害，采用带散热结构的静盘背压机构，主要由涡旋盘、导向环、支架体、电机以及主轴构成。浮动式静盘涡旋压缩机在传统浮动式静盘背压机构的基础上增加一散热腔，将原本高温排气管与中高温的背压腔分隔开来，散热腔通过管道与外部环境直接连通，并在散热管内设置一换热扇，加快空气流通，达到快速换热的目的，使静盘背部温度降低，降低涡旋盘中心位置因高温变形带来的摩擦磨损。浮动式静盘的数学模型图 为新机构的质能交换，因本文着重考虑静盘背部热量变化，故压缩腔内的质能变化暂不研究。下面将对各腔体的换热进行详细分析。排气管的换热量排气管的换热量主要分为两部分：压缩完成后从排气口排出气体所带的热量 ；排气管与散热腔通过壁面进行的换热量 。（）排出气体的所带的热量 （）（）图 浮动式静盘背压机构图设 计 研 究 年 期（总第 期）式中 排出气体所带热量随主轴转角的变化率 排出气体的质量流率（）排出气体的比焓，（）通过散热腔壁面的换热量为了计算方便，把排气管的换热看成是管内对流换热，并满足迪特斯 波尔特（）方程式 （）式中 努塞尔数，普朗特数，雷诺数，当量直径，对流换热系数，（）导热率，流体动力粘度，比定压热容，（）吸气口处气体流速，气体密度，式中 所用到的流体物性可查表得到，温度取流体平均温度。当确定 数后，按式（）求对流换热系数。（）故排气管通过壁面与散热腔的换热量为 （）式中壁面温度与主流体温度之间平均温差随主轴转角的变化率 排气管壁面面积（）排气总换热量 （）图 质能交换图 散热腔的换热量散热腔的换热量主要分为三部分：与排气管进行的换热量 ，已由式（）计算得出；与压缩腔进行的换热量 ；与背压腔进行的换热量 。（）通过压缩腔壁面的换热量散热腔与压缩腔的换热量，可将其看成是平板对流换热，计算方程式为 （）对流换热系数可由式（）计算得来，因此通过压缩腔壁面的换热量为 （）（）通过背压腔壁面的换热量散热腔与背压腔的换热量可以看做管内强制对流换热，可由式（）计算得出，由式（）可计算得出对流换热系数，因此通过背压腔的换热量为 （）式中 散热腔与背压腔的接触面积（）散热腔的总换热量 （）背压腔的换热量背压腔的换热量主要分为四部分：与散热腔壁面的换热量 ，已由式（）计算得出；通过背压孔与中间压缩腔进行质量交换时传递的热量；通过背压腔壁面与外界的换热量 以及与压缩腔进行的换热量 。（）背压孔的换热量设背压孔开在第 个压缩腔中，则通过背压孔第 个压缩腔与背压腔的质量交换为 ，质量交换带来的换热量为 （）当 时 （）当 时（）（）通过壁面与外界的换热量由于背压腔中流体的流量与速度变化相较于压缩腔中的变化小得多，故可以将背压腔通过壁面与外界的换热量看成竖直平板表面自然对流，并满足 波尔豪森（）方程式 （）式中 格拉晓夫数，流体体积膨胀系数，设 计 研 究 年 期（总第 期）温差，特征长度，流体运动粘度，重力加速度，换热系数可由式（）计算得出，故背压腔通过壁面的换热量为 （）（）通过壁面与压缩腔的换热量背压腔与压缩腔的换热量，可将其看成是平板对流换热，计算方程式与式（）相同，对流换热系数可由式（）计算得出，背压腔通过壁面与压缩腔的换热量为 （）（）背压腔的总热量 （）模拟计算 几何模型本文参照某项目样机的实测尺寸，根据其浮动式静盘背压机构的特征构建新型带散热结构的新机构。其中排气管半径 ，散热腔半径 ，背压腔半径 。本文采用多物理仿真软件 作为新机构传热的有限元分析。由于几何模型严格对称，为简化计算量，故根据对称性对几何模型的一半进行网格划分。几何模型中 个腔体都进流体，故都需要添加边界层。网格数为 。网格划分，图 本文对 湍流模型和流体传热模型分别进行入口和出口边界条件设置：排气入口速 ，温度 ；散热腔入口速度 ，温度根据季节变化分别选取了 种温度（，和）；因为背压腔与中间某一压缩腔进行气体的交换，达到平衡轴向力的目的，故本次设计将背压腔假设为流经一恒定温度与压力的气体，边界条件设置为背压腔入口速度 ，温度为平均温度。流体传热模型中对壁面设置为热薄近似的非多层壳，材料选择为铝合金。设置完成后进行非等温流动的多物理场耦合。材料属性如表 所示。计算结果分析 换热量分析对比通过对原机构与新机构的传热模型进行数值计算，得到了不同外界温度下换热量。从图 可以看出，在不同外界温度下，新机构相对于原机构换热量有了大幅提升，且外界温度越低，换热效果越明显。仿真结果对比分析图 为原浮动式静盘背压机构的温度云图，可以看出原机构整体温度偏高且集中在排气管周围，加之涡旋压缩机本身散热效果较差，故容易造成因中心部位温度过高而导致的变形、摩擦磨损严重且泄漏增加等不良影响。图 为不同外界温度下新机构的温度云图，可以看出新机构高温不再集中于排气管周围。与原机构相比，通过将原有高温制冷剂引入到静盘背部边缘，并引入冷空气进入排气管周围，温度均有所降低且分布更加合理。图 分别是 种不同外界换热温度下新机构与原机构温度对比，从图中可以看出，在半径为 表 材料属性属性参数参数值密度 杨氏模量 泊松比 比热容 热膨胀系数 图 几何模型图图 几何模型网格划分图 两种不同机构的换热量对比图设 计 研 究 年 期（总第 期）图 原背压机构温度云图图 种不同外界换热温度下新机构温度分布时外界气体进入散热腔，在靠近排气管与背压腔的壁面气体被加热，从散热腔出口流出时温度有明显升高。背压腔温度有所下降，外界环境温度越低，散热腔温度下降越明显，当进入散热腔的外界气体温度为 时，背压腔温度下降约，当环境温度为 时，背压腔温度下降 。将静盘背部换热量与压缩过程中静盘所产生的热量相叠加，图 为叠加后 时静盘温度分布云图，可以看出新机构温度分布更加均匀且温度有所降低，新机构优势明显。结论（）对原机构与新机构传热模型的进行数值计算，得到了不同外界温度下换热量的值，新机构相对于原机构换热有了大幅提升，且外界温度越低，换热效果越明显。（）带散热结构的浮动式静盘机构，涡旋盘中心附近的温度大为降低，最大可降低 。（）分析对比新机构与原机构的静盘温度云图，新机构静盘温度分布更加均匀。图 四种不同温度下原机构与新机构温度对比图 时不同机构静盘温度云图参考文献：赵远扬，李连生，马丽强，等 散热对无油涡旋空气压缩机性能影响的实验研究 西安交通大学学报，（）：李海生，吴开波，陈英华，等 基于红外的涡旋压缩机涡旋盘温度场实验 煤矿机械，（）：周新华，肖必宏，戴明，等 涡旋压缩机静盘外壁面强化传热研究 机电工程，（）：孙帅辉，赵远扬，王智忠，等 涡旋制冷压缩机外部冷却的研究 西安交通大学学报，（）：刘树清，程军明 热 力耦合作用下涡旋压缩机涡盘变形规律的探究 电子世界，（）：李元鹤 涡旋式压缩机轴向柔性机构的研究 西安交通大学 刘兴旺，王博，曾强，等 电动汽车涡旋压缩机变工况背压平衡系统研究 流体机械，（）：刘兴旺，马小礼，刘振全，等 涡旋压缩机型线几何参数的优化设计方法研究 流体机械，（）：孙健，彭斌，朱兵国 无油双涡圈空气涡旋压缩机的数值模拟及试验研究 上海交通大学学报，（）：曹健，苏林，张辛辛，等 电动汽车热泵两对腔涡旋压缩机补气特性研究 流体机械，（）：李超，刘竞中，王海宏，等 多载荷耦合作用下涡旋压缩机动涡旋盘的应力应变分析 流体机械，（）：作者简介：刘兴旺（），男，副教授，博士，主要研究方向为空调系统及涡旋压缩机的优化研究。：