无油涡旋空压机热力过程数值模拟及分析

李晓然，钟 华，杜 鑫，杨 旭

（西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安 710049）

1 引言

涡旋压缩机与其他类型的容积式压缩机相比，拥有易损件少、重量轻、体积小；气体的流动损失较小；容积效率较高等优良特性。随着涡旋压缩机应用场合的拓展，许多都要求运行工质无污染，因此，无油涡旋压缩机成为了诸多专家和学者的重点研究领域。

赵远扬等人[1]结合喷水无油涡旋空压机的换热和工作特性，建立了热力学模型，并通过模拟计算分析了转速和喷水量对性能的影响，找到了一种接近等温压缩的工况条件。李海生等人[2]根据无油涡旋压缩机的特点，分析了其冷却系统各部分的散热量，对冷却系统进行检测和控制，从而得到了润滑油温度和静盘温度随喷水量的变化规律。肖根福等人[3]针对无油涡旋压缩机建立了较为完整的热力学仿真模型，并利用局部弹性变形与网格重划的CFD动网格技术进行了二维和三维的流场模拟，展示了涡旋压缩机工作过程中压缩腔内的流动规律。王俊亭[4]分析了涡齿和散热区域温度分布规律，得到了风冷式无油涡旋压缩机的动盘、小曲拐、主轴和机架的作用力及力矩变化过程，并以减少泄漏为目标，根据涡旋盘的形变情况提出了涡齿修正方法。Peng Bin等人[5，6]综合考虑了涡旋压缩机的传热过程和气体泄漏过程，构建数学模型对无油涡旋压缩机的热力学工作过程进行分析，并采用实验验证了该数学模型的可靠性。

无油涡旋压缩机，由于涡盘散热方式的改变，简单的理论计算不能满足压缩机结构参数的准确计算，为了更好地指导压缩机的结构设计与样机研制，有必要借用数值模拟方法对压缩机的热力过程和内部流场进行较为精确的计算。目前国内的研究机构对无油涡旋压缩机进行了大量的研究，但是当前对于无油涡旋压缩机在不同实际工况下，流场的数值模拟分析还较为欠缺。为了进一步提高无油涡旋压缩机的设计及研制水平，依托车用无油空气涡旋压缩机的研发项目，采用PumpLinx计算软件，对压缩机热力过程和内部流场进行三维瞬态数值模拟，得到压缩工作过程中工作腔内的压力、温度和速度分布，并结合仿真结果分析对压缩机性能的影响。

2 基本参数和数值方法

2.1 基本参数

无油涡旋压缩机主要部件有动涡盘、静涡盘、主轴和壳体等。本文采用圆的渐开线作为涡旋型线，并对涡圈的始端采用对称圆弧加直线修正。

无油涡旋压缩机基本参数，见表1。

表1 无油涡旋压缩机基本参数

2.2 数值模型

本文利用PumpLinx 做数值计算时，选用了RNG k-ε湍流模型。边界条件均为压力进出口条件，设置进气压力为1.01325×105Pa，进气温度设置为300 K，出口压力和转速根据计算工况进行设定。空间插值格式采用一阶迎风格式，求解器选择压力求解器，压力速度耦合方程用SIMPLE-S算法，湍流模型为RNG k-ε湍流模型。为了准确记录腔体内的流场信息，在涡旋压缩机几何模型中沿静涡盘内壁面设置了12个监测点。如图1所示，每个监测点角度相差90°，z轴坐标均为13.75 mm。

网格划分方面，将整个流体域分为进气管、排气管和工作腔3个部分，动网格区域和静网格区域分开划分，通过交界面进行数据交互。工作腔与进气管和排气管设有2个交界面，使3个计算区域连接在一起。三维网格划分如图2所示。

图1 监测点的设置

图2 三维网格划分

3 计算结果分析

涡旋压缩机内部流场随着主轴转角的变化而变化，流动状况也较为复杂多变，使用实验设备获得即时的物理场信息困难较大，通过CFD方法可以较为方便的求解内部流场分布。本文取转速为3000 r/min、吸气温度为300 K、吸气压力为0.101325 MPa与排气压力为0.8106 MPa。对涡旋压缩机工作过程中不同角度下的压力、温度、速度等进行描述和分析。

3.1 压力场

图3 不同转角下压力云图

定义吸气腔闭合的时刻主轴转角为0°，给出工作腔z轴方向涡圈横截面在不同主轴转角下的压力分布云图，如图3所示。为方便表述，将对称压缩腔进行划分，见图3（a）。可以看出，单个月牙形工作腔内的压力分布差异很小，由于工质从高压腔泄漏至低压腔，在径向间隙处存在一定的压力梯度。在一个旋转周期中，工作腔内的压力最高可达0.87 MPa，高于排气背压0.81 MPa，存在一定的过压缩；当压缩腔和排气腔连通后，气体被排出，排气腔内的压力也随之下降。对于本文的无油涡旋压缩机来说，动涡盘公转方向为顺时针，工质从吸气管进入压缩机后流入右侧压缩腔与动盘公转方向相同，相对于进入左侧压缩腔更为顺畅，致使各压缩腔进气量存在略微差异，造成同一转角下工作腔2-1、2-2、2-3内的压力要略高于其对称工作腔1-1、1-2、1-3内的压力。此外，也可以推断，在当前转速下，右侧工作腔的较左侧工作腔具有更为明显的“吸气增压效应”。

在云图平面建立压力探针，各压缩腔的平均压力列于表2中，分析可知，随着涡旋压缩机动涡盘的旋转，内外工作腔的压差逐渐增大，且对称压缩腔之间的压差也逐渐变大，以工作腔1-2与2-2的压差为例，在0°和240°转角时分别为0.003 MPa和0.0043 MPa。可见，在压缩机形成初始最大封闭容积时，吸气终了压力的不同对压缩过程也会造成一定程度的影响。

图4为监测点1～12的压力变化曲线，由图中可以看出，随着监测点越来越靠近中心腔，能达到的最大压力也越来越大。本文的压缩机样机动、静涡盘之间的径向间隙为20 μm，可以看做一个狭长的微小泄漏通道，通道两端具有较大的压差，当动、静涡盘涡圈啮合线掠过某监测点时，监测点的压力便会急剧变化，以监测点5为例，转角到达90°时，工作腔2-2和2-3之间的啮合线运动到该点处，该点压力迅速由0.39 MPa降到0.17 MPa。随着相邻工作腔压差的增大，啮合线两侧工作腔的压差增大，因此监测点的压降也变大。

表2 各压缩腔平均压力 单位：MPa

3.2 温度场

在无油涡旋压缩机的设计开发过程中，由于对散热的要求较高，整机的热管理十分重要，因此有必要对压缩机运行时温度场进行研究。图5是不同转角下x轴方向中间截面的温度分布云图。

可以看出在工作腔轴向方向上，工作腔内的温度分布与压力分布不同，由于相邻工作腔的工质泄漏以及涡盘散热，使得温度分布具有很大的不均匀性。在工作过程中压缩机通过动静涡盘背面的散热肋片在冷却风道内进行强制对流换热，因此工作腔内轴向存在较大温度梯度。然而，在涡盘径向方向上，同压力分布情况相似，随着内压缩过程的持续进行，从吸气腔到排气腔温度逐渐升高，外部的工作腔由于压力升高较小，温升也较小，对称腔的温度分布存在差异。由压力云图的分析可知，压缩机工作过程存在一定的过压缩，当工作腔与排气腔连通之前工质压力达到最大，温度也达到最高；由图5（e），工作腔内温度最高可达515 K。

图4 监测点处压力曲线

图5 不同转角下温度云图

图6为主轴旋转一圈内压缩机排气管出口处瞬时温度的变化曲线。排气温度随着转角变化幅度不大，最高可达460 K，在转角到达300°时达到最低，为449.6 K。造成排气温度瞬时变化的主要原因是在整个排气过程中，由于中心腔容积随转角并非线性变化，并且排气孔口截面也时刻变化，由此造成排气流速的变化，当排气流速较高时，气流与排气管壁面间的换热时间较短由此造成了较高的温度；反之，当排气流速较低时，由于换热充分，所以气体的温度有所降低。

3.3 速度场

涡旋压缩机在工作过程中，工作腔内工质的流态随着涡盘的转动在时刻变化着，甚至会形成涡流，如图7所示，流线图可以清晰的显示出工质的方向和流速，从而展现出内流场的流动规律。从图中可以看出，流线从涡盘壁面延伸出来，整体的流动方向与动涡盘的运动方向一致，随着各个工作腔容积的减小，由动盘带动着由低压腔被强制推向高压腔。工作腔内流线的颜色基本一致，除了间隙处，整个流场的流速变化不大，处在6～38 m/s之间。随着动盘的运动，越向中心腔靠近工质的流速越低，当压缩腔和排气腔连通后，排气开始，压力减小，腔内压力与背压的差值变小，流速也随之降低。

图6 出口温度曲线图

从图7（a） 中可以看到，在0°转角位置时，由于在吸气腔完全闭合前，腔内的容积有略微降低，压力已经开始升高，会有一部分气体从吸气口被挤推出来，因而两吸气口均产生了涡流。曲轴转角转过0°后，右下角箭头处的流道逐渐打开，加上受动涡盘顺时针转动的影响，由吸气口进入的工质更多流入了工作腔2-1中，这也就造成了前节所述的工作腔2-1的压力略高于与其对称的工作腔1-1内的压力。由图7（c）～（e） 可以看到，随着动盘的继续运动，动盘涡圈最外侧壁面与压缩机壳体内壁面的间距逐渐减小，在工作腔1-1的吸气口处对工质造成了推挤，从而使工质获得了较高的流速。120°转角下可以看到，排气腔由间隙处泄漏至工作腔的工质与压缩腔内工质的流向相反，因此沿着动盘的外壁面产生了涡流，随着间隙位置的移动涡也向内移动。在整个流场中，相邻工作腔间泄漏间隙处的气体流速相对较大，特别是在中心腔与第二对工作腔之间能达到260 m/s以上，图8为不同角度下间隙处速度矢量图。

由压力场分析可知，越靠近中心腔，相邻工作腔内的压差越大，因此随着动、静涡盘涡圈啮合线的逐步内移，各个泄漏间隙处的气体流速因为相邻工作腔压差的增大而逐步增大。由此可以发现，在无油涡旋压缩机当中，由于没有润滑油的密封作用，在相同泄漏间隙值下，压缩机的内部泄漏相对于有油压缩机更为明显，为此保证动、静涡盘之间可靠的泄漏间隙值对提高压缩机的容积效率十分重要。

图7 不同转角下流线图

图8 不同转角下间隙处速度矢量图

3.4 进出口流量

如图9所示，给出了涡旋压缩机主轴旋转两周进出口瞬时质量流量变化曲线。

从图中可以看出，由于在压缩机吸、排气过程中，工作腔容积变化率不同，且因吸排气孔口截面积的变化造成了吸、排气阻力的变化，所以整个吸气、排气过程中气体质量流量呈现一定的波动；此外，由于涡旋压缩机的吸、排气过程所持续的主轴转角均为360°，所以压缩机进、出口处质量流量变化周期即为360°。另外，进出口质量流量一个周期的积分均值分别为0.00897 kg/s 和0.00875 kg/s，两者相差2.4%，误差在工程可接受的范围内，满足质量守恒。

图9 进出口质量流量曲线图

4 结论

本文利用CFD软件PumpLinx对压缩机热力过程进行了数值模拟。模拟结果表明：无油涡旋压缩机单个工作腔的压力分布均匀，在径向间隙处存在较大压力梯度；工作腔内轴向存在较大温度梯度；吸气腔内存在“吸气增压”效应，且一对对称工作腔内压力和温度存在差异；吸气过程结束前，吸气腔容积有略微降低，吸气口会产生涡流；没有润滑油的密封作用，在相同泄漏间隙值下，无油涡旋压缩机的内部泄漏相对于有油压缩机更为明显。本文研究，为进一步研究无油涡旋压缩机的冷却及性能优化提供了依据参考。