电动涡旋压缩机油气分离器升气管结构类型对分离性能的影响

刘兴旺 李迎福

（兰州理工大学石油化工学院）

随着电动汽车的蓬勃发展，电动汽车空调用涡旋压缩机的研发成为研究焦点［1，2］。电动汽车空调用涡旋压缩机正常运转需要其内部油循环保持稳定，所以需要高性能的油气分离器将油滴从制冷剂气体中分离，重新回流润滑压缩机。 若分离器分离效率过低，将导致大量润滑油进入空调系统并附着在蒸发器内壁，造成蒸发器传热系数降低，影响换热，使制冷系统的整体性能下降。 同时，分离器效率过低还会造成润滑油无法回流压缩机，导致压缩机运动副缺油，从而出现干烧故障。 所以，油气分离对于涡旋压缩机的正常运行意义重大［3］。 油气分离器内部不含有相对运动部件，整体结构尺寸小，但其内部流场湍流形式多样复杂，各结构之间相互协调制约影响。 其中，升气管对分离性能有着极大的影响，诸多学者对分离器升气管进行了大量研究，得到了升气管结构因素对分离器分离效率和压降的影响机理。

近年来，随着工业的发展，传统的旋风分离器已难以满足相关领域日益苛刻的要求，因此研究学者积极从事分离器性能改进方面的基础研究，这些工作基本上可以分成两方面。 一方面是改进旋风分离器的配置和几何尺寸，孙国刚和时铭显进行了一系列基本结构尺寸原始优化工作［4］；Hsiao T C 等也在前人的基础上优化了升气管长度和筒体几何尺寸［5］；Su Y X 等对筒体进行了改造，研究了方形旋风分离器的流场和分离特性［6］；Kepa A 进行了大尺寸工业级旋风分离器的尺寸优化研究［7］。另一方面，研究学者们通过在旋风分离器中加入额外部件来进行相关研究，如Chmielniak T 和Bryczkowski A 设计了一种加入动态转子的轴流顺流式旋风分离器，并进行了试验和理论研究，得出了相应的分离效率和压降［8］。但是由于电动涡旋压缩机油气分离器属于微型分离器，无法加装额外部件，因此只能通过优化基本结构来改善分离器的分离性能。 升气管是分离器实现油气分离的主要区域，且升气管的结构对油气分离器效率的影响很大，在此笔者分别对锥筒型、直筒型和锥型升气管油气分离器建立三维模型，探究升气管结构类型对分离器分离性能的影响规律。

1 计算模型和条件设置

1.1 三维模型

采用Solidworks 建立油气分离器内部流场域的三维模型，如图1 所示。

图1 油气分离器内部流场域的三维模型

油气分离器基本结构参数如下：

排气内径Dx4.8 mm

插入深度L 16.8 mm

筒体内径D 12 mm

筒体高度H 73 mm

筒体直径D115 mm

排油口直径D210 mm

进气口内径d 4 mm

分离器上筒高度H130 mm

分离器升气管类型及其结构参数见表1。

表1 分离器升气管类型及其结构参数

1.2 网格划分

通过ICEM 软件对建立的油气分离器内部流场域三维模型进行六面体网格划分（图2）。 考虑到速度和压力在径向位置变化比较剧烈，对径向进行网格加密。在壁面采用壁面函数，通过y+（边界层厚度的描述参数）计算得到第1 层网格尺寸为0.02 mm。设置流体流动方向与网格垂直，以保证具有较高的计算精度。

图2 油气分离器内部流场域三维模型网格划分

1.3 数值模拟条件设置

RSM 模型基于各向异性假设，考虑了旋转流动和漩涡变化的影响，有较强的模拟螺旋复杂湍流的能力，且计算精度高，故笔者选用RSM 模型进行数值模拟。 由于进入油气分离器的液相油滴浓度低于10%，故将油滴视为离散相，用拉格朗日法进行描述，并采用DPM 模型模拟计算。

气相场的离散格式选用SIMPLEC 算法，差分格式选用QUICK 格式， 压力场插值采用能解决高速旋流的PRESTO！，湍流的湍动能和耗散率均设置为二阶迎风格式，两相流模式采用考虑了油滴与流体离散涡之间相互作用的随机游走模式（DRW）。

油滴相进口射源采用面射流源，速度与气相进口速度保持一致。 不考虑油滴之间的相互碰撞而造成的结合与破碎，将排气管出口设置为逃逸条件（escape），油气分离器的底部出口为捕捉条件（trap）。

壁面在无滑移边界条件下，按标准壁面函数进行处理。

1.4 边界条件设置

连续相介质为R134a，密度为87.26 kg/m3，流体粘度为14.71 μPa·s；离散相为润滑油PAG-56，密度为1 015 kg/m3，粒径为1 μm。 分离器入口设置为速度入口，入口速度在压缩机额定转速3 000 r/min 下为10.2 m/s，出口条件为自由出口，壁面均设置为无滑移边界条件，近壁面处采用标准壁面函数。

2 数值模拟与结果分析

2.1 静压模拟结果分析

x=0 截面处静压力云图如图3 所示。 由图3可以看出，5 组模型内部静压分布对称，呈现出明显的分层现象。 排气管口附近油气分离器压力变化最为剧烈， 最易产生二次流从而影响分离效率。 图3d 中，排气管口低压核心区最大，且低压核心不对称，说明该区域的流场相对而言更不稳定，更易产生二次流，不利于排气管内部的油气分离，容易造成返混；升气管内的低压核心出现了一定程度的弯曲和摆动，使得外层漩涡在分离器排油口附近向上反转时产生局部偏心环流，把一部分已经分离的油滴重新卷起。 如果旋转中心摇摆不定， 低压核心底部也会在分离器底部来回游走，卷起大量油滴，造成返混。 若低压核心摆动幅度过大，碰到壁面，也会卷起油滴。 更有甚者， 低压核心会延伸到分离器排气口锥体部分，将其中的液滴搅起，更不利于油气分离。从图3 中可以看出， 锥筒型和锥型在一定程度上减弱了升气管低压核心的弯曲和摆动， 更有利于油气分离。

图3 x=0 截面处静压力云图

2.2 切向速度模拟结果分析

x=0 截面处切向速度云图如图4 所示。 油气混合物在油气分离器内部做螺旋运动时受到离心力的作用， 而切向速度是离心力最主要的来源。由图4 可以看出，5 组模型的切向速度分布与静压分布类似。 由图4 所示的切向速度云图可以明显观测到内部漩涡旋转中心的情况，其中直筒型和锥筒2 型、锥筒3 型升气管油气分离器内部旋转中心出现不同程度的弯曲，旋转中心偏离分离器的几何中心且伴随左右摆动，表明这3 种类型的分离器内部升气管分离区流场比较紊乱，容易产生返混流，不利于油气分离。 锥筒1 型与锥型升气管分离器内部旋转中心未出现明显弯曲，表明其内部流场稳定，紊流较少，因此这两种分离器的流场情况需结合切向速度曲线做进一步分析。

图4 x=0 截面处切向速度云图

图5 为z=38 mm 截面处排气管内部切向速度沿径向位置的分布曲线。 油气混合物在油气分离器内部做圆周运动时受到离心力的作用，而切向速度是离心力最主要的来源。 随着油气混合物在分离器内高速旋转，油滴由于密度较大，在切向速度的作用下，受到较大的离心力从而被甩至壁面，沉降至分离器底部，以达到油气分离的目的。由图5 可以看出，5 组模型升气管内部切向速度曲线对称较好，切向速度随自由涡半径的增大而增大，到达峰值后，切向速度随强制涡半径的增大而减小，整体呈M 形分布，符合“兰金涡”的特点。 相对于其他几组模型，锥型升气管内部平均切向速度最高，所以锥型升气管油气分离器内的油滴受到的离心力更大，更易分离。

图5 z=38 mm 截面处排气管内部切向速度沿径向位置的分布曲线

2.3 轴向速度模拟结果分析

图6 为z=38 mm 截面处轴向速度沿径向位置的分布曲线。 从图6 中可以看出，在轴向速度曲线两侧的低谷区出现了一定范围的负速度，表明分离器内部存在滞流或者二次流，降低了分离效率。 根据油气分离器内的气体流动，可将分离器内的气体分为上行涡和下行涡。 在理想状态下，上行涡和下行涡之间有一个所有轴向速度都为零的点所形成的面，即零速包络面。5 组模型都只有一层零速包络面，说明5 种油气分离器内的紊流较小。 其中，锥型升气管油气分离器的零速包络面半径最小，说明排气管下部锥型升气管分离器的外旋流范围更大，外旋流是油气分离的主要区域，所以锥型更有利于油气分离。 直筒型升气管油气分离器的零速包络面半径最大，说明排气管下部直筒型升气管分离器的外旋流范围最小，不利于油气分离。3 种锥筒型升气管油气分离器排气管外旋流范围介于锥型和直筒型之间。

图6 z=38 mm 截面处轴向速度沿径向位置的分布曲线

2.4 变转速条件下的分离效率

对5 组模型进行不同转速下油气分离器分离效率的模拟分析，结果如图7 所示。 由图7 可以看出，在各转速下，锥型升气管油气分离器的分离效率都是最高的。 同时，适当改变转速可以提高油气分离器的分离效率，但是分离效率的增长幅度逐渐放缓。 当转速超过6 000 r/min 时，油气分离器分离效率出现了下降的趋势，这是因为转速的提高使得涡旋压缩机排气量增大、入口速度增大，导致分离器内切向速度增大，且由于油气分离器的结构尺寸较小， 当转速超过6 000 r/min时，流量过大，湍动程度增大，导致被甩至壁面的油滴被重新扬起， 并返回气相从而形成返混现象；同时，上行涡轴向速度过高，径向速度增大，使得油滴停留时间变短，分离器底部的油重新被卷扬夹带出去，造成分离器分离效率下降。综上所述，适当提高转速会使油气分离器分离效率提高，有益于涡旋压缩机运转。 但是当超过一定转速时， 虽然分离器仍具有较高的分离效率，但不能再通过提高转速来提高分离效率。 而且压缩机以过高转速运转时，能耗高，经济性不佳。

图7 不同转速下的油气分离器分离效率

3 结论

3.1 油气分离器升气管是上行涡和下行涡转换的区域，可以通过对升气管结构的改变来提高油气分离器的分离效率。

3.2 在5 组不同结构的升气管油气分离器中，锥型升气管分离器的分离效率最高。

3.3 适当改变转速可以提高油气分离器的分离效率， 但过高或过低的转速都不利于油滴分离，当超过一定转速时，虽然分离器仍处于较高的分离效率水平，但不能再通过提高转速来提高分离效率。