变截面涡旋压缩机数学模型及试验研究

为详细研究变截面涡旋压缩机的性能特点,提出一种圆渐开线、高次曲线和圆弧组合的变截面型线,根据几何模型得到工作腔容积的变化情况。基于能量和质量守恒,充分考虑工作过程中的吸气加热、轴向和径向泄漏、工质与涡旋齿和涡旋盘的传热,构建变截面涡旋压缩机的整体数学模型,通过对数学模型的求解,详细分析实际气体在工作过程中温度、压力和质量随曲轴转角的变化规律。采用研制开发的变截面空气涡旋压缩机建立测试平台,并将模拟计算得到的排气温度、质量流量和轴功率与试验数据进行对比,结果表明,构建的数学模型能够准确描述变截面涡旋压缩机的吸气、压缩及排气全过程,该研究为定量化分析、优化及提升变截面涡旋压缩机的性能提供了有利工具。     

变截面涡旋压缩机传热模型研究

为了详细研究变截面涡旋压缩机的性能特点,考虑到腔体工作过程中的压缩与排气,对涡旋压缩机传热的数学模型的设计及仿真计算与性能进行分析,建立基于质量守恒,能量守恒和实际气体状态方程的涡旋压缩机模型,得到了每个工作腔的传热量随曲轴转角的变化特性,分析了内传热特性和泄露对各个工作腔中温度、压力和质量的影响,进而揭示了传热、泄露特性与工作腔压力和温度变化的复杂关系。采用研制开发的变截面空气涡旋压缩机建立测试平台,并将模拟计算得到的排气温度、质量流量和轴功率与试验数据进行对比,证明该数学模型可以全面反映变截面涡旋压缩机从吸气到排气等完整过程,为制冷涡旋压缩机的性能分析和优化设计提供了理论依据。     

型线参数对双涡圈涡旋压缩机性能的影响

由型线方程建立了双涡圈涡旋压缩机涡旋盘几何模型,讨论了双涡圈涡旋齿在加工过程中齿头与刀具的干涉情况,并根据修正后排气角的计算公式给出了任意曲轴转角下任意压缩腔的工作容积以及吸气、排气容积,讨论了双涡圈涡旋压缩机的泄漏模型,并定量分析了径向泄漏线长度。推导出了在基圆半径不变的情况下,能正确啮合的涡旋体型线的起始角范围,定量分析了在圆渐开线起始角或基圆半径不变的情况下,基圆半径或圆渐开线起始角对双涡圈涡旋压缩机性能的影响。     

新型无油涡旋压缩机性能

基于热力学第一定律、质量守恒定律和气体状态方程,综合考虑工作腔的两种内泄漏以及工作腔壁面与介质气体之间的传热,构建了无油涡旋压缩机的热力学模型。运用欧拉法求解所建立的热力学模型,得到了气体在吸气-压缩-排气全过程中容积、温度、压力和质量随主轴转角的变化情况,并对比分析了不同传热和泄漏的影响规律。对研制开发的无油涡旋压缩机进行了变转速性能测试,分别测试了不同排气压力下的温度、排气量、功率。结果表明：传热对压力和温度的影响最大,而泄漏对工作腔质量的影响最大。随着转速的增大,温度、排气量、功率都呈明显的增大趋势。该热力学模型对无油涡旋压缩机的研发和性能分析具有一定的指导和借鉴作用。     

CO2涡旋压缩机泄漏分析

分析了CO2涡旋压缩机的泄漏形式,并建立了泄漏间隙和泄漏量的模型。计算结果表明,CO2涡旋压缩机排气压力和蒸发温度对泄漏量的影响较大,吸气过热度对泄漏量的影响很小。     

往复压缩机的能耗模型与影响因素分析

为了实现往复压缩机节能降耗,建立往复压缩机工作过程的能耗模型,包括泄漏模型,压力损失模型以及气缸传热,采用微元法求解建立的往复压缩机气缸工作过程模型,得到膨胀、吸气、压缩、排气过程的任意时刻介质状态参数;应用该往复压缩机实际运行数据修正能耗模型;分析往复活塞压缩机组系统能耗的影响因素,提出往复压缩机的可行的节能方案。研究结果表明:一级进气压力对往复压缩机能耗影响最为显著。     

润滑油对涡旋压缩机压缩过程的影响

提出了考虑到润滑影响的压缩腔和背压腔工作过程数学模型，并对压缩过程进行了计算模拟，得到了流入压缩腔内的润滑油量与涡旋压缩机容积效率、压缩功率损失，背压和排气温度的关系曲线。在此基础上，进行了一定运行条件下的实验研究，验证了计算模型的准确性。研究结果表明：压缩腔内油－气质量百分比为５％－１２％时，涡旋压缩机的性能较为理想。     

喷液涡旋压缩机气液增压过程模型研究

建立了喷液涡旋压缩机工作过程中气液两相混合增压过程的热力模型,得到气液两相在绝热增压过程和有换热增压过程的热力过程方程,得到了不同含气率下气液状态参数的变化规律,分析了气液比对增压过程的影响。对喷液涡旋压缩机进行实验测试,得到了性能参数之间的变化关系,比较了理论计算和实验测试的结果,验证了气液混相压缩过程的数学模型。     

一种非对称异步排气涡旋压缩机的数值模拟研究

传统非对称涡旋压缩机的2组工作腔内容积比不相等,会导致压缩时的压力不对称现象严重,同时使得排气损失和排气脉动增加。为此,针对一种等内容积比的非对称异步排气涡旋压缩机进行了数值模拟研究。首先,建立了非对称涡旋压缩机的几何模型,对非对称异步排气涡旋结构的构造原理进行了公式推导,分析了其工作腔的容积变化状况;然后,对该结构的流体域进行了结构化网格划分,并进行了瞬态数值模拟,研究了腔内压力场、温度场、速度场的分布特性;最后,在相同条件下,将该非对称异步排气涡旋压缩机与传统非对称涡旋压缩机进行了性能对比分析。研究结果表明：该非对称异步排气结构的腔内流场均呈非对称分布,同一工作腔的压力场较为均匀,2组工作腔的排气压差在2%以内,但同一工作腔的温度场和速度场受径向间隙影响,其不均匀程度较大;经性能对比,该结构的排气压力损失仅为6.6%,排气温度降低了8.1 K,排气时的脉动强度降低了34.9%,涡旋压缩机排气过程更加稳定。     

不对称排气涡旋压缩机几何模型的建立

为了建立负修正角、旋转半径小于基圆半径、对称腔非同步排气的涡旋压缩机几何模型,对排气腔之间的侧向泄露面积、吸气面积重新进行了定义,在几何分割和格林公式的基础上,获得了吸气腔容积、第一压缩腔容积、排气腔容积、吸气面积、泄露面积、排气面积的表达式或求解方法。计算结果表明,吸气过程结束阶段存在预压缩,涡旋段压缩过程速率恒定,进入圆弧修正部位后,压缩速率降低。排气腔RD排气面积略有增大后逐渐减小,排气腔LD排气面积逐渐增加,主轴转动半周逐渐减小,转角为4.247弧度时,压缩腔LC1开始排气,排气面积逐渐增加。     

天然气变频涡旋压缩机的密封研究

根据天然气变频涡旋压缩机的自身结构特点,重点分析了端面、结合面、间隙、径向和切向泄漏,提出了一套相应的密封方法,并在变频涡旋压缩机试验台上对样机进行了400 h测试,对采集的数据进行了分析.结果表明：该套密封方法能很好地密封天然气,保证了天然气变频涡旋压缩机的可靠性,进而为变频涡旋压缩机在天然气压缩中的广泛应用提供了理论和试验依据。     

驱动轴承内嵌式双涡旋齿涡旋压缩机气体力的分析

使用涡旋型线始端展角和终端展角几何参数,对驱动轴承内嵌式双涡旋齿涡旋压缩机的吸气容积、排气容积、压缩比建立了计算公式;对作用于双涡旋齿动涡盘的气体力建立了分析模型;并通过计算与传统的双涡旋齿气体力进行了比较。结果表明,驱动轴承内嵌式双涡旋齿涡旋压缩机相对于传统的双涡旋齿涡旋压缩机,切向、轴向和径向气体力均减小,输气量更大,运行更平稳。     

二阶可微型线对涡旋压缩机性能的影响

针对传统变截面涡旋型线在构造形式上采用一阶可微连接方式时存在型线不光顺的问题,提出一种基于二阶可微的涡旋型线连接方法。利用该方法建立了吸气腔、压缩腔和排气腔的容积模型,并对作用在动涡旋上的轴向、切向和径向气体力在实际工况参数下进行了模拟计算。计算结果表明:涡旋型线的连接方式对涡旋压缩机容积性能和动力性能的影响比较显著;相比于一阶可微,采用二阶可微连接方式,行程容积和压缩比分别提高了19.20%,17.13%,轴向力、切向力和径向力均明显减小。可见,采用二阶可微连接方式的变截面型线涡旋压缩机,容积性能较高,动力学优势会更加突出,研究方法和结果可为涡旋压缩机设计提供参考。     

转速对变频涡旋压缩机压缩性能的影响研究

转速对变频涡旋压缩机压缩性能的影响规律尚不完全明确。为探寻转速对变频涡旋压缩机压缩性能的影响规律,从理论上分析了转速对变频涡旋压缩机单位曲柄转角下的排气量、压缩终了内压力及单位质量有效气体获得的多变压缩能量头的影响规律。理论分析发现,受转速引起的泄漏量变化的影响,单位曲柄转角下的排气量、压缩终了内压力及单位质量有效气体获得的多变压缩能量头均随转速的降低而减小,说明变频涡旋压缩机在低转速下的压缩性能欠佳。试验测试结果证明了理论研究所得结论的正确性。研究结果对变频涡旋压缩机的研发和使用有较强的指导意义。     

涡旋压缩机工作腔润滑油密封的实验研究

为了将卧式涡旋压缩机工作腔内的润滑油定量地控制在最佳的范围内,采用在动涡旋盘与支架体间加装润滑油密封结构,通过调节密封比压等参数的大小,准确地控制了从曲轴箱漏入工作腔的润滑油量。并通过实验得出了工作腔内润滑油量与密封比压、相对运动速度、润滑油粘度和气体压缩比等参数间的变化关系。结果表明:该密封结构不但精确地控制了工作腔内的润滑油量,既保证了动静涡旋齿摩擦副的润滑又节省了润滑油的消耗,而且减小了背压腔气体向吸气口的泄漏。     

涡旋压缩机气体力的影响因素分析

在气体力模型基础上,结合涡旋压缩机的基本参数和设计参数,分析了气体力的影响因素。得出基圆半径、节距、齿高、压缩比、排气量对气体力的影响情况。分析结果为减小涡旋压缩机的振动和噪声提供依据,为涡旋压缩机的动力平衡提供支撑。     

基于Abel-Noble方程的变截面涡旋压缩机径向泄漏机理研究

涡旋压缩机径向泄漏一直是阻碍其发展的技术难题,为了准确计算实际状况的径向泄漏量,根据热力学和流体力学理论,基于Abel-Noble状态方程建立可压缩、考虑壁面摩擦、气体粘性、流动状态等实际因素影响的泄漏量计算模型。采用Fluent软件对轴向间隙的径向泄漏流场进行分析,计算其泄漏量的大小,然后将理论计算结果和仿真计算结果与试验结果进行对比。结果表明:三者结果吻合程度较好,证明了计算模型的正确性,另外通过改变该模型中的几何参数,可以预测和计算任何类型的涡旋压缩机的泄漏。这对研究大功率涡旋压缩机泄漏和应用提供理论参考。     

涡旋压缩机压缩腔内气体非稳态流动研究

为了研究涡旋压缩机工作过程中腔内气体非稳态流动过程,建立了涡旋压缩机压缩腔的模型,依据动静涡旋齿啮合间隙调节压缩腔内流体区域的动网格分布,采用RNG k-ε湍流数学模型,实现了压缩腔内气体流动的数值模拟,研究气体速度场、压力场和温度场分布规律,分析了流场分布不均匀性的形成原因,探索了压缩腔间气体泄漏引起的传热、传质过程对非稳态流动的影响。     

往复压缩机压缩和膨胀热力过程研究

根据变质量热力学的基本原理，建立了在气体泄漏和不稳定传热耦合作用下的往复压缩机气体压缩和膨胀热力过程的数学模型，采用计算机对其进行数值求解，并分析讨论了传热、质量泄漏及其耦合作用对气体压缩和膨胀热力过程的影响。通过与实验测试结果的比较证明了所建立的压缩和膨胀过程数学模型的正确性，有助于更精确的描述往复压缩机的压缩和膨胀过程。