涡旋压缩机微间隙泄漏及平衡重功率损耗的数值分析

摘要

涡旋压缩机是一种新型高效、低噪的容积式压缩机,与其他形式的压缩机相比较在许多方面有着较大的优势,随着加工制造技术的不断发展,涡旋压缩机已广泛应用于制冷空调、动力工程等领域。由于自身的结构特点,涡旋压缩机的内泄漏是影响其性能的主要因素;压缩机曲轴上设有平衡重用于平衡动涡旋产生的旋转惯性力及其力矩。本文重点研究了圆渐开线涡旋压缩机微间隙泄漏特点及平衡重旋转时的功率损耗。
　　 本研究首先根据圆渐开线涡旋压缩机动、静涡旋齿型线的几何特点,建立了涡旋压缩机吸气容积、排气容积、容积比、未封闭吸气容积等几何参数的数学模型。在全面分析压缩机的结构、影响压缩机性能及工作过程的各种因素的基础上,建立了考虑内部泄漏的压缩机工作过程热力学模型,并通过对微间隙气体泄漏特点的研究,依据流体力学N-S方程、连续方程、状态方程等,建立了涡旋压缩机内部切向泄漏、径向泄漏以及动涡旋与支架体间的泄漏数学模型。涡旋压缩机的内泄漏间隙通常只有几十微米,泄漏流动理论数学模型并没有考虑微通道表面粗糙度对气体流动特性的影响。以涡旋压缩机纯气体内泄漏模型为研究对象,在微尺度、低压差泄漏流动过程的基础上,采用计算流体动力学方法,应用FLUENT软件分析了微间隙表面均匀锯齿状粗糙元的高度、分布密度和布置方式对于充分发展的泄漏流动的影响。结果表明,较大的粗糙元高度和较大的微元分布密度可以有效增大泄漏微流体流动阻力,降低泄漏流速。为了平衡动涡旋偏心设置所产生的旋转惯性力及其力矩,涡旋压缩机曲轴上设有平衡重,平衡重在旋转过程中与平衡腔内气体相互作用会消耗一部分功率。利用FLUENT软件的滑移网格模型,计算得到了不同结构平衡重在转速范围内消耗的功率,并对比研究了平衡重结构形状对耗功的影响。将平板型平衡重和带凸台平衡重径向侧面倒圆角既不会降低平衡效果,又使功耗最小。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 涡旋压缩机工作原理及特性

1.2 涡旋压缩机的发展历程

1.3 涡旋压缩机的研究现状

1.3.1 型线方面

1.3.2 泄漏方面

1.3.3 压缩过程及传热方面

1.3.4 运动机件动力特性方面

1.4 课题来源、研究的背景及意义

1.4.1 课题来源

1.4.2 研究的背景及意义

1.5 本文的主要工作及创新点

1.5.1 本文的主要工作

1.5.2 本文主要创新点

第2章 涡旋压缩机几何理论、热力过程及气体力分析

2.1 涡旋压缩机的几何理论

2.1.1 涡旋型线及其方程

2.1.2 工作腔几何容积

2.1.3 内容积比和内压力比

2.2 吸气过程

2.3 工作过程模型

2.3.1 压缩过程热力学模型

2.3.2 背压腔热力学模型

2.4 泄漏数学模型

2.4.1 切向泄漏

2.4.2 径向泄漏

2.4.3 动涡旋和静涡旋与支架体间的泄漏

2.5 热量交换

2.5.1 对流换热系数

2.5.2 传热模型

2.6 涡旋盘上的气体力分析

2.6.1 切向力分析

2.6.2 径向力分析

2.6.3 轴向力分析

2.7 本章小结

第3章 计算流体动力学方法及软件应用

3.1 流体动力学控制方程和标准κ-ε两方程模型

3.1.1 控制方程

3.1.2 标准κ-ε模型

3.2 控制方程的离散

3.2.1 有限体积法原理

3.2.2 有限体积法的区域离散

3.3 SIMPLE算法

3.4 边界条件概述

3.5 CFD软件应用概述

3.5.1 GAMBIT概述

3.5.2 FLUENT概述

3.6 本章小结

第4章 表面粗糙度对涡旋压缩机微间隙泄漏的影响

4.1 表面粗糙度对微通道流动的影响

4.1.1 表面粗糙度

4.1.2 表面粗糙度对微通道流动特性的影响

4.2 径向泄漏微间隙的物理模型

4.3 粗糙表面微间隙流动的计算模型

4.4 计算结果及分析

4.4.1 速度场分布

4.4.2 沿程压力分布

4.4.3 粗糙元对泄漏流速的影响

4.4.4 通道长度对泄漏流速的影响

4.5 本章小结

第5章 涡旋压缩机曲轴平衡重功率损耗的数值分析

5.1 曲轴旋转惯性力及力矩平衡方程

5.2 平衡重功率损耗的数值分析

5.2.1 平衡重摩擦阻力矩的理论分析

5.2.2 FLUENT计算模型的建立

5.2.3 计算结果与分析

5.2.4 平衡重结构对阻力矩的影响

5.3 带凸台平衡重功率损耗的数值分析

5.4 本章小结

工作总结及课题展望

参考文献

致谢

附录A:攻读学位期间所发表的论文