無油渦旋空壓機運行過程流場模擬及性能試驗

沈小麗，邵中魁，黃建軍，王爾亦

(浙江省機電設計研究院有限公司，浙江 杭州 310051)

1 引言

無油渦旋空壓機是一種新型的容積式流體機械，具有節(jié)能高效、結(jié)構(gòu)緊湊、綠色環(huán)保、低噪靜音等優(yōu)點。且由于壓縮腔內(nèi)無須添加潤滑油，使其還具有壓縮氣體高度潔凈的突出優(yōu)勢，可廣泛應用于食品醫(yī)療、精細化工、精密噴涂、燃料電池等需要清潔氣源的場合[1][2]。

無油渦旋空壓機結(jié)構(gòu)特殊，其壓縮腔依靠動靜盤之間的微小間隙實現(xiàn)密封，嚙合間隙一般僅為10～40 μm，當精度不足時可能使渦旋齒發(fā)生摩擦甚至干涉咬死或斷裂。為精準控制嚙合間隙，不僅須提高機器的加工裝配精度，還須深入分析其運行時壓縮腔內(nèi)的壓力場、溫度場等，并進行應力應變分析。Ooi K T等[4]建立了渦旋壓縮機二維的工作腔模型，用有限元計算的方法分析了壓縮腔內(nèi)流體溫度、速度和壓力的分布情況，分析結(jié)果表明難以通過幾個簡單的集中參數(shù)準確預測壓縮腔內(nèi)的換熱情況。Blunier B等[5]對空調(diào)用渦旋壓縮機進行了幾何和熱力學分析，并基于實驗和理論推導建立了壓縮機的熱力學模型。章大海等[6]運用FLUENT中非一致網(wǎng)格技術成功進行了渦旋壓縮機的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了渦旋壓縮機工作腔內(nèi)的周向流場分布和不均勻瞬態(tài)溫度場及泄漏導致的局部渦流現(xiàn)象。但在相關分析中有限元模型的設置未基于實際樣機，因此少見與與實驗結(jié)果的對比分析。

本文針以無油渦旋空壓機為研究對象，開展空壓機壓縮腔流場的有限元分析及性能試驗研究。分析結(jié)果表明：模擬過程可較為形象分析渦旋空壓機的工作特性，得到其壓力場、溫度場、速度場的分布規(guī)律，且計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本符合。本文的分析可加深對無油渦旋空壓機運行特性的理解，并為無油渦旋空壓機的優(yōu)化設計提供一定的理論指導。

2 無油渦旋空壓機運行原理

空壓機主機頭主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由靜渦旋盤、動渦旋盤、偏心曲軸、防自轉(zhuǎn)機構(gòu)、機架等部件組成。動渦旋盤和靜渦旋盤對插放置，初始相位角相差180°，盤上有一對形狀相同的渦旋齒。兩渦旋齒之間多點嚙合，形成多組封閉的月牙形工作腔[7]。渦旋盤的嚙合型線可選擇圓漸開線、半圓漸開線、阿基米德落線等單一型線，或通用型線、組合型線[8]。其中，圓漸開線是一種常用的渦旋型線，最早由日本學者E.Morishita等[9]提出，由于其可用展成法加工，加工精度高，也有優(yōu)良的運行性能，在實際生產(chǎn)中的應用最為廣泛[10]。

圖1 無油渦旋空壓機主機頭主要結(jié)構(gòu)

動渦旋盤在偏心曲軸的帶動下和防自轉(zhuǎn)機構(gòu)的限制下，相對靜渦旋盤做公轉(zhuǎn)運動，動靜渦旋盤之間嚙合點不斷移動，其圍成的工作腔發(fā)生周期性變化，完成氣體的吸入、壓縮和排出的過程，其具體的工作原理如圖2所示。

圖2 無油渦旋空壓機工作原理

3 渦旋盤數(shù)值模型

本文針對圓漸開線無油渦旋空壓機進行分析，以漸開線基圓圓心為坐標原點，則其內(nèi)渦旋線的方程為[11]

(1)

外渦旋線的方程為

(2)

式中rb——基圓半徑

α——初始角

φ——漸開線展開角

首先以市場上某典型無油渦旋空壓機為原型，其渦旋盤結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，基于此幾何參數(shù)建立其二維平面模型。

表1 渦旋盤結(jié)構(gòu)參數(shù)

理論渦旋齒的齒寬t=2αrb=4 mm，理論渦旋齒節(jié)距p=2πrb=18.4 mm，機殼直徑為179 mm，進氣口寬度為32 mm。

由于空壓機在運行過程中壓縮腔的形狀不斷變化，須采用動網(wǎng)格技術指定計算區(qū)域的邊界運動。動渦旋盤公轉(zhuǎn)平動時，盤上任意一點的運動軌跡均為圓形，速度方程為

(3)

式中u，v——x，y方向的運動速度，m/s

ω——角速度，rad/s

t——時間，s

4 計算結(jié)果與分析

動靜渦旋盤及圍成的空間形成流體域，采用SolidWorks建立流體域的二維模型，將模型導入到ANSYS Workbench中進行流場分析。

網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為289539，節(jié)點數(shù)為156849，流體邊界處網(wǎng)格進行局部加密。

編寫UDF程序控制動渦旋盤的運動，網(wǎng)格在運動過程中自動更新，通過單純的運動模擬可知重構(gòu)網(wǎng)格的質(zhì)量相較于初始網(wǎng)格的質(zhì)量有所降低，但將重構(gòu)網(wǎng)格作為初始網(wǎng)格進行計算時，對計算結(jié)果影響可以忽略，因此重構(gòu)網(wǎng)格對模擬計算準確性的影響可忽略。

采用FLUENT進行瞬態(tài)流場分析，流域流動介質(zhì)為空氣，假設其符合理想氣體狀態(tài)方程，渦旋壓縮機冷卻效果較為理想，平穩(wěn)運行后渦旋齒保持恒定溫度，氣體與渦旋齒之間存在對流換熱，湍流模型采用k-ε模型。邊界采用壓力進口，壓力出口，設置進口壓力為大氣壓，進氣溫度為293 K，出口壓力0.7 MPa(表壓)，動渦旋盤轉(zhuǎn)速為3000 r/min。計算設定時間步長為4e-5 s，故模擬一個工作周期須計算500步。

渦旋空壓機運行過程中的壓縮腔壓力場分布如圖3所示，由圖可知，空壓機內(nèi)部壓力場整體呈現(xiàn)中心對稱形式，同一壓縮腔內(nèi)氣體壓力分布均勻，進入空壓機的空氣隨著動、靜盤嚙合點不斷從外側(cè)向中心移動，壓縮腔減小，壓力逐步升高，最后從中心的出口排出，進入新一輪進氣壓縮過程。相鄰工作腔的壓差范圍在0.08～0.35 MPa之間，外緣壓差小于內(nèi)緣壓差。

圖3 壓縮腔壓力場分布

隨著壓力的增加，壓縮腔內(nèi)的氣體溫度升高，渦旋空壓機運行時的溫度分布如圖4所示，壓縮腔溫度分布呈中心對稱，在渦旋齒璧面附近溫度變化較為明顯，表明氣體與渦旋齒之間存在較為明顯的換熱。溫度由邊緣向中心不斷升高，最高溫度為482 ℃，符合熱力學理論。

圖4 壓縮腔溫度場分布

空壓機運行過程中某時刻壓縮腔內(nèi)速度場如圖5所示，由圖可知，氣體從進氣口吸入后，進入壓縮腔，流動方向整體與動渦旋盤運動方向一致。渦旋齒嚙合處空氣出現(xiàn)局部最大速度，且由于相鄰壓縮腔之間存在嚙合間隙，空氣從高壓力壓縮腔向低壓力壓縮腔的泄漏，局部流動方向與壓縮腔內(nèi)整體流向相反，壓縮為變質(zhì)量壓縮。

圖5 壓縮腔速度場分布

5 空壓機性能測試

為測試無油渦旋空壓機運行性能，搭建了無油渦旋空壓機專用試驗平臺如圖6所示。該試驗平臺上集成了電機、變頻器、儲氣罐、壓力表、流量計、溫度傳感器和控制閥門等器件，可對空壓機在不同工況下的運行參數(shù)進行測量，總結(jié)空壓機在不同工況下壓縮氣體的出氣溫度、排氣壓力、氣體流量、噪聲振動的影響。

圖6 無油渦旋空壓機專用試驗平臺

經(jīng)過測試電機轉(zhuǎn)速滿載時為3258 r/min，空載時為3344 r/min。當環(huán)境溫度為25 ℃，排氣壓力0.8 MPa時，靜盤出氣口溫度為191 ℃，與有限元計算結(jié)果209 ℃符合良好?？諌簷C空載運行時，設計空氣流量為240 L/min，試驗測量結(jié)果為245 L/min，有限元計算結(jié)果為214 L/min，基本符合良好。此外在該平臺上還進行了500 h的連續(xù)性運行實驗，空壓機主機頭運行平穩(wěn)，具有較為理想的運行壽命。

6 結(jié)語

本文針對渦旋空壓機運行過程的二維流場進行了仿真分析，計算得到了空壓機吸氣、壓縮、排氣各過程及不同時刻壓縮腔壓力場、溫度場及速度場的分布，流場信息形象全面?？諌簷C工作時，壓縮腔由外而內(nèi)壓力逐步升高，外緣壓差小于內(nèi)緣壓差。氣體溫度由邊緣向中心不斷升高，渦旋盤溫度分布較為均勻，中心位置與氣體換熱明顯。流量、壓力、溫度等主要參數(shù)的仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合良好。本文研究結(jié)果為進一步進行渦旋空壓機渦旋盤的應力應變分析打下基礎，可為無油渦旋空壓機的優(yōu)化設計提供一定的參考。