泄漏对变容量涡旋压缩机压缩腔内流场影响的研究

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涡旋压缩机是继转子压缩机、往复式压缩机、离心式压缩机之后的又一种新型高效的容积式压缩机,它借助容积的变化来实现对气体的压缩,被公认为是技术最先进的第三代压缩机。涡旋压缩机作为一种新型制冷压缩机,具有其独特的优点:工作时效率高,运转时噪声低,主要零部件较少,转动比较稳定和装配结构较简单等,被广泛应用在众多领域。  涡旋压缩机工作原理是以动、静涡旋盘之间的相对公转平动构成若干周期性变化的月牙形容积腔,借以实现气体的吸入、压缩和排出。在实际工作过程中,是一种非定常的可压缩流动,往往会有传热和泄漏等问题。涡旋压缩机的内泄漏是影响其性能的主要因素;关于压缩腔之间的传热,理论和实验研究其工作腔内的热力过程往往不准确,而采用数值模拟的计算方法可以比较直观地得到其工作过程中,循环变化的月牙形容积腔中的压力场、温度场和速度场的分布规律。  在压缩机传热过程的研究方面,动静盘啮合的间隙之间产生的泄漏是影响压缩机性能的重要问题,因为涡旋压缩机普遍采用间隙密封,此方法在提高涡旋压缩机可靠性的同时,也产生了泄漏难以控制的问题。关于泄漏,许多学者进行了大量的研究,主要集中于泄漏模型的建立,对于泄漏流场的研究比较少。而近年来应用CFD技术研究涡旋压缩机压缩腔实际工作的论文不断增多,研究主要集中在涡旋压缩机压缩腔流场的模拟分析,均忽略了泄漏对压缩腔流场分布规律的影响。  本文以变容量涡旋压缩机为研究对象,在已有的泄漏模型的基础上,建立泄漏对涡旋压缩机压缩腔内流场影响的几何模型,并对该模型进行仿真模拟,为涡旋压缩机的优化设计提供了理论基础。  首先,根据圆渐开线涡旋压缩机动、静涡旋齿型线的特点,建立了涡旋压缩机吸气容积、排气容积、容积比、未封闭容积的几何参数的数学模型。  其次,涡旋压缩机的内泄漏间隙通常只有几十微米,在压缩腔热力学过程的研究中,常常忽略其对流场的影响。本文基于已有的径向,切向泄漏模型,以纯气体泄漏模型为研究对象,建立涡旋压缩机压缩腔的几何模型,选定一个月牙形压缩腔,借助流体计算软件 CFD的前处理软件Gambit,分别对0°、90°、180°、270°时的压缩腔进行网格划分,并进行网格无关性验证,确定划分的网格的准确性。  最后,追踪一个已选定的压缩腔,在曲柄转角处于0°、90°、180°、270°时,分别模拟分析其在不同的间隙下,径向、切向泄漏对压缩腔内压力场、速度场、温度场的影响。分析发现,压缩腔内温度的分布较均匀,随着间隙的变化,同一压缩腔中,温度的变化幅度很小;而速度随着间隙的增大呈现递增的趋势,径向泄漏时,压力在压缩腔中分布是比较均匀的,只是在靠近壁面处,压力有增加,但幅度不大;而随着曲柄转角的增大,压力场逐渐显示出空间的非均匀性,压力也随着曲柄转角的增大而增大,泄漏量随转角的增大而增加;压缩腔内的最大速度集中在啮合处。切向泄漏时,曲柄转角在0°时,压力在压缩腔中中的变化比较小,只是在两个顶点附近,由于涡旋压缩机结构的特殊性,压力有减小,但幅度不大;而随着曲柄转角的增大,等压线向里面延伸;压缩腔的最大速度集中在顶点处,速度方向均从高压腔指向低压腔。综上所述,轴向、径向的最佳间隙均为0.005mm。
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