渦旋壓縮機(jī)切向密封結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬研究

葉 劍,姜 營(yíng),王 君

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580)

渦旋壓縮機(jī)切向密封結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬研究

葉 劍1,姜 營(yíng)2,王 君2

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580)

針對(duì)渦旋壓縮機(jī)切向氣體泄漏對(duì)增壓過(guò)程的不利影響，提出一種切向密封結(jié)構(gòu)，采用動(dòng)渦旋齒上開(kāi)設(shè)密封槽的方法對(duì)比研究了密封結(jié)構(gòu)對(duì)于工作過(guò)程的影響，與無(wú)密封結(jié)構(gòu)的工作過(guò)程對(duì)比，有效地減少了泄漏，改善了增壓過(guò)程；并提出采用一種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)嚙合間隙處網(wǎng)格加密，極大地簡(jiǎn)化了模型，為研究嚙合間隙處的氣體流態(tài)提供了一種研究方法。

渦旋壓縮機(jī)；密封結(jié)構(gòu)；嚙合間隙

1 引言

渦旋壓縮機(jī)在制冷、空氣壓縮等工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用中有著舉足輕重的作用。對(duì)于渦旋壓縮機(jī)而言，最大的挑戰(zhàn)課題之一就是對(duì)于泄漏間隙的研究。泄漏間隙會(huì)影響容渦旋壓縮機(jī)的性能乃至整個(gè)系統(tǒng)的效率。在現(xiàn)有的研究中主要采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬3種方法進(jìn)行研究。

在泄漏模型方面，文獻(xiàn)針對(duì)渦旋壓縮機(jī)切向泄漏分別采用噴管模型[1]、范諾流模型[2-3]、純氣體二維N-S模型[4]及兩相流模型[5]，通過(guò)一系列假設(shè)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算泄漏量，并研究了不同的間隙大小對(duì)于泄漏量以及排氣壓力、排氣溫度和壓縮過(guò)程的影響。在實(shí)驗(yàn)研究方面，文獻(xiàn)[6]對(duì)渦旋壓縮機(jī)軸向間隙的測(cè)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)搭建具有放大器、電渦流位移傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)得了渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程中軸向間隙的變化范圍；文獻(xiàn)[7]為了改善渦旋壓縮機(jī)泄漏對(duì)工作過(guò)程產(chǎn)生的不良影響，在渦旋齒齒高方向的側(cè)面上開(kāi)設(shè)迷宮槽，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式測(cè)量了渦旋齒迷宮密封的密封效果；在數(shù)值模擬方面，文獻(xiàn)[8-10]對(duì)渦旋壓縮機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)和泄漏進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)變化和動(dòng)、靜渦盤(pán)之間的泄漏狀態(tài)，但是由于采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并不能保證嚙合間隙處網(wǎng)格的數(shù)量，模擬的結(jié)果在嚙合間隙處的效果并不理想。本文首先為了減小切向泄漏對(duì)渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程的影響，提出了一種渦旋齒切向密封結(jié)構(gòu)，分析了該種密封結(jié)構(gòu)的效果，然后提出采用一種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)嚙合間隙處網(wǎng)格加密，極大地簡(jiǎn)化了模型，為研究渦旋壓縮機(jī)嚙合間隙處的氣體流態(tài)提供了一種新的研究方法。

2 渦旋齒切向密封結(jié)構(gòu)

針對(duì)渦旋壓縮機(jī)的切向泄漏，本文提出了渦旋壓縮機(jī)的切向密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，在渦旋齒的壁面開(kāi)設(shè)了矩形槽，矩形槽開(kāi)槽方向指向間隙處氣體的來(lái)流方向，且沿渦旋齒型線上每一點(diǎn)處的開(kāi)槽方向均與此點(diǎn)處的法線方向呈45°。在渦旋齒嚙合間隙處回流的氣體速度很大，根據(jù)迷宮密封的原理，氣體流經(jīng)矩形槽時(shí)依次被節(jié)流和擴(kuò)容，可以有效的耗散氣體的動(dòng)能，減小氣體的回流速度，由此減少了氣體從高壓腔到低壓腔內(nèi)的泄漏；而在壓縮腔內(nèi)部壁面氣體速度較低，矩形槽對(duì)壓縮腔內(nèi)的氣體影響極小可忽略。

此外為保證渦旋齒在高溫高壓下的力學(xué)性能，防止應(yīng)力集中及應(yīng)變對(duì)壓縮機(jī)正常工作產(chǎn)生影響，沿動(dòng)渦旋齒開(kāi)設(shè)的矩形槽可間隔一定角度，并且渦旋壓縮機(jī)剛開(kāi)始?jí)嚎s的前180°內(nèi)不必開(kāi)設(shè)矩形槽，應(yīng)該在包含有渦旋壓縮機(jī)壓縮過(guò)程的位置開(kāi)設(shè)矩形槽，因此可以根據(jù)壓縮機(jī)相鄰工作腔之間的泄漏速度和壓差大小，在適當(dāng)位置開(kāi)始開(kāi)設(shè)矩形槽。

3 數(shù)值模擬

根據(jù)本文所提出的渦旋壓縮機(jī)的渦旋齒切向密封結(jié)構(gòu)，建立渦旋壓縮機(jī)切向泄漏模型，并利用ANSYS fluent對(duì)密封效果進(jìn)行數(shù)值模擬，采用瞬態(tài)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型，以及標(biāo)準(zhǔn)的k～ζ湍流模型，得到渦旋壓縮機(jī)的內(nèi)部壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布如下。

3.1 壓力場(chǎng)

如圖2所示為主軸轉(zhuǎn)角θ=180°時(shí)刻壓縮腔內(nèi)壓力場(chǎng)分布對(duì)比云圖，其中圖2（a）為具有密封結(jié)構(gòu)的壓縮腔內(nèi)壓力云圖，圖2（b）為無(wú)密封結(jié)構(gòu)的壓縮腔內(nèi)壓力云圖，由圖可知具有密封結(jié)構(gòu)的壓力場(chǎng)分布與無(wú)密封結(jié)構(gòu)的壓力場(chǎng)分布大致相同，壓力大小也相同，說(shuō)明該密封結(jié)構(gòu)對(duì)渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部壓力場(chǎng)分布的影響較小。

3.2 溫度場(chǎng)

如圖3（a）為具有密封結(jié)構(gòu)的壓縮腔內(nèi)溫度場(chǎng)分布云圖，圖3（b）為無(wú)密封結(jié)構(gòu)的壓縮腔內(nèi)溫度場(chǎng)分布對(duì)比云圖。由圖可知具有密封結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布與無(wú)密封結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布大致相同，但是前者溫度高壓腔內(nèi)部的溫度略有提升，而低壓腔內(nèi)的溫度略有降低，故說(shuō)明該密封結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮腔內(nèi)部的氣體起到一定的增溫效果，這主要是密封結(jié)構(gòu)減少了泄漏引起的。

3.3 速度矢量

圖4所示為渦旋壓縮機(jī)嚙合間隙處的速度矢量圖。由于氣體流經(jīng)密封齒與渦旋齒側(cè)面間的最小間隙時(shí)受到節(jié)流作用，氣體的流速增大，壓力和溫度降低；氣體流過(guò)最小間隙后進(jìn)入一個(gè)較大的空腔，此時(shí)氣體形成很強(qiáng)的漩渦，氣體速度接近于零，氣體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃可l(fā)，使得氣體溫度升高，因此渦旋壓縮機(jī)內(nèi)的氣體溫度略有升高，嚙合間隙處的氣體動(dòng)能減小回流速度減小導(dǎo)致泄漏量減少。圖4（b）所示為嚙合間隙處的氣體在矩形槽內(nèi)形成的漩渦，漩渦使得嚙合間隙處的速度有所減小。

3.4 工作過(guò)程

密封結(jié)構(gòu)對(duì)渦旋壓縮機(jī)內(nèi)泄漏的影響可通過(guò)增壓過(guò)程曲線來(lái)分析，如圖5所示為壓力-容積過(guò)程曲線對(duì)比圖。

由圖5可知，對(duì)比于無(wú)密封結(jié)構(gòu)的p-V過(guò)程曲線，在壓縮過(guò)程前期氣體從內(nèi)緣的高壓腔向外緣的低壓腔以及吸氣腔泄漏，具有切向密封結(jié)構(gòu)的渦旋壓縮機(jī)在此段時(shí)間內(nèi)壓縮腔內(nèi)壓力降低，說(shuō)明切向密封結(jié)構(gòu)減少了高壓腔到低壓腔的泄漏量；在壓縮過(guò)程即將結(jié)束時(shí)，此時(shí)內(nèi)緣的高壓腔既向外緣的低壓腔泄漏同時(shí)開(kāi)始向渦旋中心的排氣腔泄漏，具有切向密封結(jié)構(gòu)的渦旋壓縮機(jī)在此段時(shí)間內(nèi)壓縮腔內(nèi)壓力有所升高，說(shuō)明切向密封結(jié)構(gòu)減少了高壓腔向低壓腔及排氣腔的泄漏量。

密封結(jié)構(gòu)對(duì)渦旋壓縮機(jī)外泄漏的影響可通過(guò)進(jìn)出口的質(zhì)量流率來(lái)分析，利用FLUENT計(jì)算得到渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程中通過(guò)入口的質(zhì)量流率為0.376 kg/s，通過(guò)出口的質(zhì)量流率為0.304 kg/s，由此可知渦旋壓縮機(jī)外泄漏量為0.072 kg/s，與無(wú)密封結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果0.078 kg/s相比泄漏量減少了0.006 kg/s。

綜上所述，該密封結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)減少了嚙合間隙兩側(cè)壓縮腔之間的泄漏，然而其對(duì)渦旋壓縮機(jī)內(nèi)泄漏和外泄漏的影響均較小，說(shuō)明該切向密封結(jié)構(gòu)具有一定的密封效果，然而密封效果并不顯著，為了改進(jìn)切向密封的效果可以對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

4 渦旋壓縮機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

本文提出將渦旋壓縮機(jī)嚙合間隙處的模型提取出來(lái)單獨(dú)進(jìn)行研究，即提出一種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)以更方便地研究渦旋壓縮機(jī)嚙合間隙處的泄漏及密封情況，并用以?xún)?yōu)化渦旋壓縮機(jī)間隙處的密封結(jié)構(gòu)。由于渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程中的嚙合點(diǎn)兩側(cè)的壓縮腔之間存在較大壓差，在壓差的驅(qū)動(dòng)下氣體通過(guò)嚙合間隙從高壓腔向低壓腔泄漏，為保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性需要保證簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)間隙處氣體流態(tài)與原模型間隙處的流態(tài)相同，需要滿(mǎn)足以下幾條準(zhǔn)則：

（1）保證嚙合間隙處的速度方向相同，即保證嚙合間隙結(jié)構(gòu)的曲率相等；

（2）保證嚙合間隙處的速度大小相同，即保證相同嚙合間隙兩側(cè)的壓縮腔之間的壓差相等；

（3）保證嚙合間隙兩側(cè)壓縮腔正常工作時(shí)的容積變化率相等。

4.1 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

如圖6所示，以研究嚙合間隙A處的密封結(jié)構(gòu)為例，圖6（a）中用虛線和點(diǎn)畫(huà)線分別表示A兩側(cè)的壓縮腔，其容積分別為S1，S2，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化變化結(jié)構(gòu)，為滿(mǎn)足條件（1），圖6（b）中A兩側(cè)壓縮腔的虛線及點(diǎn)畫(huà)線截取自圖6（a）中相應(yīng)的圓漸開(kāi)線；為滿(mǎn)足條件（3），需要設(shè)置圖6（b）中的move1和move2為動(dòng)邊界，其速度大小根據(jù)以下公式求解

由于渦旋壓縮機(jī)容積隨時(shí)間呈線性變化，因此動(dòng)邊界的速度v1，v2為定值，即動(dòng)邊界作勻速直線運(yùn)動(dòng)。

4.2 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

具有密封結(jié)構(gòu)的間隙簡(jiǎn)化模型如圖7所示，密封結(jié)構(gòu)仍在嚙合間隙區(qū)域開(kāi)一列矩形槽，槽的尺寸減小仍為毫米級(jí)，槽的數(shù)目增多。由于模型不規(guī)則可采用分區(qū)畫(huà)網(wǎng)格的方法，在密封齒區(qū)域加密網(wǎng)格，根據(jù)邊界的運(yùn)動(dòng)方式在變形區(qū)域采用鋪層網(wǎng)格。邊界條件設(shè)置move1、move2為動(dòng)邊界，與其相鄰的4條邊設(shè)置為變形邊界deforming1、deforming2，其余邊界為wall。

此外，為了滿(mǎn)足簡(jiǎn)化變化中的條件（2），進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)可使動(dòng)邊界先以較高的速度運(yùn)行一段時(shí)間給2個(gè)壓縮腔內(nèi)的氣體加壓，待兩側(cè)壓縮腔壓差達(dá)到所需的數(shù)值時(shí)再調(diào)整2個(gè)動(dòng)邊界的速度為v1，v2。

如圖8（a）、（b）分別為有無(wú)密封結(jié)構(gòu)的壓力云圖，根據(jù)FLUENT計(jì)算結(jié)果，圖8（a）中嚙合間隙兩側(cè)的壓縮腔壓差比圖8（b）中壓差大763 Pa，由此可知，密封結(jié)構(gòu)并不理想密封效果不顯著，為優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)仍需要改進(jìn)槽型的參數(shù)。雖然該結(jié)構(gòu)密封效果未達(dá)到理想效果，然而這種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)不僅大大簡(jiǎn)化了原來(lái)的模型，并且將主要部件的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的勻速直線運(yùn)動(dòng)，這種簡(jiǎn)化的思想仍可以為以后渦旋壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究提供一種可能性，或者為其他復(fù)雜的容積式壓縮機(jī)的研究提供一種方法。

5 結(jié)論

（1）切向泄漏增大了渦旋壓縮機(jī)的功耗，為減少泄漏提出一種切向密封結(jié)構(gòu)，即在渦旋齒上開(kāi)設(shè)一定數(shù)量的矩形槽，在渦旋壓縮機(jī)的工作過(guò)程中嚙合間隙處的矩形槽對(duì)回流氣體起到節(jié)流、擴(kuò)容的作用，使得回流氣體的動(dòng)能極大的減小，在一定程度上減少了渦旋壓縮機(jī)的內(nèi)泄漏。

（2）為了更方便地研究嚙合間隙處的氣體提出一種間隙簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程中的嚙合間隙結(jié)構(gòu)提取出來(lái)，大大簡(jiǎn)化了模型，而且將渦旋齒的公轉(zhuǎn)平動(dòng)轉(zhuǎn)化為勻速直線運(yùn)動(dòng)，為以后渦旋壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究提供了一種可能的方式。

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The Scroll Compressor Tangential Seal Structure and Numerical Simulation Research

YE Jian1,JIANG Ying2,WANG Jun2
(1.CNOOC Energy Development Equipment Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China;2.College of Chemical Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Tangential gas leak has adverse effects on scroll compressor for pressurization process,so that a tangential seal structure is presented.By using the method of opening the seal groove on the movable wrap,the impact of the sealing structure for work process was studied.Compared with unsealed work process,sealing structure could effectively reduce leakage and improve the pressurization process.Besides,a simplified structure was used to achieve backlash mesh refinement,which greatly simplifies the model for the study of the gas flow at the state backlash,which provides a research method.

scroll compressor;sealing structure;meshing clearance

TH455

A

1006-2971（2015）06-0017-05

2015-07-25