基于CFD的滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)吐油率優(yōu)化分析

楊國(guó)蟒，鄧麗穎，梁社兵，張 健，徐 嘉，胡余生

（1.珠海格力電器股份有限公司機(jī)電技術(shù)研究院，珠海519070；2.國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，珠海519070）

基于CFD的滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)吐油率優(yōu)化分析

楊國(guó)蟒1，鄧麗穎2，梁社兵2，張 健1，徐 嘉2，胡余生2

（1.珠海格力電器股份有限公司機(jī)電技術(shù)研究院，珠海519070；2.國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，珠海519070）

本文通過數(shù)值模擬的方法分析了某款壓縮機(jī)內(nèi)部油氣兩相的流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在其內(nèi)部沒有明顯的回油通路。然后對(duì)在上腔增加擋油板、主平衡塊處增加擋油板、增加轉(zhuǎn)子和定子流通孔和在增加轉(zhuǎn)子和定子流通孔的基礎(chǔ)上在上腔增加雙層擋油板四種改進(jìn)的方案進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在前三種方案對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響不是很大，而增加轉(zhuǎn)子和定子流通孔并增添雙層擋油板能使轉(zhuǎn)子流通孔成為主要的上油通道，然后在擋油板的離心作用下使油氣分離，一部分油通過定子切邊回到油池，回油通道比較明顯。最后，對(duì)優(yōu)化后的壓縮機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，吐油率在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都被控制在0.5%以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)；吐油率；數(shù)值模擬；優(yōu)化；VOF

1 引言

壓縮機(jī)中潤(rùn)滑油的功能是減小轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件之間的摩擦，并帶走由摩擦所產(chǎn)生的熱量。因此，維持壓縮機(jī)中潤(rùn)滑油在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)是非常重要的。當(dāng)過多的潤(rùn)滑油隨冷媒排出殼體時(shí)，潤(rùn)滑油將在換熱器銅管上積聚，換熱器的換熱系數(shù)隨著吐油率的增加而下降，從而影響換熱器的效果，甚至?xí)绊懙綁嚎s機(jī)的可靠性。所以，降低壓縮機(jī)的吐油率具有重大的意義。

Paul Bushnell用試驗(yàn)和理論的方法研究了壓縮機(jī)內(nèi)油滴的產(chǎn)生機(jī)理，并指出油滴只有滿足重力大于氣流對(duì)其的擾流阻力時(shí)油滴才會(huì)下降到油池，同時(shí)將影響吐油率的因素分為三大類：源頭、路徑和收集器。Kyungki Min則對(duì)這三大類因素的影響程度用實(shí)驗(yàn)的方法確定了先后順序，排在前兩位的是增大定子切邊面積和轉(zhuǎn)子流通孔面積。Kamal Sharma利用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了在定子上開流通孔和不開流通孔兩種模型的流場(chǎng)分布情況，得出開流通孔可以降低定子過流斷面的氣流速度，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證吐油率由原來的3.26%降到了1.23%。鄧麗穎等運(yùn)用CFD方法對(duì)四種開有轉(zhuǎn)子流通孔的模型進(jìn)行了分析，得出在轉(zhuǎn)子流通孔有回油，并且入口邊界的含油率對(duì)吐油率有較大的影響，但是對(duì)泵油系統(tǒng)的影響卻比較小。Takeshi Ogata等提出了兩種降低CO2壓縮機(jī)OCR的方案，并用CFD手段驗(yàn)證了方案的正確性。通過優(yōu)化滾動(dòng)活塞的徑向密封和葉片槽的密封等方法將OCR降低至0.1Wt%。CFD模擬計(jì)算表明，在殼體高壓區(qū)存在著冷媒夾帶潤(rùn)滑油霧的環(huán)狀流動(dòng)，而環(huán)狀流動(dòng)與吐油率有很大的關(guān)系。但上述文獻(xiàn)中對(duì)壓縮機(jī)整機(jī)內(nèi)流體的流動(dòng)缺乏研究。

本文采用通用流體軟件STAR-CD對(duì)某款滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)內(nèi)油和氣的分布和流場(chǎng)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了四種優(yōu)化吐油率的方案，并對(duì)整機(jī)進(jìn)行了CFD分析，對(duì)比四種方案的優(yōu)劣，最后通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證優(yōu)化的正確性。

2 計(jì)算模型

2.1 物理模型的建立及網(wǎng)格劃分

采用公司某款壓縮機(jī)為研究對(duì)象，壓縮機(jī)內(nèi)部流體區(qū)域進(jìn)行建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖1所示，這里并沒有考慮泵油系統(tǒng)部分。計(jì)算按非定常計(jì)算進(jìn)行，求解的方程式三維不可壓縮的N-S方程，湍流模型采用RNG k-ε模型，壁面按標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，兩相流模型采用VOF模型，潤(rùn)滑油按牛頓流體來考慮。

圖1 壓縮機(jī)網(wǎng)格模型Fig.1 Compressormesh model

2.2 計(jì)算工況及邊界條件

采用標(biāo)準(zhǔn)工況，進(jìn)出口均采用壓力邊界條件，如圖2所示；入口油的體積分?jǐn)?shù)按0.2%給定，運(yùn)行頻率為90Hz。入口是指上法蘭排氣口，出口是指壓縮機(jī)排氣管排氣口。輕流體采用R410a，重流體為FV50S。

圖2 計(jì)算壓力邊界Fig.2 Pressure boundaries

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3是壓縮機(jī)內(nèi)部速度矢量圖，從圖中可以看出，在上、下腔由于轉(zhuǎn)子平衡塊的影響流場(chǎng)比較混亂，沒有明顯的規(guī)律，也沒有回油通道。下腔形成渦流，這個(gè)主要是由轉(zhuǎn)子下端面的旋轉(zhuǎn)和平衡塊的擾動(dòng)形成的；上腔在殼體附近也形成了渦流，說明油和氣在這里相互作用，油滴積聚增大，增大的油滴在自身的重力作用下沿著殼體的表面向下移動(dòng)。

圖3 壓縮機(jī)內(nèi)部速度矢量圖Fig.3 Velocity vector plot of compressor

圖4是壓縮機(jī)內(nèi)部油氣兩相分布云圖，從圖中可以看出，油主要是通過定子與殼體之間的間隙進(jìn)入到電機(jī)上腔。經(jīng)過1s后，上腔的流場(chǎng)發(fā)展不是很充分，由于油氣混合物主要是從定子切邊進(jìn)入到上腔，會(huì)造成切邊過流斷面流體速度大，增大了下降油滴的擾流阻力，從而油滴下降的數(shù)量減少，回油率低。

基于以上的分析，優(yōu)化吐油率著重從以上幾個(gè)方面進(jìn)行，改進(jìn)的方案如圖5所示。

方案1：阻止油直接從排氣管排出，增加擋油效果，在上腔增加一個(gè)擋油板；

方案2：減少通過主軸承螺旋槽和油池進(jìn)入上腔的油量，在主平衡塊處增加一個(gè)擋油板；

方案3：為了減小氣隙處的速度，增大定子流通孔面積，并在轉(zhuǎn)子上開流通孔；

方案4：為了造成從轉(zhuǎn)子流通孔主要上油的通道，在方案3的基礎(chǔ)上在上腔增加雙層擋油板。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

圖4 壓縮機(jī)內(nèi)部油分布云圖Fig.4 Contour plot of lubricating oil

為了明確各方案中的流場(chǎng)和油氣分布情況，圖6列出了各方案的速度矢量圖和油氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖。

方案1上腔被擋油板分為兩部分，流體進(jìn)入上腔的通道只有定子流通孔和定轉(zhuǎn)子間隙，上腔的油大部分積聚在殼體附近及擋油板上端，回油通道不明確；下腔部分受主平衡塊的擾動(dòng)使油面波動(dòng)較為明顯，部分油池的油進(jìn)入到下腔，下腔氣體的含油率略小于上法蘭排氣含油率。

方案2中流體進(jìn)入到上腔的通道與方案1一樣，由于方案2中翻邊擋油板比主平衡塊高了約3.5倍，對(duì)下腔流場(chǎng)的擾動(dòng)較小，油面波動(dòng)沒有計(jì)算那么明顯，下腔氣體的含油率比方案1要小，因?yàn)樯锨粵]有擋油板的遮擋，進(jìn)入到上腔的油相對(duì)于方案1而言更容易進(jìn)入到排氣管，但回油通道也不明確。

圖5 四種方案壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Four improvement schemes

方案3中油氣混合物主要是通過定子切邊和轉(zhuǎn)子流通孔進(jìn)入到上腔，經(jīng)過1s后上腔的油量還是很少。上腔的流場(chǎng)相對(duì)于方案1分布沒有明顯的規(guī)律性，總之比較混亂，這是因?yàn)闆]有添加擋油板的原因。因?yàn)槎紱]有擋油板，所以方案2和方案3的上腔油的體積分?jǐn)?shù)分布比較零散，油只能在自身的重力作用下回到油池，加上由于氣流向上流動(dòng)的剪切力，這樣的回油量很明顯是比較少的。

方案4中增加了雙層擋油板，從速度矢量圖上看，油主要是通過轉(zhuǎn)子流通孔進(jìn)入上腔，在壓縮機(jī)截面油量分布上體現(xiàn)為轉(zhuǎn)子流通孔處油量分布較多且比較均勻，油在轉(zhuǎn)子擋油板1的油板的離心作用下沿與線包接近相切的方向進(jìn)入上腔，在經(jīng)過上腔的線包時(shí)發(fā)生流動(dòng)分離，一部分經(jīng)過定子流通孔回到油池，一部分進(jìn)入到排氣管。同時(shí)，從圖7可看到，擋油板在高速旋轉(zhuǎn)中，擋油板2下面形成一個(gè)比周邊壓力都要低的低壓，從而增大了下腔和擋油板下方的壓差，有利于油氣混合物向上流動(dòng)，這也是油主要通過轉(zhuǎn)子流通孔進(jìn)入上腔的原因。

圖8是四種方案電機(jī)截面油量監(jiān)測(cè)曲線圖，坐標(biāo)參量無因次化。其中，方案1和方案2的定轉(zhuǎn)子間隙都有間斷的回油，并且油流量曲線比較接近，說明在上腔或者主平衡塊處安裝擋油板對(duì)壓縮機(jī)的回油影響不明顯。但是它影響了定子流通孔的油量，方案1的油量要明顯大于方案2的油量，這是因?yàn)橹髌胶鈮K處的擋油板阻止了部分油氣混合物的上升。

方案3中定轉(zhuǎn)子間隙處于間斷的回油狀態(tài)，但是流量不大，油主要是通過定子切邊和轉(zhuǎn)子流通孔進(jìn)入上腔，這一點(diǎn)與前面的分析吻合。方案4油主要是通過轉(zhuǎn)子流通孔進(jìn)入到上腔，定子流通孔、定子切邊和定轉(zhuǎn)子間隙都基本上處于回油狀態(tài)。對(duì)比兩個(gè)方案出口的排油率，方案4明顯低于方案3，進(jìn)一步驗(yàn)證前面分析的正確性，確認(rèn)方案4為壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

4 試驗(yàn)分析

經(jīng)過測(cè)試，方案4的吐油率比原方案在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都有很大的降低。圖9是優(yōu)化前后壓縮機(jī)的吐油率試驗(yàn)曲線，經(jīng)過優(yōu)化后的吐油率小于0.5%，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)論

原方案的吐油率較大，通過在上腔增加擋油板、主平衡塊處分別加擋油板、增加轉(zhuǎn)子流通孔和定子流通孔、增加雙層擋油板和轉(zhuǎn)子定子流通孔四種方案，得出前三種方案對(duì)吐油率的影響不明顯，主要表現(xiàn)為壓縮機(jī)內(nèi)部沒有明顯的回油通路，而增加雙層擋油板能很大程度的降低壓縮機(jī)的吐油率。

圖6 四種方案的速度矢量圖和油氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.6 Velocity vector and Contour plots of lubricating oil-gas of four schemes

圖7 方案4壓力云圖剖面Fig.7 Pressure contour of the forth scheme

圖9 優(yōu)化前、后吐油率曲線Fig.9 OCR curves between original and optimization schemes

圖8 四種案電機(jī)截面油流量監(jiān)測(cè)曲線Fig.8 Motor cut area oil flux transformation curves of different schemes

通過分析壓縮機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)情況，得出油的流場(chǎng)情況：雙層擋油板中，擋油板2在高速旋轉(zhuǎn)下在擋油板下面會(huì)形成一個(gè)低壓，這樣有利于油氣混合物從轉(zhuǎn)子流通孔進(jìn)入上腔，然后油在擋油板1的離心作用下沿與線包接近相切的方向進(jìn)入上腔，在經(jīng)過上腔的線包時(shí)發(fā)生流動(dòng)分離，一部分經(jīng)過定子流通孔回到油池，一部分進(jìn)入到排氣管。然后試驗(yàn)證明這也是最優(yōu)的降低壓縮機(jī)吐油率的方法，樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明優(yōu)化后的吐油率小于0.5%，遠(yuǎn)小于原方案的吐油率，CFD方案能為實(shí)際的設(shè)計(jì)提供有用的指導(dǎo)。

［1］Paul Bushnell，Oil dropletgeneration and control in rolling piston type compressor.International Compressor Engineering Conference at Purdue，1998：335-340

［2］KyungkiMin，Insoo Hwang，Oil Circulation Rate in Rotary Compressor：Its Measurement and Factors Affecting the Rate.International Compressor Engineering Conference at Purdue，2000：269-274

［3］Kamal Sharma et al，CFD Analysis of Discharge Gas Flow in Rotary Compressor for OCR Reduction.International Compressor Engineering Conference at Purdue，2010：1224，1-7

［4］Liying Deng et al，CFD Analysis of Oil Discharge Rate in Rotary Compressor.International Compressor Engineering Conference at Purdue，2012：1202，1-7

［5］TakeshiOgata et al，Reduction of Oil Discharge for Rolling Piston Compressor Using CO2Refrigerant.International Compressor Engineering Conference at Purdue，2006：C095，1-7

Optim ization Analysis of Oil Circulation Rate in Rotary Com pressor Base on CFD

YANG Guomang1，DENG Liying2，LIANG Shebing2，ZHANG Jian1，XU Jia2，HU Yusheng2
（1.Compressor and Motor Institute of Gree Electric Appliance，Inc.of Zhuhai，Zhuhai，519070，China. 2.National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment，Zhuhai，519070，China）

Numerical simulations is applied to gas-oil flow analysis in a rotary compressor oil，revealing its interior has no obvious returned oil channel.Then，adding the oil baffle plate up and down of the rotor，increasing the rotor vent hole and stator venthole and adding double oil baffle plate based on increasing the rotor venthole and stator vent hole are used to reduce the OCR，finding that the last solution，adding double oil baffle plate and ventholes of rotor and stator，canmake the rotor ventholes becomemain oil passage，then oil and gas are separated by centrifugal caused by oil plate，a part of the oil returns to the oil tank through the stator cut area.Finally，Prototype compressor is built-up to compare the original design，test results shows that，OCR during thewhole frequency range can be controlled within 0.5%，reaching the design requirement.

Rotary compressor；OCR；Numerical simulation；Optimization；VOF

TB652；TH457［文獻(xiàn)標(biāo)示碼］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.016

ISSN1005-9180（2015）03-084-07

2015-2-28；

2015-4-5

楊國(guó)蟒（1984-），男，工程師，主要從事制冷壓縮機(jī)設(shè)計(jì)與研究。Email：guomang_yang@163.com