渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)外壁面強(qiáng)化傳熱研究*

周新華，肖必宏，戴 明，鄧 捷，楊乃贊，李海生

(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031； 2.上海鐵路局徐州供電段 工程科，江蘇 徐州 221000； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

渦旋壓縮機(jī)作為一種新型的容積式壓縮機(jī)，因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1-2]，尤其是在制冷和空調(diào)領(lǐng)域，渦旋壓縮機(jī)的應(yīng)用最為廣泛和成熟[3]。其應(yīng)用主要涉及柜式空調(diào)全封閉制冷壓縮機(jī)、窗式空調(diào)小功率壓縮機(jī)、汽車(chē)和列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)等。

在渦旋壓縮機(jī)的工作過(guò)程中，絕熱壓縮過(guò)程使得壓縮腔內(nèi)溫度升高[4-6]，大量熱量聚集在渦旋盤(pán)內(nèi)，會(huì)直接導(dǎo)致動(dòng)、靜渦旋盤(pán)受熱產(chǎn)生熱變形[7]，進(jìn)而引起壓縮介質(zhì)的泄漏量增大，壓縮機(jī)工作效率及整體性能降低，動(dòng)、靜渦旋盤(pán)及渦旋齒之間的磨損加劇，降低壓縮機(jī)的使用壽命[8-9]。

李海生等[10]借助紅外熱成像原理，研究了渦旋盤(pán)的溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)變化規(guī)律。梁高林[11]對(duì)渦旋壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣進(jìn)行了研究，提高了壓縮機(jī)的排氣量。王俊亭等人用熱電阻測(cè)量了各孔中不同齒高處的溫度，并用最小二乘法進(jìn)行了線(xiàn)性擬合，用Gnielinski公式和Dittus-Boelter公式進(jìn)行了換熱系數(shù)的計(jì)算。劉強(qiáng)等人[12]在考慮溫度載荷的情況下，對(duì)渦旋壓縮機(jī)漸變壁厚渦旋齒進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，獲得了其工作特性，有利于指導(dǎo)壓縮機(jī)的工程設(shè)計(jì)。彭斌等人[13]開(kāi)展了無(wú)油渦旋壓縮機(jī)渦旋盤(pán)的研究，獲得了渦旋盤(pán)熱載荷作用下的應(yīng)變，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證。陳玉坤[14]在考慮噴水的工況下，對(duì)渦旋壓縮機(jī)氣液流動(dòng)與傳熱特性進(jìn)行了研究，獲得了氣液流動(dòng)傳熱過(guò)程的機(jī)理。

由上述文獻(xiàn)可以看出，渦旋壓縮機(jī)傳熱受到了廣泛關(guān)注，研究者們通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)的手段，力圖掌握壓縮機(jī)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。但目前針對(duì)散熱翅片結(jié)構(gòu)方面的研究較少。由于渦旋壓縮機(jī)動(dòng)盤(pán)位于機(jī)殼內(nèi)部[15]，且組件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，無(wú)論測(cè)量、改裝及優(yōu)化都較難實(shí)現(xiàn)，并且可能會(huì)對(duì)渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)精度造成一定程度的破壞。散熱翅片是靜盤(pán)端面向外傳熱的主要方式，其結(jié)構(gòu)形狀將會(huì)影響傳熱過(guò)程[16-17]。因此，在渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)進(jìn)行強(qiáng)化傳熱，可以考慮優(yōu)化靜盤(pán)外散熱翅片的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓縮腔內(nèi)溫度的快速傳出，從而達(dá)到降低動(dòng)、靜盤(pán)、壓縮腔內(nèi)溫度的目的，以便減小動(dòng)、靜盤(pán)嚙合處的間隙變化，提高渦旋壓縮機(jī)工作效率，延長(zhǎng)其使用壽命。

筆者使用有限元分析的方法，對(duì)各壓縮角度下不同形狀翅片的靜盤(pán)進(jìn)行分析，獲得不同情況下渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)在溫度載荷下的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)變及熱變形，從而得出渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)外壁面強(qiáng)化傳熱較優(yōu)的翅片結(jié)構(gòu)方案。

1 模型的建立

考慮到對(duì)靜盤(pán)溫度載荷的加載方式，筆者在建立模型時(shí)，增加了動(dòng)渦旋齒分割線(xiàn)以及壓縮腔內(nèi)等角度分割線(xiàn)，便于將壓縮腔內(nèi)溫度細(xì)化后加載于所建立靜盤(pán)模型上，能夠獲得更加精確的計(jì)算結(jié)果。

另外，在劃分動(dòng)渦旋齒分割線(xiàn)時(shí)，由于動(dòng)靜渦旋齒嚙合各角度不同，需對(duì)動(dòng)渦旋齒型線(xiàn)的角度進(jìn)行對(duì)應(yīng)變更，按主軸轉(zhuǎn)角生成0°、180°角度下的動(dòng)渦旋齒型線(xiàn)分割線(xiàn)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)外壁面散熱翅片均為直線(xiàn)型散熱翅片。增大散熱翅片的散熱面積能夠有效地強(qiáng)化傳熱，而增大散熱翅片的弧度能盡可能地增加傳熱面積。因此，根據(jù)翅片傳熱理論，筆者采用圓弧形散熱翅片。

1.1 模型參數(shù)

弧形散熱翅片以靜盤(pán)外壁面中心排氣口中心部位為起點(diǎn)，弧形翅片外廓所在正圓以靜盤(pán)外壁面半徑為直徑，截取所需圓弧段為弧形翅片外廓，做厚度為4 mm的圓弧形散熱翅片。

筆者以商用的渦旋壓縮機(jī)AEW15A-0.8為研究對(duì)象。該壓縮機(jī)的動(dòng)齒與靜齒的幾何參數(shù)相同，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算獲得的參數(shù)如表1所示。

表1 渦旋壓縮機(jī)模型的基本尺寸

根據(jù)實(shí)際測(cè)量的渦旋壓縮機(jī)動(dòng)靜盤(pán)部件的基本尺寸，筆者建立等翅片數(shù)的直形翅片模型。建立好的弧形、直形翅片靜盤(pán)模型如圖1所示。

圖1 靜盤(pán)幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

筆者采用ANSYS Workbench作為渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)傳熱的有限元分析軟件，根據(jù)所建立的模型的幾何尺寸，結(jié)合實(shí)際情況，手動(dòng)將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為邊長(zhǎng)4 mm的三角形網(wǎng)格，再利用Workbench自動(dòng)網(wǎng)格生成功能生成網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)為180 752，節(jié)點(diǎn)數(shù)為192 013，齒根到齒頂方向?yàn)樽鴺?biāo)軸z軸正方向。

1.3 邊界條件的施加

研究渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)的溫度場(chǎng)分布、熱應(yīng)變及熱變形情況，需要先對(duì)靜盤(pán)作熱—結(jié)構(gòu)耦合分析。筆者在ANSYS界面中，添加熱分析模塊與結(jié)構(gòu)分析模塊。對(duì)靜盤(pán)的分析分為穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析，因此，首先需要添加穩(wěn)態(tài)熱分析模塊，并將其關(guān)聯(lián)所建立模型；接著添加穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊與穩(wěn)態(tài)分析模塊相關(guān)聯(lián)；然后再添加瞬態(tài)熱分析模塊與穩(wěn)態(tài)熱分析模塊關(guān)聯(lián)，共享其溫度載荷；最后添加瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊，關(guān)聯(lián)瞬態(tài)熱分析模塊。

2 靜盤(pán)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程中，動(dòng)盤(pán)圍繞靜盤(pán)公轉(zhuǎn)，使得壓縮腔容積不斷縮小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的壓縮。壓縮過(guò)程導(dǎo)致氣體溫度上升，使渦旋盤(pán)溫度升高，熱變形增大。渦旋盤(pán)受熱變形則會(huì)引起壓縮腔內(nèi)氣體的泄漏、渦旋齒之間的磨損及碰撞，造成渦旋壓縮機(jī)的工作效率降低和使用壽命減少。因此，降低渦旋盤(pán)變形對(duì)提高渦旋壓縮機(jī)性能具有重要的意義。

由于動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)及位置的特殊性，沒(méi)有直接降溫的措施，筆者采用對(duì)靜盤(pán)強(qiáng)化散熱的方式降低壓縮腔內(nèi)溫度，使渦旋盤(pán)所受熱應(yīng)力減小，間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)盤(pán)的降溫。不同的散熱翅片形狀對(duì)靜盤(pán)強(qiáng)化散熱的效果均不相同，筆者選取渦旋壓縮機(jī)動(dòng)盤(pán)公轉(zhuǎn)一周中的4個(gè)角度作穩(wěn)態(tài)熱分析，對(duì)比得出較優(yōu)的散熱翅片結(jié)構(gòu)。

直形翅片一直以來(lái)都是渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)外壁面強(qiáng)化散熱的基本結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易鑄造等優(yōu)點(diǎn)。筆者所設(shè)計(jì)的弧形翅片具有散熱面積大的優(yōu)點(diǎn)，并且翅片能夠連接溫差更大的2個(gè)壓縮腔，從而增大傳熱速率。同時(shí)，因?yàn)殍T鐵擁有較好的延展性以及可塑性，且其耐磨性和切削加工性能良好，一般被作為制造渦旋壓縮機(jī)主要材料。

筆者對(duì)直形和弧形翅片的靜盤(pán)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。其中，材料選用鑄鐵作為實(shí)驗(yàn)材料，得到0°、180°角度下的溫度場(chǎng)分布情況。

材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

0°角時(shí)，弧形、直形兩種散熱翅片靜盤(pán)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)如圖2所示。

圖2 0°角弧形和直形翅片靜盤(pán)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

由圖2的對(duì)比得知：弧形翅片高溫區(qū)和低溫區(qū)范圍減小，30 ℃～90 ℃溫度范圍增大。由此可知，弧形翅片可以從中心排氣口向靜盤(pán)外圍傳遞更多的熱量，使得靜盤(pán)中心與外圍的溫差減小，溫度分布更加均勻，從而使熱應(yīng)力減小，中心與外圍變形量減小。

筆者經(jīng)過(guò)靜盤(pán)中心點(diǎn)作水平和豎直方向的路徑，在此基礎(chǔ)上提取出不同靜盤(pán)水平、豎直方向上的溫度值，并按照不同形狀翅片靜盤(pán)的溫度差，繪制折線(xiàn)圖。

0°、180°旋轉(zhuǎn)角時(shí)，靜盤(pán)外壁面水平方向的穩(wěn)態(tài)溫度差折線(xiàn)如圖3所示。

圖3 靜盤(pán)外壁面水平方向的穩(wěn)態(tài)溫度差

由鑄鐵弧形翅片靜盤(pán)在水平路徑上的溫度與鑄鐵直形翅片靜盤(pán)在水平路徑上的溫度之差，繪制的折線(xiàn)圖如圖3(a)所示。圖中顯示，弧形翅片靜盤(pán)與直形翅片靜盤(pán)水平方向上的溫度差基本分布在0 ℃以上，即在水平方向上。由此可見(jiàn)，弧形翅片靜盤(pán)溫度較相同位置的直形翅片靜盤(pán)溫度高。

在靜盤(pán)豎直方向相同位置處，兩種翅片的溫度差如圖4所示。

圖4 靜盤(pán)外壁面豎直方向的穩(wěn)態(tài)溫度差

同時(shí)在相同距離處，豎直方向的溫度差要小于水平方向的溫度差，也就是說(shuō)，在水平方向上，弧形翅片靜盤(pán)傳熱速度較直形翅片靜盤(pán)要快。

由圖4可得：主軸旋轉(zhuǎn)角在0°、180°角度下，弧形翅片靜盤(pán)穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)分布均較直形翅片靜盤(pán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)均勻，并且弧形翅片靜盤(pán)的中心黑色區(qū)域以及非中心黑色區(qū)域小于直形翅片靜盤(pán)，從而可以推斷，弧形翅片靜盤(pán)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布較直形翅片靜盤(pán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布均勻；

并且從4個(gè)角度下水平/豎直方向的溫度差可以看出，弧形翅片靜盤(pán)在相同位置處的溫度都高于直形翅片的溫度，從而可以推斷，弧形翅片靜盤(pán)的傳熱效果較直形翅片靜盤(pán)更優(yōu)。

3 靜盤(pán)的熱變形與熱應(yīng)變

通常，在材料屬性相同的情況下，溫度場(chǎng)分布情況在一定程度下能夠大致反映出變形的規(guī)律，這是由于熱變形與材料的比熱容和熱膨脹系數(shù)有關(guān)?？墒怯捎跍囟忍荻容^大，弧形翅片靜盤(pán)與直形翅片靜盤(pán)在相同位置處的溫度差一般都在2 ℃內(nèi)，溫度場(chǎng)的分布情況無(wú)法清晰直觀地反映出變形的規(guī)律。

因此，筆者在研究溫度場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，必須通過(guò)軟件模擬來(lái)研究不同翅片規(guī)格靜盤(pán)的變形情況。

3.1 靜盤(pán)熱變形

主軸旋轉(zhuǎn)角0°角時(shí)，鑄鐵材料的直形、弧形兩種散熱翅片靜盤(pán)的軸向熱變形在靜盤(pán)中心的截面，如圖5所示。

圖5 在0°角不同翅片靜盤(pán)穩(wěn)態(tài)熱變形截面圖

從圖5可以看出：在熱載荷下，靜盤(pán)排氣口處向內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生熱變形，同時(shí)靜盤(pán)向外圍產(chǎn)生徑向變形；靜盤(pán)的最大熱變形發(fā)生在中心排氣口處，渦旋齒側(cè)發(fā)生在齒頂位置。

為了更直觀地體現(xiàn)各靜盤(pán)模型在軸向和徑向的變形量，可以采用折線(xiàn)圖的方式表示變形量。

不同旋轉(zhuǎn)角時(shí)，安裝兩種翅片靜盤(pán)外壁面在水平方向路徑的變形量如圖6所示。

圖6 不同翅片靜盤(pán)外壁徑向穩(wěn)態(tài)熱變形

從圖6可以看出：不同形狀翅片靜盤(pán)水平路徑上的變形量都呈“幾”形，安裝弧形翅片靜盤(pán)在外壁面徑向方向上的變形較安裝直形翅片靜盤(pán)的變形平緩。

弧形翅片靜盤(pán)的最大總變形量約為8.7 μm，其中在渦旋齒側(cè)的最大變形量約為6.4 μm，在外壁面的最大變形量約為2.3 μm；直形翅片靜盤(pán)的最大總變形量約為98.8 μm，其中在渦旋齒側(cè)的最大變形量約為74.4 μm，在外壁面的最大變形量約為27.4 μm。

對(duì)比弧形翅片靜盤(pán)和直形翅片靜盤(pán)的熱變形可知，弧形翅片靜盤(pán)的變形量明顯小于直形翅片靜盤(pán)的變形量。由于圖6橫坐標(biāo)為靜盤(pán)外壁面的徑向方向的長(zhǎng)度，橫坐標(biāo)能夠直觀反映靜盤(pán)外壁面的徑向路徑。

圖6中，100 mm～150 mm處為靜盤(pán)中心排氣口法蘭位置，該部位變形量較大，直形翅片靜盤(pán)與弧形翅片靜盤(pán)變形差距小；在50 mm與150 mm處，弧形翅片靜盤(pán)變形量明顯小于直形翅片靜盤(pán)變形量，二者相差約一個(gè)數(shù)量級(jí)，直形翅片靜盤(pán)在50 mm與150 mm位置的相對(duì)變形量較大。

主軸在不同旋轉(zhuǎn)角下，弧形翅片靜盤(pán)的最大總變形量與渦旋齒側(cè)和外壁面各部分的最大變形量，均明顯小于直形翅片的變形量。

3.2 靜盤(pán)熱應(yīng)變

因?yàn)殪o盤(pán)的熱應(yīng)變是靜盤(pán)上各部分變形量與原尺寸之比，能夠反映出在熱載荷下靜盤(pán)各部分變形量的規(guī)律。

180°角下，鑄鐵材料的弧形和直形翅片靜盤(pán)的穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)變截面如圖7所示。

圖7 180°角下鑄鐵材料的弧形和直形翅片靜盤(pán)的穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)變截面

180°角下，靜盤(pán)外壁面徑向穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。

圖8 180°角靜盤(pán)外壁面徑向穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)變

圖8顯示，弧形翅片靜盤(pán)的熱應(yīng)變數(shù)值較直形翅片靜盤(pán)的熱應(yīng)變數(shù)值??；同時(shí)，在相同數(shù)值熱應(yīng)變下，弧形翅片靜盤(pán)范圍較直形翅片熱應(yīng)變范圍廣，即弧形翅片靜盤(pán)的熱應(yīng)變分布較直形翅片靜盤(pán)均勻平緩。

在散熱翅片規(guī)格方面，弧形翅片靜盤(pán)的溫度場(chǎng)較直形翅片溫度場(chǎng)分布均勻，中心排氣口高溫區(qū)范圍較直形翅片靜盤(pán)大，靜盤(pán)外圍低溫區(qū)范圍較直形翅片靜盤(pán)小，即靜盤(pán)排氣口高溫能更高效地傳導(dǎo)至靜盤(pán)外圍；弧形翅片靜盤(pán)的熱變形量小于直形翅片靜盤(pán)熱變形量。

由此可見(jiàn)，熱應(yīng)變計(jì)算結(jié)果與熱變形計(jì)算結(jié)果一致。

綜上所述，渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)穩(wěn)態(tài)傳熱情況下，弧形翅片靜盤(pán)的散熱效果要優(yōu)于直形翅片靜盤(pán)。在散熱翅片結(jié)構(gòu)方面，弧形翅片靜盤(pán)在傳熱效果、溫度場(chǎng)分布及熱變形方面均優(yōu)于直形翅片靜盤(pán)，具體表現(xiàn)在：

(1)溫度從中心排氣口傳到靜盤(pán)外圍速度快；

(2)同樣時(shí)長(zhǎng)的情況下，弧形翅片靜盤(pán)的熱量傳遞范圍大于直形翅片靜盤(pán)；

(3)弧形翅片靜盤(pán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布較直形翅片靜盤(pán)均勻；

(4)弧形翅片受熱軸向變形量在正反兩方向上均小于直形翅片。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者使用有限元分析法，對(duì)渦旋壓縮機(jī)各壓縮角度下不同形狀翅片的靜盤(pán)進(jìn)行了分析，得到了不同情況下，渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)在溫度載荷下的溫度場(chǎng)、熱變形及熱應(yīng)變結(jié)果，主要結(jié)論如下：

(1)渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)內(nèi)側(cè)溫度分布類(lèi)似于線(xiàn)性分布，由靜盤(pán)外圍進(jìn)氣口處向靜盤(pán)內(nèi)側(cè)排氣口處溫度近似呈線(xiàn)性升高，因此可利用渦旋壓縮機(jī)溫度計(jì)算理論求得各腔溫度，然后將溫度以線(xiàn)性的方式加載到模型中；

(2)在對(duì)不同規(guī)格渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)作模擬計(jì)算分析時(shí)，將溫度線(xiàn)性加載后，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，可以得到不同規(guī)格靜盤(pán)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布以及其熱變形與熱應(yīng)變結(jié)果，該結(jié)果能夠反映出不同規(guī)格的渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)在溫度場(chǎng)分布和熱應(yīng)變及熱變形方面的差異，以便能夠得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)選擇；

(3)不同翅片形狀的渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)，在傳熱效果、溫度場(chǎng)分布以及熱變形方面有著明顯的差異。