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    無油雙渦圈空氣渦旋壓縮機的數(shù)值模擬及試驗研究

    2022-06-07 01:31:44朱兵國
    上海交通大學(xué)學(xué)報 2022年5期

    無油渦旋壓縮機是一種新型的容積式渦旋機械,其具有結(jié)構(gòu)簡單和工作部件少等優(yōu)點.目前,應(yīng)用于實際場合的大多為等截面單渦旋齒壓縮機.隨著渦旋壓縮機的應(yīng)用需求逐漸向大排氣量方向發(fā)展,單一的優(yōu)化和改進單渦旋齒壓縮機已經(jīng)無法滿足實際工程的需求,因此雙渦旋齒壓縮機逐漸受到了研究者的青睞.由于單渦旋齒壓縮機和雙渦旋齒壓縮機的運行原理以及工作過程基本一致,所以可借鑒單渦旋齒壓縮機的研究方法和理論對其進行研究和分析.

    從已有的文獻可以看出,目前對于雙渦旋齒壓縮機的研究大多只是集中在對其型線和幾何模型的研究.文獻[3-4]發(fā)現(xiàn)相較于單渦圈壓縮機,雙渦圈壓縮機工作腔內(nèi)部的傳熱特性更加復(fù)雜,并提出了多齒頭型線嚙合的基本準則. 文獻[5]建立了雙渦旋齒壓縮機的熱力學(xué)模型,并定量分析了基圓半徑等基本幾何參數(shù)對壓縮機性能的影響. 文獻[6]基于計算流體動力學(xué)(CFD)方法,建立了渦旋壓縮機二維非穩(wěn)態(tài)流動和傳熱的熱力學(xué)模型,分析發(fā)現(xiàn)在工作腔內(nèi)除壓力外其他的性能參數(shù)都有著較強的空間分布特性. 文獻[7-9]基于CFD方法發(fā)現(xiàn)由于動渦旋齒對進排氣口的影響,氣體在進出口均存在氣流脈動現(xiàn)象. 文獻[10]發(fā)現(xiàn)在渦旋壓縮機的兩個中心腔之間存在著壓力差,由于動渦旋齒會周期性的遮蔽排氣口,所以出口質(zhì)量流量存在著明顯的波動趨勢. 文獻[11-12]提出了一種新的結(jié)構(gòu)化動網(wǎng)格(SDM)生成方法,通過SDM可以生成高質(zhì)量的流體域網(wǎng)格,并通過等距曲線法建立了3種不同齒頭修正下渦旋壓縮機齒頭完全嚙合的幾何模型,并通過CFD方法數(shù)值模擬分析了這3種幾何模型在相同吸氣流量下排氣壓力的變化規(guī)律. 文獻[13]對渦旋壓縮機進行了二維非定常流動的數(shù)值模擬,并建立了一個新的包括Nusselt數(shù)泄漏模型的熱力學(xué)模型. 文獻[14]通過對渦旋壓縮機的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)由于排氣口的設(shè)置,在中心腔的兩個腔室之間存在著壓力差. 文獻[15]采用基于粒子群算法的程序結(jié)合CFD方法對渦旋壓縮機的基本幾何參數(shù)進行了優(yōu)化和分析,發(fā)現(xiàn)工作腔的形狀、尺寸和理論壓縮比都對壓縮機的性能有著一定的影響. 文獻[16]利用中線法設(shè)計了一種新的不對稱雙渦圈渦旋壓縮機,并對其進行了三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后壓縮機能夠有效的提高排氣量和內(nèi)容積比. 然而在已有的研究中大都是通過單一的數(shù)學(xué)模型或數(shù)值模擬方法,對雙渦圈渦旋壓縮機進行理論研究和分析,并未將數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合來綜合評價渦旋壓縮機的輸出性能.

    本文以一種無油雙渦旋齒渦旋壓縮機為研究對象,分析和比較了單雙渦旋齒壓縮機工作腔容積以及容積效率的變化規(guī)律;基于CFD方法對壓縮機工作腔內(nèi)部流場進行了三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,分析和研究了變工況下工作腔內(nèi)流體溫度、壓力和速度的變化規(guī)律;通過所搭建的渦旋壓縮機試驗平臺驗證了數(shù)值模擬的準確性,對無油雙渦圈壓縮機的改進和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義.

    1 數(shù)學(xué)模型

    1.1 幾何模型

    研究和試驗所用樣機的渦旋齒型線由圓漸開線構(gòu)成,其基本幾何參數(shù)如表1所示.其中:為基圓半徑;為漸開線發(fā)生角;為渦旋齒齒厚;為渦旋齒齒高;為漸開線起始角;為漸開線結(jié)束角.

    ..雙渦旋齒壓縮機的運行原理 圖1所示為雙渦旋齒壓縮機工作原理圖,無填充色的為動渦旋齒,有填充色的為靜渦旋齒.圖1(a)為壓縮機的初始時刻,即主軸轉(zhuǎn)角()為0°,此時渦旋壓縮機的第1組工作腔吸氣結(jié)束;隨著主軸的不斷轉(zhuǎn)動,壓縮機第2組工作腔開始吸氣,同時第1組工作腔開始壓縮過程,當主軸轉(zhuǎn)到90°時,第2組工作腔吸氣結(jié)束;當?shù)?組工作腔吸氣結(jié)束時,第1組工作腔排氣結(jié)束,此時主軸轉(zhuǎn)角為270°;當主軸轉(zhuǎn)角為360°時,第1組工作腔完成吸氣,開始第2個循環(huán)壓縮;在雙渦旋齒壓縮機的一個工作周期,同時進行著4次吸氣、壓縮和排氣過程.

    分析:上述句子的中心詞前是單一的定語(“個人”和“社會環(huán)境”),漢英定語的語序相同,定語individual and contextual置于所修飾名詞factors之前。

    壓縮腔容積:

    出血量超過100 ml時切口放置負壓引流管1根。術(shù)后常規(guī)預(yù)防性應(yīng)用抗生素48 h。小劑量地塞米松靜滴,5 mg/d,連續(xù)2 d。麻醉蘇醒后即囑患者主動行雙踝關(guān)節(jié)背伸及被動雙下肢直腿抬高。24 h引流量<50 ml時拔除引流管。術(shù)后第1~3 d佩帶腰圍下床活動,3周后開始腰背肌、腹肌功能鍛煉。

    雙渦旋齒壓縮機的動渦旋齒可以看做是由一條單渦旋齒型線旋轉(zhuǎn)180°所形成的,將動渦旋齒旋轉(zhuǎn)90°可以形成靜渦旋齒;設(shè)OP和OP分別為第1和第2條動渦旋齒,則雙渦旋齒壓縮機的動渦旋齒型線分別如下式所示:

    (1)

    (2)

    式中:下標d1和d3為渦旋齒內(nèi)側(cè)型線,d2和d4為渦旋齒外側(cè)型線.

    1.2 工作腔容積

    通過對比兩組受檢者的檢查、診斷情況發(fā)現(xiàn),放射科在應(yīng)用數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像學(xué)信息系統(tǒng)后質(zhì)量控制情況要顯著優(yōu)于應(yīng)用前,差異存在統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。具體分析見表。

    ..雙渦旋齒幾何結(jié)構(gòu) 試驗樣機和研究樣機的幾何結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.其中:為渦旋齒節(jié)距.

    圖5所示為計算域網(wǎng)格,各計算域網(wǎng)格數(shù)量如表3所示.將由三維軟件所建立的雙渦旋齒壓縮機流體域三維模型導(dǎo)入前處理軟件ICEM中,將整個流體域分為運動區(qū)域和靜止區(qū)域,其中渦旋壓縮機的整個工作腔屬于運動區(qū)域,進排氣管屬于靜止區(qū)域.在劃分運動區(qū)域網(wǎng)格時,先將面網(wǎng)格劃分好,再采用網(wǎng)格拉伸來生成整個工作區(qū)域的網(wǎng)格.流體域面網(wǎng)格由三角形網(wǎng)格構(gòu)成,整個運動區(qū)域網(wǎng)格由非結(jié)構(gòu)化三棱柱體網(wǎng)格構(gòu)成,進氣管和排氣管均由非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格構(gòu)成.

    =

    (-2){--025[5+2(-1)]}

    (3)

    吸氣腔容積:

    (4)

    排氣腔容積:

    =(-2)(4+5π)

    (5)

    式中:為壓縮機第個壓縮腔.

    1.3 容積流量

    渦旋壓縮機的轉(zhuǎn)速和基本幾何參數(shù)對壓縮機的理論容積流量有著極為重要的影響,轉(zhuǎn)速越高理論容積流量也就越大,理論容積流量計算公式如下:

    后現(xiàn)代主義時期的鋼琴曲作品打破一些傳統(tǒng)的常規(guī)的同時,為鋼琴曲的創(chuàng)作開辟了一條新的道路。同時,作為20世紀的鋼琴曲作品引領(lǐng)著以后的鋼琴曲作品走上世界化趨勢。

    ,th=

    (6)

    式中:為壓縮機轉(zhuǎn)速.

    渦旋壓縮機的容積效率不但反映了容積的利用效率,而且還可以用來衡量壓縮機的內(nèi)泄漏程度,其計算公式如下:

    長興縣積極助推發(fā)展壯大村級集體經(jīng)濟(沈振興) ........................................................................................5-49

    =,th

    (7)

    式中:為實測容積流量.

    1.4 討論與分析

    為了分析單雙渦旋齒壓縮機的性能,比較了在相同基本幾何參數(shù)下,壓縮機的基本輸出性能.壓縮機的基本幾何參數(shù)如表2所示,其中:為回轉(zhuǎn)半徑.

    還有就是在現(xiàn)實生活當中,也有通過寫信的方式來表達歉意,這也是行為致歉的一種方式,我們把它叫做書面致歉。當然,一般利用書面致歉這種行為方式來表達歉意時,其過錯的情節(jié)相對比較嚴重。例如,某公安局抓錯人,對其造成了名譽、精神的損失,就必然對該同志書面致歉這種行為來彌補,懇求對方的諒解。若只是不小心撞到了他人,就不必如此麻煩地寫書面的致歉信。

    4.2.1 鄉(xiāng)土材料展現(xiàn)地域文化 通過對當?shù)氐泥l(xiāng)土材料以及廢棄的石板石刻的收集組合,并以新的設(shè)計語言進行表達,以達到能夠組合造景的目的。鄉(xiāng)土材料在表現(xiàn)地域文化上有著得天獨厚的優(yōu)勢,將當?shù)厥占瘉淼慕ㄖU料(磚、瓦、老石板等)組合重構(gòu),建成一段城墻形式的景墻,墻內(nèi)嵌入刻有臨安錢王文化、吳越文化簡介的石板、銹板等,借助鄉(xiāng)土材料表達地域文化[7](圖5)。

    “動員”這一術(shù)語起源于軍事領(lǐng)域,最早由普魯士人克勞塞維茨在他的專著《戰(zhàn)爭論》中提出[8],后由日本人兒玉源太郎從《不列顛百科全書》直譯過來,進而傳入中國。 動員模式是將流動的財力、物力、人力集中起來,通過感召力和情感說服的方式,同時輔以運用權(quán)力的手段,引導(dǎo)社會成員共同參加的一種社會實踐活動。

    2 數(shù)值模擬

    2.1 控制方程

    在渦旋壓縮機的實際工作過程中,工作腔內(nèi)流體運動較為復(fù)雜,因此在數(shù)值模擬時應(yīng)該符合質(zhì)量、動量和能量守恒方程,以上方程表示如下所示.

    質(zhì)量守恒方程:

    課程結(jié)束后對本門課程進行實訓(xùn)考核,考核內(nèi)容為考試大綱規(guī)定的實訓(xùn)內(nèi)容。考核采取隨機抽簽形式。將實訓(xùn)考核結(jié)果、實訓(xùn)報告成績進行統(tǒng)計分析。

    (8)

    動量守恒方程:

    ..壓縮機工作腔容積 單雙渦旋齒壓縮機工作腔容積隨主軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律如圖3所示.其中:為工作腔容積;Δ為單雙渦旋齒壓縮機容積之差.在基本幾何參數(shù)一致時,壓縮機工作腔容積的變化趨勢基本一致,單雙渦旋齒壓縮機的最大吸氣容積之差為4.3×10m.

    (9)

    能量守恒方程:

    (10)

    2.2 網(wǎng)格劃分

    當前用于鉆機絞車的驅(qū)動方式分為兩種,分別為電機驅(qū)動和液壓馬達驅(qū)動[1]。由于用于油氣勘探的鉆機需要在高瓦斯?jié)舛鹊沫h(huán)境下作業(yè),采用電機驅(qū)動的鉆機絞車很有可能產(chǎn)生電火花引起安全事故,因此適用于油氣勘探鉆機的絞車應(yīng)當采用液壓為驅(qū)動方式[2,3]。鉆機絞車減速箱的設(shè)計應(yīng)當滿足小型化的應(yīng)用要求,在滿足小傳動比的前提下,本文通過計算對絞車減速箱進行了優(yōu)化設(shè)計。

    2.3 計算方法及邊界條件

    ..計算方法 在進行渦旋壓縮機三維非穩(wěn)態(tài)流場數(shù)值模擬時,采取動網(wǎng)格中自定義宏命令(UDF)驅(qū)動的方式,選擇DEFINE_CG_MOTION來描述動渦旋齒的運動,動渦盤的速度控制方程如下所示:

    ..容積效率 單雙渦旋齒壓縮機容積效率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖4所示,其中:Δ為單雙渦旋齒壓縮機容積效率之差.在轉(zhuǎn)速低于 2 000 r/min時,雙渦旋齒壓縮機的容積效率一直高于單渦旋齒壓縮機,隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高,單雙渦旋齒壓縮機的容積效率都不再變化.壓縮機在低轉(zhuǎn)速下工作時,由于流體工質(zhì)在工作腔內(nèi)停留的時間相對較長,使得相鄰工作腔之間的質(zhì)量交換量增加,所以降低了壓縮機的容積效率.

    (11)

    式中:為動渦旋齒旋轉(zhuǎn)角速度.

    ..計算模型和邊界條件 渦旋壓縮機在實際工作過程中處于高速狀態(tài)和高溫狀態(tài),選擇重正化群(RNG)理論-湍流模型來描述工作腔內(nèi)的運動,工質(zhì)傳熱采用高階二階迎風(fēng)模式,選擇Piso算法進行仿真計算,結(jié)合試驗結(jié)果設(shè)置如下所示的初始條件: 初始進氣壓力=0.1 MPa,初始進氣溫度=300 K,轉(zhuǎn)速=3 000 r/min,流體工質(zhì)為理想空氣.

    3 分析與結(jié)果

    以渦旋壓縮機進出口質(zhì)量流量的變化趨勢來衡量數(shù)值模擬是否達到了穩(wěn)定狀態(tài),在計算了2個循環(huán)后,工作腔內(nèi)流體的運動已經(jīng)達到了穩(wěn)定狀態(tài),因此以第3個循環(huán)來分析工作腔內(nèi)溫度、壓力和速度變化云圖,以第4和第5個循環(huán)來分析和研究進出口質(zhì)量流量和速度的變化規(guī)律.由于試驗樣機在進行試驗時,測得其排氣壓力=0.8 MPa,所以為了研究和分析變工況下雙渦旋齒壓縮機的進出口質(zhì)量流量和流速的變化規(guī)律,設(shè)置如下工況條件: ① 相同轉(zhuǎn)速=3 000 r/min,不同排氣壓力=0.7, 0.8,0.9 MPa; ② 相同排氣壓力=0.8 MPa,不同轉(zhuǎn)速=2 000,3 000,5 000 r/min.

    無油雙渦旋齒壓縮機的工作腔容積計算公式如下.

    3.1 溫度云圖

    雙渦旋齒壓縮機工作腔內(nèi)工質(zhì)流體溫度云圖的變化規(guī)律如圖6所示,其中:為工作腔內(nèi)溫度.隨著渦旋壓縮機的不斷轉(zhuǎn)動,工質(zhì)流體被不斷地壓縮,工作腔內(nèi)的溫度會逐漸升高;由于內(nèi)泄漏的存在,在相鄰兩個工作腔之間存在著質(zhì)量的交換,會使得溫度在工作腔內(nèi)分布不均勻,相鄰工作腔之間最大溫差為127 K;沿著齒高方向,溫度場分布也并不均勻在, 渦旋齒上最大溫差為161 K.

    3.2 壓力云圖

    渦旋壓縮機工作腔內(nèi)工質(zhì)流體壓力云圖的變化規(guī)律如圖7所示,其中:為工作腔內(nèi)壓力.可知,越靠近中心腔壓力越高,泄漏對工作腔內(nèi)工質(zhì)壓力幾乎沒有太大的影響;在相鄰工作腔之間,最大壓差近0.44 MPa;沿著齒高的方向,壓力分布均勻.

    3.3 速度云圖

    渦旋壓縮機工作腔內(nèi)工質(zhì)流體速度云圖的變化規(guī)律如圖8所示,其中:為工作腔內(nèi)工質(zhì)流速.從圖8中可以看出,越靠近中心腔,工質(zhì)流速越高;由于相鄰工作腔之間存在著內(nèi)泄漏,所以工作腔內(nèi)的流速會存在著差異,速度差值最大為64 m/s;沿著齒高方向,速度分布也不均勻,速度最大差值為 24 m/s.

    3.4 進出口質(zhì)量流量

    雙渦旋齒壓縮機進出口質(zhì)量流量隨主軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律如圖9所示,其中:,in,out分別為進出口質(zhì)量流量;為質(zhì)量流量;入口負值表示壓縮機吸氣,出口正值表示壓縮機排氣.進口最大質(zhì)量流量出現(xiàn)在270°附近,出口最大質(zhì)量流量出現(xiàn)在180°附近.圖9(a)所示為在額定轉(zhuǎn)速下,渦旋壓縮機進出口質(zhì)量流量在兩個工作周期內(nèi)隨主軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律;由于在相鄰工作腔之間存在著質(zhì)量交換,所以出口質(zhì)量流量會大于進口質(zhì)量流量;由于動渦旋齒會周期性的遮蔽排氣口,所以出口質(zhì)量流量的波動變化較大.圖9(b)所示為在額定轉(zhuǎn)速不同排氣壓力時,進出口質(zhì)量流量隨主軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律;當排氣壓力過大時,壓縮機需要克服氣體力逆向做功,因此排氣壓力越大進出口處質(zhì)量流量越小.圖9(c)所示為渦旋壓縮機在相同排氣壓力不同轉(zhuǎn)速時,進出口質(zhì)量流量隨主軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律;轉(zhuǎn)速越高,進出口質(zhì)量流量越大;當轉(zhuǎn)速較低時,由于工質(zhì)流體在壓縮機工作腔內(nèi)停留的時間較長,所以會增加工作腔之間的內(nèi)泄漏量.

    3.5 進出口流速

    無油雙渦旋齒壓縮機進出口流速隨主軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律如圖10所示,其中:和分別為壓縮機進出口流速,進口最大流速出現(xiàn)在270°附近,出口最大流速出現(xiàn)在180°附近.圖10(a)所示為渦旋壓縮機進出口流速在兩個工作周期內(nèi)的變化規(guī)律,由于單渦旋齒會周期性的遮蔽排氣口,所以排氣口速度變化波動較大.圖10(b)所示為渦旋壓縮機在額定轉(zhuǎn)速不同排氣壓力時進出口流速隨主軸轉(zhuǎn)角在一個周期內(nèi)的變化規(guī)律,如圖所示排氣壓力越低進出口流速越高;過大的排氣壓力,會使得壓縮機出口出現(xiàn)回流現(xiàn)象,壓縮機在較高的排氣壓力下工作時,進出口流速都會有所降低.圖10(c)所示為渦旋壓縮機在相同排氣壓力不同轉(zhuǎn)速時,進出口流速隨主軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律.由圖10可知,轉(zhuǎn)速越高進出口流速越高.

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    4 試驗研究

    為了驗證數(shù)值模擬的準確性,搭建了以空氣為工質(zhì)的雙渦旋齒壓縮機試驗測試平臺.試驗測試系統(tǒng)如圖11所示.整個試驗測試系統(tǒng)包括: 渦旋壓縮機組、冷卻裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等.試驗樣機的額定轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min,進氣壓力為0.1 MPa,環(huán)境溫度為22 ℃.

    4.1 排氣流量

    無油雙渦旋齒壓縮機容積流量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖12所示,其中:Δ為容積流量理論與試驗值之差.由圖12可知,隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增加,容積流量隨之而增大,并且容積流量近似呈線性增長,容積流量的理論值大于試驗值;由于在渦旋壓縮機的工作過程中,存在著吸氣損失,所以理論和試驗容積流量會存在著一定差值;在額定轉(zhuǎn)速 3 000 r/min下,理論容積流量為4.258 m/min,試驗容積流量為4.1 m/min.

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    4.2 排氣溫度和噪聲

    無油雙渦旋齒壓縮機排氣溫度和機體噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖13所示,其中:為壓縮機排氣溫度;為壓縮機產(chǎn)生的噪聲.所測排氣溫度為經(jīng)過液體強制冷卻之后的溫度,因此排氣溫差較小只有12 ℃;在轉(zhuǎn)速低于 1 800 r/min時,由于液體強制對流換熱的影響,排氣溫度基本沒有太大的變化;當轉(zhuǎn)速高于 1 800 r/min時,由于冷卻系統(tǒng)液體箱內(nèi)液體溫度會逐漸升高,所以排氣溫度也會開始逐步緩慢的升高;當轉(zhuǎn)速達到 3 200 r/min時,最高排氣溫度為152 ℃.隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的逐漸升高,機體產(chǎn)生的噪聲值也會隨之而增大,過高的噪聲會對周圍環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染,因此在優(yōu)化時應(yīng)該采取降噪措施.

    4.3 驅(qū)動電機電流和功率

    無油雙渦旋齒壓縮機驅(qū)動電機功率和電流隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖14所示,其中:為驅(qū)動電機電流;為驅(qū)動電機功率.隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的不斷增加,驅(qū)動電機功率和電流也隨之而增大;在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min時,驅(qū)動電機電流和功率分別為8.1 A和13.1 kW.

    5 結(jié) 論

    (1) 雙渦旋齒壓縮機是一種低壓比、大排量的渦旋式機械,其容積效率高于單渦旋齒壓縮機.

    (2) 工作腔之間的內(nèi)泄漏會擾亂相鄰工作腔之間的流場分布;雙渦旋齒壓縮機相鄰工作腔之間的傳熱更加復(fù)雜,內(nèi)泄漏會使得出口質(zhì)量大于進口質(zhì)量;動渦旋齒對排氣口的影響會使得出口質(zhì)量和流速的波動較大;轉(zhuǎn)速與流量和流速呈正相關(guān),排氣壓力越高,流量和流速越低.

    (3) 在額定轉(zhuǎn)速下,無油雙渦旋齒壓縮機排氣溫度為148 ℃,機體產(chǎn)生的噪聲為83.9 dB,容積流量的理論值和試驗值的最大差值為0.158 m/min,偏差在4%以內(nèi),從而驗證了所構(gòu)建的熱力學(xué)模型的精確性;通過試驗測試發(fā)現(xiàn),液體冷卻方法對大排氣量的無油渦旋壓縮機有著極佳的冷卻效果.

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