渦旋壓縮機(jī)吸氣過(guò)程流場(chǎng)特性研究

李增耀 楊 超 李 超

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院）

渦旋壓縮機(jī)通過(guò)動(dòng)渦旋的公轉(zhuǎn)平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)月牙形工作腔容積的周期性變化，以此完成氣體壓縮過(guò)程。 考慮渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，吸氣過(guò)程會(huì)產(chǎn)生預(yù)壓縮現(xiàn)象，使得吸氣量、吸氣腔結(jié)束壓力、腔內(nèi)流場(chǎng)特性等發(fā)生變化。 為探明預(yù)壓縮現(xiàn)象對(duì)壓縮過(guò)程流場(chǎng)的影響以及隨壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，研究學(xué)者們普遍采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究。

由于借助試驗(yàn)方法獲得渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部完整的流場(chǎng)分布較困難， 因此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者們采用理論模型與模擬仿真相結(jié)合的方法對(duì)渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)及分布規(guī)律進(jìn)行研究［1～3］。彭斌等運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)無(wú)油渦旋壓縮機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬， 分析了腔內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)規(guī)律和狀態(tài)分布［4］。 CAVAZZINI G等采用不同軸向間隙建模策略， 對(duì)渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了數(shù)值分析［5］。 SUN S H等對(duì)渦旋壓縮機(jī)不穩(wěn)定非定常流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值研究， 分析了沿流動(dòng)路徑不對(duì)稱結(jié)構(gòu)間的相互作用［6］。 CUI M和SAULS J研究了氣體流速、渦旋壓縮機(jī)的幾何細(xì)節(jié)等方面對(duì)吸氣過(guò)程的影響［7］。 SUN S H等通過(guò)改變進(jìn)氣流道容積來(lái)提高壓縮機(jī)性能，研究了進(jìn)氣流道改型后的渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)及性能［8］。

綜上所述，目前大量的研究工作都是基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)對(duì)渦旋壓縮機(jī)整個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，但對(duì)吸氣階段及其影響的研究仍不夠全面。 吸氣過(guò)程會(huì)產(chǎn)生泄漏及流動(dòng)損失，進(jìn)而引起吸氣腔入口處氣體質(zhì)量流量發(fā)生變化。 為此，筆者通過(guò)建立渦旋壓縮機(jī)三維非結(jié)構(gòu)化動(dòng)網(wǎng)格模型，采用數(shù)值模擬方法，深入分析吸氣過(guò)程，探明預(yù)壓縮現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理以及對(duì)渦旋壓縮機(jī)流場(chǎng)分布與性能等方面的影響。

1 模型建立

1.1 幾何模型

渦旋壓縮機(jī)流場(chǎng)模型示意圖如圖1所示，包括進(jìn)氣區(qū)域、 渦旋盤流域和排氣區(qū)域3部分。 其中，渦旋齒型線采用雙圓弧修正的圓漸開(kāi)線型線［9］。

圖1 渦旋壓縮機(jī)流場(chǎng)模型

渦旋壓縮機(jī)基本參數(shù)如下：

基圓半徑r 2.28 mm

渦旋齒壁厚t 3.3 mm

回轉(zhuǎn)半徑Ror3.87 mm

渦旋齒高h(yuǎn) 20 mm

進(jìn)氣口直徑d114 mm

排氣口直徑d26 mm

1.2 網(wǎng)格劃分

由于渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬，網(wǎng)格總數(shù)724 100， 對(duì)嚙合間隙處網(wǎng)格進(jìn)行加密， 層數(shù)為5層， 如圖2所示。 為避免計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)網(wǎng)格撕裂，產(chǎn)生負(fù)體積，采用Smoothing和Remeshing方法對(duì)動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置，完成局部網(wǎng)格重構(gòu)。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

選取網(wǎng)格數(shù)量為594 210、724 100和922 003的模型進(jìn)行6 000 r/min轉(zhuǎn)速下的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，測(cè)得監(jiān)測(cè)點(diǎn)在單一壓縮腔工作過(guò)程中的壓力變化曲線（圖3）。 由圖3可知，曲軸轉(zhuǎn)角的增加使監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓縮過(guò)程發(fā)生變化，壓力降低為上一壓縮過(guò)程結(jié)束， 壓力升高為下一壓縮過(guò)程開(kāi)始，最低點(diǎn)位于嚙合區(qū)域。 隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，壓力變化趨于一致， 網(wǎng)格數(shù)量為922 003和724 100的壓力曲線近趨重疊，計(jì)算其理論壓力與模擬壓力的相對(duì)誤差，前者為4.28%，后者為3.20%，因此在保證計(jì)算精度的前提下并控制計(jì)算時(shí)間，故選取網(wǎng)格數(shù)量為724 100。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.4 計(jì)算方法及邊界條件

采用RNG k-ε湍流模型描述流體介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面網(wǎng)格設(shè)置為無(wú)滑移，選擇SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)氣管、渦旋盤流場(chǎng)及排氣管間重疊區(qū)域， 采用interface技術(shù)進(jìn)行處理，允許流體正常流通。

邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)出口，進(jìn)口壓力0.1 MPa，進(jìn)口溫度293 K，出口壓力0.5 MPa，曲軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為6 000、8 000、10 000 r/min，流體介質(zhì)為理想空氣。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 吸氣過(guò)程流場(chǎng)

圖4給出了曲軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時(shí)不同曲軸轉(zhuǎn)角下的速度流線圖，可以看出吸氣過(guò)程速度流線分布較為復(fù)雜，產(chǎn)生了不同強(qiáng)度的渦流區(qū)。

圖4 工作腔內(nèi)10 000 r/min時(shí)不同曲軸轉(zhuǎn)角下的速度流線分布

進(jìn)一步分析可知：

a.兩側(cè)進(jìn)氣流道均存在渦流區(qū)，左側(cè)渦流位于靜渦旋齒尾部下方，曲軸轉(zhuǎn)角330～345°時(shí)出現(xiàn)渦流短暫消失；如圖5所示，右側(cè)渦流位于動(dòng)渦旋齒尾部上方，不同曲軸轉(zhuǎn)角下的渦流強(qiáng)度有所不同，曲軸轉(zhuǎn)角在285～330°時(shí)渦流強(qiáng)度最大，渦流占據(jù)右側(cè)吸氣流道， 干擾了進(jìn)氣口氣體正常流動(dòng)，阻力損失增加。

圖5 進(jìn)氣流道局部渦流

b.氣體從進(jìn)氣流道進(jìn)入兩側(cè)吸氣腔，不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)動(dòng)靜渦旋齒尾部均出現(xiàn)氣體回流現(xiàn)象。

c.兩側(cè)吸氣腔吸氣量不同。 右側(cè)進(jìn)氣流道中部分氣體將流向進(jìn)氣流道中的低壓區(qū)域及左側(cè)吸氣腔，導(dǎo)致左側(cè)吸氣腔內(nèi)氣體質(zhì)量大于右側(cè)吸氣腔。

d.進(jìn)氣流道沿動(dòng)靜渦旋齒流場(chǎng)分布不對(duì)稱，關(guān)鍵因素為兩側(cè)吸氣腔動(dòng)靜邊界不同。 吸氣腔內(nèi)部流場(chǎng)分布也不對(duì)稱，如圖6所示，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角在315～345°時(shí)，左側(cè)吸氣腔內(nèi)出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，流場(chǎng)產(chǎn)生局部擾動(dòng)。

圖6 吸氣腔內(nèi)局部渦流

2.2 預(yù)壓縮現(xiàn)象

吸氣過(guò)程曲軸轉(zhuǎn)角θ位于（0，2π），期間吸氣腔為開(kāi)放式系統(tǒng)。當(dāng)θ=2π時(shí)，吸氣過(guò)程結(jié)束，吸氣腔封閉。 吸氣腔容積Vs計(jì)算式如下［10］：

其中，φe為型線最終展角，α為型線起始角。 吸氣腔容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率為：

吸氣腔入口面積As計(jì)算式如下：

根據(jù)式（1）～（3）可知，吸氣容積在某一轉(zhuǎn)角時(shí)達(dá)到最大值，之后將逐漸減?。晃鼩馇蝗肟诿娣e先增大后減小， 在曲軸轉(zhuǎn)角180°時(shí)達(dá)到最大值。 圖7給出了工作腔容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線，可以看出，曲軸轉(zhuǎn)角310.57°時(shí)吸氣容積達(dá)到最大值，后呈減小趨勢(shì)，表明真實(shí)吸氣過(guò)程中可能出現(xiàn)吸氣腔容積變化導(dǎo)致吸氣量改變的情況，從而影響壓縮過(guò)程氣體量， 該現(xiàn)象在文獻(xiàn)［10，11］中也有所提及。

圖7 工作腔容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

在吸氣腔設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體分布如圖8所示。 由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置不連續(xù)，吸氣腔的監(jiān)測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角小于吸氣過(guò)程持續(xù)轉(zhuǎn)角，例如對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、4， 曲軸轉(zhuǎn)角在0～45°時(shí)表示壓縮過(guò)程壓力變化，45～360°時(shí)表示嚙合過(guò)程與吸氣過(guò)程壓力變化，故存在監(jiān)測(cè)壓力大幅降低的現(xiàn)象。

圖8 吸氣腔監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

圖9給出了3個(gè)吸氣周期吸氣腔的壓力變化曲線，可以看出，隨著曲軸轉(zhuǎn)速的增加，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)吸氣結(jié)束時(shí)的壓力位于0.24～0.26 MPa之間，增幅為吸氣壓力0.2 MPa （絕對(duì)壓力） 的23.5%～29.0%。不同曲軸轉(zhuǎn)速下，預(yù)壓縮現(xiàn)象發(fā)生時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角不同，6 000 r/min時(shí)約為282°、8 000 r/min時(shí)約為272°、10 000 r/min時(shí)約為261°。 兩側(cè)吸氣腔因流場(chǎng)不對(duì)稱， 導(dǎo)致兩側(cè)吸氣腔的吸氣量不同，使得預(yù)壓縮階段右側(cè)吸氣腔內(nèi)壓力略低于左側(cè)吸氣腔，即左側(cè)吸氣腔吸入氣體由進(jìn)氣口吸入與未進(jìn)入右側(cè)吸氣腔的兩部分氣體組成，其大于右側(cè)吸氣腔內(nèi)進(jìn)氣口的吸氣量。

圖9 吸氣腔內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線

曲軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時(shí)， 選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)2并結(jié)合圖7、9可知， 曲軸轉(zhuǎn)角310.57°時(shí)達(dá)到吸氣腔容積最大值， 預(yù)壓縮現(xiàn)象發(fā)生時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角約為261°，計(jì)算得到261～310.57°時(shí)單位轉(zhuǎn)角下的壓力增幅為196 Pa，310.57～360°時(shí)單位轉(zhuǎn)角下的壓力增幅為867 Pa，且隨著吸氣腔容積的減小，壓力增幅愈大。

圖10給出了預(yù)壓縮現(xiàn)象發(fā)生到吸氣過(guò)程結(jié)束時(shí)，動(dòng)靜渦旋齒尾部速度流線分布圖。 曲軸轉(zhuǎn)角為261～310.57°時(shí)，預(yù)壓縮現(xiàn)象發(fā)生時(shí)吸氣腔內(nèi)壓力增幅較小，少量氣體回流與吸入氣體形成渦流區(qū)。 兩側(cè)吸氣腔吸氣量不同引起渦流區(qū)強(qiáng)度與位置有所差異。 曲軸轉(zhuǎn)角為310.57～360°時(shí)，壓力增幅急劇上升， 吸氣腔與進(jìn)氣流道壓差變大，大量腔內(nèi)氣體流出，使進(jìn)氣流道內(nèi)氣體無(wú)法進(jìn)入吸氣腔內(nèi)， 在渦旋齒尾部形成了強(qiáng)度較大的渦流區(qū)。

圖10 預(yù)壓縮局部流場(chǎng)變化

依據(jù)吸氣腔容積變化規(guī)律，將吸氣過(guò)程分為曲軸轉(zhuǎn)角0～310.57°時(shí)吸氣腔容積逐漸增大與310.57～360°時(shí)吸氣腔的入口面積與容積逐漸減小兩個(gè)過(guò)程，對(duì)預(yù)壓縮現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。

第一過(guò)程，吸氣腔容積逐漸增大，氣體吸入進(jìn)氣流道與吸氣腔。 吸氣開(kāi)始時(shí)吸氣腔內(nèi)壓力低于進(jìn)氣流道壓力，隨著吸氣腔容積增大，吸氣量增多，吸氣腔內(nèi)壓力達(dá)到吸氣壓力。 不同曲軸轉(zhuǎn)速下吸氣量不同，低轉(zhuǎn)速時(shí)吸氣較充分，高轉(zhuǎn)速時(shí)吸氣不充分。

第二過(guò)程， 吸氣腔的入口面積與容積減小，吸氣量持續(xù)增加，根據(jù)不同曲軸轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)分布特點(diǎn)及吸氣量差異，低轉(zhuǎn)速時(shí)吸氣腔回流現(xiàn)象高于高轉(zhuǎn)速時(shí)的氣體回流。 隨著吸氣腔入口面積逐漸減小，吸氣腔內(nèi)回流現(xiàn)象逐漸減弱。

第二過(guò)程回流氣體量與吸入氣體量大于第一過(guò)程不充分吸氣量， 可以消除不充分吸入對(duì)吸氣過(guò)程的影響，部分吸入氣體回流至渦旋齒尾部，產(chǎn)生渦流區(qū)。 不同曲軸轉(zhuǎn)速的吸氣過(guò)程結(jié)束壓力不同，曲軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min 吸氣結(jié)束時(shí)壓力為0.247 MPa，低于6 000 r/min時(shí)壓力為0.258 MPa。

圖11給出了曲軸轉(zhuǎn)角為255°、315°時(shí)吸氣腔內(nèi)流線分布。 由圖11可知，吸氣腔內(nèi)回流的低速氣體與吸入的高速氣體形成了沿齒高方向強(qiáng)度不等的2～3個(gè)渦流區(qū)， 在渦流的剪切力作用下，大部分回流氣體改變流向與吸入氣體混合。 隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大，引起渦流區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng)、范圍擴(kuò)大，吸氣腔容積減小、腔內(nèi)氣體質(zhì)量增大，吸氣腔內(nèi)壓力不斷升高，產(chǎn)生預(yù)壓縮現(xiàn)象。

圖11 吸氣腔內(nèi)速度流線分布

圖12為預(yù)壓縮現(xiàn)象發(fā)生到吸氣過(guò)程結(jié)束時(shí)流場(chǎng)湍動(dòng)能分布圖。 可以看出，吸氣腔內(nèi)湍動(dòng)能較大區(qū)域集中在嚙合間隙靠近吸氣腔側(cè)與吸氣腔中部。 氣體泄漏導(dǎo)致間隙處湍動(dòng)能較大；吸氣腔內(nèi)流速不同的氣體混合產(chǎn)生渦流區(qū)，加劇了流場(chǎng)湍動(dòng)程度。 隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大，湍動(dòng)能逐漸增大并向嚙合區(qū)域移動(dòng)，與圖11吸氣腔內(nèi)流線分布相吻合。

圖12 工作腔內(nèi)湍動(dòng)能分布

2.3 模型可靠性分析

為了驗(yàn)證工作腔內(nèi)部流場(chǎng)模型的正確性以及預(yù)壓縮現(xiàn)象分析的合理性，通過(guò)將發(fā)生預(yù)壓縮現(xiàn)象時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角區(qū)間與進(jìn)氣流道、吸氣腔內(nèi)流場(chǎng)分 布 規(guī) 律 與 已 有 研 究 文 獻(xiàn)［10，12，13］進(jìn) 行 對(duì) 比 分 析?？紤]不同工況條件下流場(chǎng)參數(shù)的差異性，可知筆者所得預(yù)壓縮現(xiàn)象流場(chǎng)分布規(guī)律與上述研究中的流場(chǎng)分布趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了流場(chǎng)模擬的合理性和預(yù)壓縮現(xiàn)象分析的可靠性，相關(guān)結(jié)論對(duì)后續(xù)的流場(chǎng)模擬研究具有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

3.1 吸氣過(guò)程兩側(cè)的進(jìn)氣流道與吸氣腔內(nèi)均存在不對(duì)稱流場(chǎng)分布現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)氣流道產(chǎn)生不同強(qiáng)度的渦流區(qū)，干擾氣體進(jìn)入吸氣腔。

3.2 吸氣腔容積先增大后減小， 吸氣量持續(xù)增加， 腔內(nèi)不同流速氣體沿渦旋齒高方向形成2～3個(gè)渦流區(qū)，腔內(nèi)湍動(dòng)能不斷增大，壓力升高，產(chǎn)生預(yù)壓縮現(xiàn)象。

3.3 預(yù)壓縮現(xiàn)象導(dǎo)致吸氣腔內(nèi)壓力增幅為23.5%～29.0%， 造成實(shí)際吸氣量與理想吸氣量不同，渦旋齒尾部渦流現(xiàn)象加劇，影響整機(jī)運(yùn)行效率。 隨著曲軸轉(zhuǎn)速的增加，預(yù)壓縮現(xiàn)象發(fā)生時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角提前10～21°不等，吸氣腔內(nèi)沿齒高方向渦流區(qū)強(qiáng)度逐漸增大。