葉 劍,姜 營,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)

渦旋壓縮機切向密封結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬研究

葉 劍1,姜 營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.中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580)

針對渦旋壓縮機切向氣體泄漏對增壓過程的不利影響，提出一種切向密封結(jié)構(gòu)，采用動渦旋齒上開設(shè)密封槽的方法對比研究了密封結(jié)構(gòu)對于工作過程的影響，與無密封結(jié)構(gòu)的工作過程對比，有效地減少了泄漏，改善了增壓過程；并提出采用一種簡化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)嚙合間隙處網(wǎng)格加密，極大地簡化了模型，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；密封結(jié)構(gòu)；嚙合間隙

1 引言

渦旋壓縮機在制冷、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。對于渦旋壓縮機而言，最大的挑戰(zhàn)課題之一就是對于泄漏間隙的研究。泄漏間隙會影響容渦旋壓縮機的性能乃至整個系統(tǒng)的效率。在現(xiàn)有的研究中主要采用理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬3種方法進行研究。

在泄漏模型方面，文獻針對渦旋壓縮機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]，通過一系列假設(shè)采用經(jīng)驗公式計算泄漏量，并研究了不同的間隙大小對于泄漏量以及排氣壓力、排氣溫度和壓縮過程的影響。在實驗研究方面，文獻[6]對渦旋壓縮機軸向間隙的測量進行了實驗研究，通過搭建具有放大器、電渦流位移傳感器的實驗裝置，測得了渦旋壓縮機工作過程中軸向間隙的變化范圍；文獻[7]為了改善渦旋壓縮機泄漏對工作過程產(chǎn)生的不良影響，在渦旋齒齒高方向的側(cè)面上開設(shè)迷宮槽，并通過實驗方式測量了渦旋齒迷宮密封的密封效果；在數(shù)值模擬方面，文獻[8-10]對渦旋壓縮機的內(nèi)部流場和泄漏進行了數(shù)值模擬研究，得到了渦旋壓縮機內(nèi)部的流場變化和動、靜渦盤之間的泄漏狀態(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渦旋壓縮機工作過程的影響，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化結(jié)構(gòu)進行研究，實現(xiàn)嚙合間隙處網(wǎng)格加密，極大地簡化了模型，為研究渦旋壓縮機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)

針對渦旋壓縮機的切向泄漏，本文提出了渦旋壓縮機的切向密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，在渦旋齒的壁面開設(shè)了矩形槽，矩形槽開槽方向指向間隙處氣體的來流方向，且沿渦旋齒型線上每一點處的開槽方向均與此點處的法線方向呈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)矩形槽時依次被節(jié)流和擴容，可以有效的耗散氣體的動能，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)變對壓縮機正常工作產(chǎn)生影響，沿動渦旋齒開設(shè)的矩形槽可間隔一定角度，并且渦旋壓縮機剛開始壓縮的前180°內(nèi)不必開設(shè)矩形槽，應(yīng)該在包含有渦旋壓縮機壓縮過程的位置開設(shè)矩形槽，因此可以根據(jù)壓縮機相鄰工作腔之間的泄漏速度和壓差大小，在適當(dāng)位置開始開設(shè)矩形槽。

3 數(shù)值模擬

根據(jù)本文所提出的渦旋壓縮機的渦旋齒切向密封結(jié)構(gòu)，建立渦旋壓縮機切向泄漏模型，并利用ANSYS fluent對密封效果進行數(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)準的k～ζ湍流模型，得到渦旋壓縮機的內(nèi)部壓力場、溫度場、速度場分布如下。

3.1 壓力場

如圖2所示為主軸轉(zhuǎn)角θ=180°時刻壓縮腔內(nèi)壓力場分布對比云圖，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)的壓力場分布與無密封結(jié)構(gòu)的壓力場分布大致相同，壓力大小也相同，說明該密封結(jié)構(gòu)對渦旋壓縮機內(nèi)部壓力場分布的影響較小。

3.2 溫度場

如圖3（a）為具有密封結(jié)構(gòu)的壓縮腔內(nèi)溫度場分布云圖，圖3（b）為無密封結(jié)構(gòu)的壓縮腔內(nèi)溫度場分布對比云圖。由圖可知具有密封結(jié)構(gòu)的溫度場分布與無密封結(jié)構(gòu)的溫度場分布大致相同，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，故說明該密封結(jié)構(gòu)對壓縮腔內(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；氣體流過最小間隙后進入一個較大的空腔，此時氣體形成很強的漩渦，氣體速度接近于零，氣體的動能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃可l(fā)，使得氣體溫度升高，因此渦旋壓縮機內(nèi)的氣體溫度略有升高，嚙合間隙處的氣體動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 工作過程

密封結(jié)構(gòu)對渦旋壓縮機內(nèi)泄漏的影響可通過增壓過程曲線來分析，如圖5所示為壓力-容積過程曲線對比圖。

由圖5可知，對比于無密封結(jié)構(gòu)的p-V過程曲線，在壓縮過程前期氣體從內(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)的渦旋壓縮機在此段時間內(nèi)壓縮腔內(nèi)壓力降低，說明切向密封結(jié)構(gòu)減少了高壓腔到低壓腔的泄漏量；在壓縮過程即將結(jié)束時，此時內(nèi)緣的高壓腔既向外緣的低壓腔泄漏同時開始向渦旋中心的排氣腔泄漏，具有切向密封結(jié)構(gòu)的渦旋壓縮機在此段時間內(nèi)壓縮腔內(nèi)壓力有所升高，說明切向密封結(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)對渦旋壓縮機外泄漏的影響可通過進出口的質(zhì)量流率來分析，利用FLUENT計算得到渦旋壓縮機工作過程中通過入口的質(zhì)量流率為0.376 kg/s，通過出口的質(zhì)量流率為0.304 kg/s，由此可知渦旋壓縮機外泄漏量為0.072 kg/s，與無密封結(jié)構(gòu)的計算結(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，然而其對渦旋壓縮機內(nèi)泄漏和外泄漏的影響均較小，說明該切向密封結(jié)構(gòu)具有一定的密封效果，然而密封效果并不顯著，為了改進切向密封的效果可以對密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

4 渦旋壓縮機的簡化結(jié)構(gòu)

本文提出將渦旋壓縮機嚙合間隙處的模型提取出來單獨進行研究，即提出一種簡化結(jié)構(gòu)以更方便地研究渦旋壓縮機嚙合間隙處的泄漏及密封情況，并用以優(yōu)化渦旋壓縮機間隙處的密封結(jié)構(gòu)。由于渦旋壓縮機工作過程中的嚙合點兩側(cè)的壓縮腔之間存在較大壓差，在壓差的驅(qū)動下氣體通過嚙合間隙從高壓腔向低壓腔泄漏，為保證研究結(jié)果的準確性需要保證簡化結(jié)構(gòu)間隙處氣體流態(tài)與原模型間隙處的流態(tài)相同，需要滿足以下幾條準則：

（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)壓縮腔正常工作時的容積變化率相等。

4.1 簡化結(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）中用虛線和點畫線分別表示A兩側(cè)的壓縮腔，其容積分別為S1，S2，對其進行簡化變化結(jié)構(gòu)，為滿足條件（1），圖6（b）中A兩側(cè)壓縮腔的虛線及點畫線截取自圖6（a）中相應(yīng)的圓漸開線；為滿足條件（3），需要設(shè)置圖6（b）中的move1和move2為動邊界，其速度大小根據(jù)以下公式求解

由于渦旋壓縮機容積隨時間呈線性變化，因此動邊界的速度v1，v2為定值，即動邊界作勻速直線運動。

4.2 簡化結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

具有密封結(jié)構(gòu)的間隙簡化模型如圖7所示，密封結(jié)構(gòu)仍在嚙合間隙區(qū)域開一列矩形槽，槽的尺寸減小仍為毫米級，槽的數(shù)目增多。由于模型不規(guī)則可采用分區(qū)畫網(wǎng)格的方法，在密封齒區(qū)域加密網(wǎng)格，根據(jù)邊界的運動方式在變形區(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，為了滿足簡化變化中的條件（2），進行數(shù)值模擬計算時可使動邊界先以較高的速度運行一段時間給2個壓縮腔內(nèi)的氣體加壓，待兩側(cè)壓縮腔壓差達到所需的數(shù)值時再調(diào)整2個動邊界的速度為v1，v2。

如圖8（a）、（b）分別為有無密封結(jié)構(gòu)的壓力云圖，根據(jù)FLUENT計算結(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)仍需要改進槽型的參數(shù)。雖然該結(jié)構(gòu)密封效果未達到理想效果，然而這種簡化結(jié)構(gòu)不僅大大簡化了原來的模型，并且將主要部件的復(fù)雜的運動方式簡化為簡單的勻速直線運動，這種簡化的思想仍可以為以后渦旋壓縮機的實驗研究提供一種可能性，或者為其他復(fù)雜的容積式壓縮機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)，即在渦旋齒上開設(shè)一定數(shù)量的矩形槽，在渦旋壓縮機的工作過程中嚙合間隙處的矩形槽對回流氣體起到節(jié)流、擴容的作用，使得回流氣體的動能極大的減小，在一定程度上減少了渦旋壓縮機的內(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化結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將渦旋壓縮機工作過程中的嚙合間隙結(jié)構(gòu)提取出來，大大簡化了模型，而且將渦旋齒的公轉(zhuǎn)平動轉(zhuǎn)化為勻速直線運動，為以后渦旋壓縮機的實驗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