基于CFD技术的压缩机壳体高度减矮优化及实验验证.pdf

162 2023中国家电科技年会论文集0 引言随着国家节能减排政策的实施，空调产品能效等级的不断提高，目前空调能效新国标已经实施，提升压缩机能效是企业不断的追求。在安装空间条件有限的条件下，压缩机小型化开发成为企业的技术方向。降低壳体高度，从而减小压缩机体积，这项措施最为简便，但容易引发一系列问题。如壳体高度减小，电机上腔容积不足，油分效率变差，吐油量恶化，空调能效下降，同时压缩机内部的润滑油减少，可能影响运行可靠性。提高制冷循环的性能，确保压缩机的安全可靠性，降低制冷循环的吐油量非常重要1,2。谢利昌3等对转子机的含油率进行了仿真并通过优化挡油帽和转子通孔改善含油率。江波4等采用多相流CFD分析方法，对卧式压缩机油迁移特性进行了分析，并指出在高转速和高排气流量下，气流对油池扰动剧烈，吐油率会恶化。壳体减矮后，上腔空间减小，压力脉动发生恶化，可能造成空调系统传递音问题。陈可5等对压力脉动的影响因素进行了研究并通过增加通流面积进行优化。吴嘉晖6进行过压缩机排气脉动衰减改善研究，通过调整副轴承消音器及气缸通作者简介：余风利，硕士学位。研究方向：CFD仿真技术研究工作。地址：广东省佛山市顺德区大良街道广东美芝制冷设备有限公司。E-mail:。基于CFD技术的压缩机壳体高度减矮优化及实验验证余风利1 范羽飞2 张康2 李选平21.广东美的环境科技有限公司 广东佛山 528300；2.广东美芝制冷设备有限公司 广东佛山 528300摘 要：安装空间条件有限的情况下，减矮壳体高度是减小压缩机体积的便捷策略，但壳体高度减矮会恶化吐油率和压力脉动。为了解决此问题，采用CFD多相流仿真模型，对OCR和压力脉动进行了仿真计算。分析了OCR和压力脉动的恶化原因，提出通过增加风阻罩和降低初始油面高度来降低OCR，并进行了仿真和实验检讨。验证了所建立CFD仿真方法的可靠性，研究可为降低压缩机吐油率和改善压力脉动提供理论和实践指导。关键词：壳体减矮；吐油率；压力脉动；CFDOptimization and experimental verification of compressor shell height reduction based on CFD technologyYU Fengli1 FAN Yufei2 ZHANG Kang2 LI Xuanping21.Guangdong Midea Environmental Technology Co.,Ltd.Foshan 528300;2.Guangdong Meizhi Compressor Co.,Ltd.Foshan 528300Abstract:Under limited installation space conditions,reducing the height of the casing is a convenient strategy to reduce the volume of the compressor,but reducing the height of the casing will worsen the OCR and pressure pulsation.To solve the problem,a CFD multiphase flow simulation model was used to simulate OCR and pressure pulsation.Analyzed the reasons for the deterioration of OCR and pressure pulsation,proposed to reduce OCR by increasing the wind resistance cover and reducing the initial oil level height,and completed simulation and experimental review.The reliability of the established CFD simulation method has been verified,and the research can provide theoretical and practical guidance for reducing compressor oil discharge rate and improving pressure pulsation.Keywords:Shell reduction;OCR;Pressure fluctuation;CFD中图分类号：TB6 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.037 1632023中国家电科技年会论文集气孔的比例关系来改善排气脉动。公司某款产品降低20 mm的高度才能满足尺寸要求，图1和图2是摸底测试结果，壳体高度减矮后，不同频段的OCR明显恶化，同时单体压力脉动在2倍频和3倍频恶化较多。因此开展相关研究来改善由于减矮压缩机壳体高度带来的OCR和压力脉动问题，助力压缩机小型高速化开发非常有必要。图1 减矮壳体高度前后吐油量对比情况图2 减矮壳体高度前后单体脉动对比情况1 模型建立1.1 几何模型根据该款机型三维图进行模型处理，抽取压缩机整机内部流体域，如图3所示，主要有顶部腔体、电机上腔、转子、电机下腔、消音腔、供油系统、油池组成，其中转子域和供油系统域为旋转域。利用Fluent Mesh划分多面体网格，对供油系统及交界面等区域进行局部加密处理，网格尺寸为0.32 mm，网格模型的网格数约为200万，网格模型如图4所示。1.2 数学模型压缩机内部有两种流体，一种是制冷剂，一种是润滑油，在计算过程中，认为两种流体均不可压缩，仿真过程使用VOF多相流模型，基本控制方程7有：连续性方程：（1）动量守恒方程：（2）能量守恒方程：（3）式中，k=1，n；k是第k相的体积分数，；vk是第k相的速度；P为压力；kl、Mkl、Hkl，分别为相间的质量、动量及能量传递。1.3 边界条件旋转式压缩机存在周期性排气，其排气具有明显的脉动性，计算求得该双缸机型的速度入口曲线如图5所示。仿真分析采用K-Omega SST湍流模型，瞬态求解，压缩机旋转速度为5400 r/min，制冷剂和润滑油的物性为恒物性，根据工况条件查找物性软件和实验取得。计算过程中监测排气管处的制冷剂和润滑油质量流量，根据公式（4）求得OCR值：（4）2 仿真结果建立仿真模型对OCR和压力脉动进行计算，对壳体高度减矮的作用机理进行分析，并进行优化。图3 计算流体域模型 图4 网格模型164 2023中国家电科技年会论文集2.1 吐油量仿真分析壳体高度减矮后，上部空间减小，油气分离能力有限，为降低OCR，考虑从源头控油。设置下平衡块风阻罩（结构如图6所示），可降低下平衡块风阻，减弱对油滴拍击破碎和对油面的搅动；增加转子通流孔上下端局部压差，增大通气量，减少从切边向上运动的制冷剂，降低制冷剂对回油的影响，改善回油。为进一步减弱转子高速旋转时对润滑油的卷吸作用，稳定油面，考虑将电机上抬，使转子远离油面，或者将泵体抬升，保证油稀释率下，降低初始油面，减弱高速转子的搅油作用，降低吐油量。基于上述分析，设计方案改善OCR，优化方案1，即下平衡块风阻+电机抬高；优化方案2，即下平衡块风阻+电机泵体均抬高。a)无风阻罩 b)增加风阻罩图6 风阻罩结构对比图7为压缩机纵截面的油体积分数云图，对比基准方案和减矮方案可以发现，壳体减矮后，油面的扰动作用加剧，更多油雾通过线包间隙、转子通孔和电机切边进入到上腔，而上部空间减小，油气分离效率下降，更多润滑油被制冷剂带出压缩机进而恶化吐油量。减矮壳体高度后，理论计算OCR明显恶化，由4.67%增大到7.9%，与实测结果趋势对应，仿真模型可靠。图7 c)和7 d)分别为两个优化方案的油体积分数云图，从图可以看出油面搅动减弱，进入电机上腔的油雾量减少，电机上部积油也有所改善，说明优化方案对稳定油面、改善回油有效。图8为理论计算OCR结果，优化方案1的理论计算OCR为3.24%，优化方案2的理论计算OCR为2.53%，说明优化设计方案理论上可以降低吐油量，后续进行实验验证。图8 压缩机OCR仿真结果2.2 压力脉动仿真分析减矮壳体高度后，上部空间减小，压缩机压力脉动将恶化，可能会引起系统传递音问题，因此在优化吐油率的同时也需关注压力脉动情况。计算过程中对压缩机排气管处的压力进行监测，图9为压缩机内部压力时域变化曲线，减矮壳体高度后，压力变化幅值增大较多，恶化了30.9%。转子旋转作用以及平衡块搅动作用，电机上下腔中的气流运动较剧烈，旋转作用使气体紊流加大，涡流效应增加，使电机上下腔的搅动作用加剧，使该区域的压力脉动较大，减小壳体高度后，容积减小使得压力脉动进一步增大。两个优化方案相比减矮方案，压力脉动幅值改善较多，改善值分别为10.6%和10.9%。主要是风阻罩降低风阻，减弱平衡块对气流的旋转扰动作用，同时增加了电机下腔的容积，对压力脉动也有一定的减弱。对压力曲线进行FFT转换得到频域图10，由图发现各方案在2倍频的压力较大，其他倍频压力相对较小，这主要由双缸压缩机属性决定。减矮壳体高度后，2倍频压力增加明显，说明压缩机上部空图5 排气速度曲线图a)基准方案 b)减矮方案 c)优化方案1 d)优化方案2图7 压缩机内部油体积分数云图图9 压缩机内部压力仿真时域变化曲线图 1652023中国家电科技年会论文集间大小对压力脉动影响较大，采用优化方案后2倍频的压力有较大改善。所以理论上优化方案对减矮后的压力脉动有所改善。图10 压缩机内部压力仿真的频域图3 实验验证基于仿真结果，对比理论OCR和压力脉动改善量，优化方案2进行了装机实验。图11、图12、图13分别为OCR、噪声和单体压力脉动测试结果。优化方案2在三个运行频率下的OCR相比减矮方案有明显改善，与基准方案相当水平。相比减矮方案，优化方案的单体脉动在2倍频下降20%，在3倍频下降30%，噪声略有改善，下降0.5 dB，与仿真结果趋势一致，在空调系统上验证未出现传递音。综上，测试结果显示优化方案2的整体性能基本达到了基准方案水平，消除了由于降低壳体高度带来的OCR和压力脉动恶化问题。4 结论本文基于CFD仿真技术，对压缩机内部流场进行了仿真，对比了油气分布和压力脉动变化情况，开展了实验验证，并对减矮壳体高度后带来的风险问题进行了改善优化，主要结论如下：（1）采用多相流VOF模型进行瞬态仿真得到的理论结果和实验测试结果规律性一致，说明了仿真模型比较可靠，可快速验证改善方案的有效性，缩短产品开发周期。（2）采用下平衡块风阻罩+泵体电机上抬降低油面位置，可以明显改善由于减矮压缩机壳体高度后带来的OCR和压力脉动恶化问题。图11 不同频率下的OCR测试结果图12 噪声测试结果（90 Hz）图13 单体脉动测试结果（90 Hz）参考文献1 马国远,李红旗.旋转压缩机M.北京:机械工业出版社,2001:84-87.2 吴业正,李红旗,张华,等.制冷压缩机M.北京:机械工业出版社,2011:97-102.3 谢利昌,陈可,吕浩福,等.滚动转子式压缩机含油率仿真分析和优化J.制冷与空调,2017(02):83-87.4 江波,李洋,曹红军.卧式转子压缩机油池迁移特性分析J.家电科技,2022(02):102-105.5 陈可,余风利,余少波,等.滚动转子式压缩机排气腔压力脉动的影响因素分析及结构优化J.制冷与空调,2019(05):46-49.6 吴嘉晖.旋转式压缩机排气压力脉动衰减改善研究J.顺德职业技术学院学报,2021,19(02):6-9.7 贾友昌,赵蕾,鲁建立.某微车注油过程CFD分析及优化A/2012年IDAJ-China中国用户论文集C,2012:325-331.