涡旋压缩机平衡铁结构对阻力矩的影响研究.pdf

书书书设 计 研 究 年 期（总第 期）涡旋压缩机平衡铁结构对阻力矩的影响研究刘兴旺，蒋强强，刘晓明，陈荣道，李远航，李登辉（兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 ；压缩机技术国家重点实验室（压缩机技术安徽省实验室），合肥 安徽 ）摘要：针对涡旋压缩机平衡铁随主轴旋转时产生的阻力损失问题，提出了圆角结构及机翼型结构平衡铁。运用 有限元分析软件，结合滑移网格技术对平衡铁工作区域模拟，研究了 种不同结构平衡铁所受的压差阻力矩和摩擦阻力矩，对比分析了不同结构产生的阻力矩大小。结果表明：压差阻力矩占总阻力矩的 以上，总阻力矩随转速的增大而增大；相对于样机平衡铁，前后端面为圆角的平衡铁总阻力矩减小了 之间；机翼型平衡铁总阻力矩减小了 之间。关键词：涡旋压缩机；有限元分析；平衡铁；阻力矩；结构优化中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：压缩机技术国家重点实验室（压缩机技术安徽省实验室）开放基金项目（），（，；（），）：，：；设 计 研 究 年 期（总第 期）引言涡旋式压缩机与其它容积式压缩机相比具有整机振动小、结构简单、体积小、重量轻、易损件少、可靠性高等优势，被广泛应用于空调、热泵、冷藏冷冻等领域 ，。涡旋式压缩机动涡盘在防自转机构的约束下，由偏心轴直接驱动做回转平动，并与静涡盘相啮合实现气体的压缩，由于主轴是偏心结构，作用在偏心主轴上的离心惯性力，会引起整机振动，故需要设置平衡铁来平衡主轴旋转时产生的离心惯性力和力矩，减小机器振动 ，。平衡铁与其工作区域流体相互作用，受到摩擦阻力矩、压差阻力矩且随着转子转速的提高，平衡铁受到的阻力损失越大，故对平衡铁结构及性能的优化研究尤为重要。大平衡铁是涡旋压缩机二次平衡的关键部件，对涡旋压缩机平衡铁的研究，主要集中在平衡铁结构分析及对润滑油的搅动分析。刘兴旺等 ，分析了平衡铁安装在背压腔中随主轴旋转时对润滑油流动特性的影响和对动盘轴向力的影响。等 针对 系统涡旋压缩机，设计了压缩机内保持油位的最佳结构，该结构可以在实际运行时保持油位，避免了平衡铁对润滑油的搅动，提高了压缩机性能。等 对平衡铁前端面进行倾斜处理，使背压腔中流动的润滑油压缩倾斜部分，施加一个与滑动衬套偏心产生的相反力矩，以防止滑动衬套和滑动轴承的磨损并降低对油的阻力，降低功耗，提高压缩机的寿命。等 阐明了压缩机机械损失主要是冷冻油搅拌力和运动部件之间的摩檫力，平衡铁对油的损失包括流动损失、搅动损失、摩擦损失。等 ，考虑带有旋转圆盘的封闭轴对称空腔中的湍流，对功耗进行了分析计算。张文祥等 对平衡铁所在空间进行研究，阐明了平衡铁随主轴旋转时对周围流体的损失计算公式，得出气体流动损失与主轴转速角速度的三次方成正比。李超 等通过对平衡铁所在周围流体研究，得出压差损失是平衡铁随主轴旋转时产生功率损失的主要原因，通过对平衡铁结构优化，功率损失可降低 以上。本文以某立式制冷涡旋压缩机为研究对象，利用流体力学数值模拟的方法，通过使用 软件，分析了平衡铁阻力矩随转速变化的规律，研究了样机平衡铁，圆角结构及机翼型结构平衡铁所受阻力矩的变化情况。平衡铁阻力平衡铁随主轴旋转与其周围制冷剂相互作用产生摩擦力，摩擦力对旋转的平衡铁产生摩擦阻力矩，平衡铁前后端面压强差产生压差阻力，压差阻力对平衡铁旋转运动产生压差阻力矩。为了准确计算出平衡铁在工作区域所受到的阻力矩，运用 软件进行计算模拟。物理模型的建立本研究采用的是某涡旋压缩机样机的平衡铁，根据平衡铁实际尺寸利用 三维软件进行实体建模，平衡铁示意图见图 。圆环对平衡铁阻力矩的影响非常小，忽略不计，根据摩擦定律，平衡铁各表面的摩擦阻力矩可由下式进行计算。平衡铁上下端面扇形摩擦阻力矩为 （）（）式中 平衡铁前后端面之间的夹角 摩擦系数 平衡铁工作区域制冷剂密度 旋转角速度平衡铁外缘半径平衡铁内缘半径平衡铁前后端面的摩擦阻力矩为 （）（）式中 平衡铁厚度平衡铁外缘面的摩擦阻力矩为 （）图 平衡铁示意图设 计 研 究 年 期（总第 期）平衡铁内缘面的摩擦阻力矩为 （）故平衡铁高速旋转时所受到的摩擦阻力矩为 （）平衡铁所受压差阻力矩 （）式中 平衡铁所受的总阻力矩要准确计算出压差阻力矩，取决于计算平衡铁所受总阻力矩及摩擦阻力矩的摩擦系数 ，需要通过大量的试验才能获得，为了准确得出平衡铁所受阻力矩，利用流体力学模拟仿真软件 对其平衡铁所受的各阻力矩进行仿真计算。数值计算模型的建立以平衡铁及其工作区域为研究对象进行计算建模的建立，将其模型分为旋转区域与静止区域，在旋转区域与静止区域接触面相互关联，形成一个网格界面，这 个区域将沿着网格界面彼此相对移动。对旋转区域与接触面进行网格加密处理，进而提高计算的精确度。采用 滑移网格技术，选择标准 模型作为湍流计算模型，计算工质设为 ，工作压力为该样机低压腔中的压力 ，介质粘度 ，密度为 。通过模拟计算，监控平衡铁在 、不同转速下平衡铁表面所受到的压差阻力矩、摩擦阻力矩、总阻力矩及平衡铁在旋转区域内不同转速下的压力状况。平衡铁结构对阻力矩的影响 前后端面为矩形的平衡铁的阻力矩样机平衡铁受到的摩擦阻力矩 压差阻力矩以及总阻力矩 在不同转速下的变化如图 所示：由图 分析得，（）平衡铁在高速旋转时，压差阻力矩远大于摩擦阻力矩，占总阻力矩的 以上。（）随着转速的提高，压差阻力矩快速增大，而摩擦阻力矩缓慢增加，摩擦阻力矩占总阻力矩的比例很小，压差阻力矩占总阻力矩的比例很大。所以，减小平衡铁所受到的压差阻力矩是减小总阻力矩的关键。图 为主轴转速为 、工况下平衡铁壁面压力云图，由压力云图可见：（）平衡铁在其工作区域旋转时，顺着旋转方向前端面形成正压区，顺着旋转方向后端面形成负压区，两侧端面压差使平衡铁在旋转过程中形成压差阻力矩；（）不同转速下平衡铁壁面压力分布规律基本一致，最高压力主要出现在顺着旋转方向前端面靠近扇形外缘处，最低压力主要出现在顺着旋转方向后端面靠近圆环处；（）两侧端面的压力随着转速的增加而增大，且压差也增大。选取平衡铁在其旋转区域工作的 个辅助面，以 的平面和 （以 轴为中心，半径为 的圆环面）的个辅助面，观察辅助面上的速度云图和流线图，分析平衡铁在其旋转区域内的三维流场情况，如图 和图 所示。观察图 和图 可得（）在径向辅助面上，顺着旋转方向前端面与旋转壁面间隙处速度增大，这是由于流道截面突然变窄导致流速增大；高速区图 阻力矩转速变化曲线图图 平衡铁壁面压力分布云图设 计 研 究 年 期（总第 期）域主要出现在平衡铁后端面处，这是由于流道截面突然变大造成的，部分制冷剂被带入到后端面的低压区域，形成较大的速度增大区域。（）在轴向辅助面上，顺着旋转方向前端面上方出现明显的漩涡，这是由于平衡铁前端面流道截面突然变大，一部分制冷剂不足以克服压差和摩擦阻力沿着制冷剂运动的方向，在平衡铁前后压差的作用下出现逆主流趋势，形成漩涡。前后端面为圆角的平衡铁的阻力矩分析通过上述分析，平衡铁在所处工作腔随主轴高速旋转时，压差阻力矩是产生总阻力矩的主要因素，且发现压差主要出现在左侧端面靠近扇形外缘处及右侧端面靠近圆环处，故对原有平衡铁进行优化设计时，减小扇形外缘处压力是减小压差阻力矩的关键。为了减小平衡铁前端面靠近扇形外缘处压力，在满足平衡铁所需离心力及安装质心位置与原来的保持一致的前提下，对现有平衡铁进行圆角处理，圆角半径为 。圆角可以起到导流的作用，进一步减小平衡铁在高速旋转工况下产生的压力。采用上文相同的方法建立数值求解模型，平衡铁的摩擦阻力矩、压差阻力矩以及总阻力矩在不同转速下的变化如图 所示。对比图 和图 可得，前、后端面为圆角的平衡铁压差阻力矩的下降较明显，摩擦阻力矩变化不图 转速 径向辅助面速度流线图图 转速 轴向辅助面速度流线图大，由于压差阻力矩占总阻力矩的比例很大，所以总阻力矩下降较明显。前后端面为圆角的平衡铁阻力矩优化幅度随转速的变化如图 所示，由曲线可见，在一定转速范围内，总阻力矩优化幅度在 之间。图 为圆角结构平衡铁壁面压力云图，由压力云图可得：（）平衡铁壁面压力分布规律与未优化图 阻力矩转速变化曲线图图 转速阻力矩优化幅度曲线图 平衡铁壁面压力分布云图设 计 研 究 年 期（总第 期）前变化规律基本一致；（）对平衡铁前、后端面靠近扇形外缘处进行圆角处理后，端面压力最大值随转速的增加有所下降。选取与样机平衡铁相同位置的两个辅助面，观察辅助面上的速度云图和流线图，分析平衡铁在其旋转区域内的三维流场情况如图 和图 所示。观察图 和图 ，对比分析样机平衡铁辅助面上的速度云图和流线图可得：（）在径向辅助面上，顺着旋转方向前端面与旋转壁面间隙处速度有所降低；高速区域主要出现在平衡铁后端面处，但后端面高速区域面积有所减小，这是由于前后端面为圆角的平衡铁改善了制冷剂的运动状态，减少了部分制冷剂被带入到后端面的低压区域，减小了制冷剂流动损失。（）在轴向辅助面上，顺着旋转方向前端面上方的漩涡区域减小，这说明前后端面为圆角的平衡铁对制冷剂的运动起到一定的疏导作用。机翼型的平衡铁阻力矩分析观察样机平衡铁产生离心力作用的部分，平衡铁高速旋转时顺着旋转方向前、后端面垂直于旋转方向，前端面受到较大压力，阻碍平衡铁旋转，后端面受到较大的负压，导致压差阻力损失。在满足平衡铁所需离心力及安装质心位置与原来的保持一致的前提下，对平衡铁进行流线设计，设计出机翼型平衡铁如图 所示。使平衡铁壁面流体能贴着壁面流向后端面，流速随着壁面增大，压强随之加图 转速 径向辅助面速度流线图图 转速 轴向辅助面速度流线图大的结果，使平衡铁后半段所受气流向前压力抵消平衡铁后半段气流向后的压力，使平衡铁前后端压差尽可能减小。针对所设计的机翼型平衡铁采用上文相同的方法建立数值模型，机翼型平衡铁所受的摩擦阻力矩、压差阻力矩以及总阻力矩在不同转速下的变化如图 所示。对比图 和图 可得，机翼型的平衡铁随着压差阻力矩的大幅下降，总阻力矩也大幅下降。机翼型的平衡铁阻力矩优化幅度随转速的变化如图 所示，由曲线可见，在一定转速范围内，阻力矩优化幅度在 之间。图 为机翼型平衡铁壁面压力分布云图，由云图可以看出：（）平衡铁壁面压力顺着旋转方向变化规律为由高到低再到高；（）平衡铁左右半段压力明显减小使得压差阻力矩也明显减小。这是由图 机翼型平衡铁结构示意图图 阻力矩转速变化曲线图图 转速阻力矩优化幅度曲线设 计 研 究 年 期（总第 期）于采用机翼型平衡铁，使平衡铁表面气流无明显分离，使压差阻力变小。选取与样机平衡铁相同位置的两个辅助面，观察辅助面上的速度云图和流线图，分析平衡铁在其旋转区域内的三维流场情况如图 和图 所示。观察图 和图 ，对比分析样机平衡铁辅助面上的速度云图和流线图可得：（）在径向辅助面上，后端面高速区域面积减小明显，这是由于采用机翼型平衡铁明显改善了前后端面压差，减少了制冷剂气体被带入到后端面的低压区域，避免了边界层分离，进一步改善了制冷剂流动状态；（）两辅助面上制冷剂的流速有所增大，但流线分布更加均图 机翼型平衡铁壁面压力分布云图图 转速 径向辅助面速度流线图图 转速 轴向辅助面速度流线图图 种不同结构总阻力矩随转速变化曲线图匀，说明制冷剂流动得到了有效疏导。图 为 种不同结构平衡铁在不同转速下总阻力矩对比曲线，为样机平衡铁总阻力矩，为圆角结构平衡铁总阻力矩，为机翼型平衡铁总阻力矩。由曲线图可以看出，优化后的两种平衡铁总阻力矩都明显下降，机翼型平衡铁在其工作腔中高速旋转时，平衡铁受的总阻力矩减小幅度最大。结论（）平衡铁在制冷剂中旋转时，压差阻力矩占总阻力矩的 以上，随着转速的增大，压差阻力矩增大，总阻力矩增大明显。（）平衡铁壁面受的压力主要分布在顺着旋转方向前端面靠近扇形外缘处及顺着旋转方向后端面靠近圆环处，采用圆角结构可以降低压差，减小压差阻力矩。（）机翼型平衡铁受到的压差阻力矩最小，总阻力矩减小幅度最大，改善了平衡铁在工作腔中高速旋转时制冷剂气流状况，进一步降低了总阻力矩。参考文献：彭斌，孙迎 变截面涡旋压缩机数学模型及试验研究 机械工程学报，（）：刘兴旺，刘世成，韩向阳，等 结合粒子群算法的双涡圈涡旋盘动力特性优化研究 机械科学与技术：刘振全，杜桂荣 涡旋压缩机理论机构模型 机械工程学报，（）：刘振全 涡旋式流体机械与涡旋压缩机 北京：机械工业出版社，刘兴旺，万春焕，康小兵 电动涡旋压缩机动涡盘的轴向平衡问题研究 流体机械，（）：，（）：（下转第 页）设 计 研 究 年 期（总第 期）成时间不断减小，表示系统的调控范围变宽，阀片的撤回时间不断减少表示系统的调控精度不断上升，但是节流孔直径过小会造成位移的波动。速度图显示节流孔直径增加会降低缓冲效果，造成卸荷器的冲击速度的增加，同时过小的直径缓冲效果的增幅降低，见图 。结论本文构建了缓冲液压缸的数学模型，分析了影响缓冲性能的关键结构参数，即缓冲活塞直径、缓冲活塞行程以及节流孔直径，通过搭建仿真模型探究了关键参数对缓冲性能以及气量调节系统的影响。得出以下结论：（）缓冲活塞直径、缓冲活塞行程以及节流孔直径与冲击速度呈现正相关关系，与卸荷器动作完成时间以及阀片撤回时间呈现负相关关系；（）卸荷器的冲击速度数值的降低能够提升自身和气阀的寿命，但动作时间的延长会减小气量调节系统的调节范围以及降低流量调节精度；（）缓冲性能关键参数的确定以及影响分析为后期参数的优化奠定了理论基础并提供了优化方向。参考文献：，：，（）：，：，（）：赵得赓，孙旭，王瑶，等 一种应用于往复式压缩机气量调节的变截面液压双向缓冲装置：魏建华，朱旭，岳艺明，等 一种短行程高频响的双向液压缓冲器：高钦和，王孙安，黄先祥 下液压系统仿真模型库的建立 系统仿真技术及其应用学术交流会论文集 ：张祝新，程晓新 对工程流体力学中节流孔口流量特性的讨论 机床与液压，（）：刘海丽，李华聪 液压机械系统建模仿真软件 及其应用 机床与液压，（）：作者简介：姜月新（），女，哈尔滨人，本科，工程师，主要从事往复压缩机的管理工作。：（上接第 页），（）：，（）：韩红彪，高善群，李济顺，等 圆盘转子流体阻力分析与试验研究 中国机械工程，（）：张文祥，李延斌 涡旋压缩机正常工作时流动阻力损失的分析与计算 机械设计与制造，（）：李超，梁秋立，赵?涡旋流体机械平衡重功率损耗的数值分析 排灌机械工程学报，（）：作者简介：刘兴旺（），男，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事制冷系统及涡旋压缩机的优化研究。：