涡旋压缩机吸气过程流场特性研究

李增耀 杨 超 李 超

（兰州理工大学石油化工学院）

涡旋压缩机通过动涡旋的公转平动，实现月牙形工作腔容积的周期性变化，以此完成气体压缩过程。 考虑涡旋压缩机的结构和运转特点，吸气过程会产生预压缩现象，使得吸气量、吸气腔结束压力、腔内流场特性等发生变化。 为探明预压缩现象对压缩过程流场的影响以及随压缩机工作转速的变化规律，研究学者们普遍采用计算流体动力学理论，对涡旋压缩机内部流场进行研究。

由于借助试验方法获得涡旋压缩机内部完整的流场分布较困难， 因此国内外研究学者们采用理论模型与模拟仿真相结合的方法对涡旋压缩机内部流场及分布规律进行研究［1～3］。彭斌等运用动网格技术对无油涡旋压缩机的内部流场进行了数值模拟， 分析了腔内工质的流动规律和状态分布［4］。 CAVAZZINI G等采用不同轴向间隙建模策略， 对涡旋压缩机内部流体动力学进行了数值分析［5］。 SUN S H等对涡旋压缩机不稳定非定常流动进行了数值研究， 分析了沿流动路径不对称结构间的相互作用［6］。 CUI M和SAULS J研究了气体流速、涡旋压缩机的几何细节等方面对吸气过程的影响［7］。 SUN S H等通过改变进气流道容积来提高压缩机性能，研究了进气流道改型后的涡旋压缩机内部流场及性能［8］。

综上所述，目前大量的研究工作都是基于计算流体力学技术对涡旋压缩机整个工作过程进行数值模拟，但对吸气阶段及其影响的研究仍不够全面。 吸气过程会产生泄漏及流动损失，进而引起吸气腔入口处气体质量流量发生变化。 为此，笔者通过建立涡旋压缩机三维非结构化动网格模型，采用数值模拟方法，深入分析吸气过程，探明预压缩现象产生机理以及对涡旋压缩机流场分布与性能等方面的影响。

1 模型建立

1.1 几何模型

涡旋压缩机流场模型示意图如图1所示，包括进气区域、 涡旋盘流域和排气区域3部分。 其中，涡旋齿型线采用双圆弧修正的圆渐开线型线［9］。

图1 涡旋压缩机流场模型

涡旋压缩机基本参数如下：

基圆半径r 2.28 mm

涡旋齿壁厚t 3.3 mm

回转半径Ror3.87 mm

涡旋齿高h 20 mm

进气口直径d114 mm

排气口直径d26 mm

1.2 网格划分

由于涡旋压缩机内部流场较复杂，采用非结构化动网格技术实现数值模拟，网格总数724 100， 对啮合间隙处网格进行加密， 层数为5层， 如图2所示。 为避免计算过程中出现网格撕裂，产生负体积，采用Smoothing和Remeshing方法对动网格进行设置，完成局部网格重构。

图2 网格划分

1.3 网格无关性验证

选取网格数量为594 210、724 100和922 003的模型进行6 000 r/min转速下的网格无关性验证，测得监测点在单一压缩腔工作过程中的压力变化曲线（图3）。 由图3可知，曲轴转角的增加使监测点处的压缩过程发生变化，压力降低为上一压缩过程结束， 压力升高为下一压缩过程开始，最低点位于啮合区域。 随着网格数量的增加，压力变化趋于一致， 网格数量为922 003和724 100的压力曲线近趋重叠，计算其理论压力与模拟压力的相对误差，前者为4.28%，后者为3.20%，因此在保证计算精度的前提下并控制计算时间，故选取网格数量为724 100。

图3 网格无关性验证

1.4 计算方法及边界条件

采用RNG k-ε湍流模型描述流体介质的流动状态，近壁面采用标准壁面函数，壁面网格设置为无滑移，选择SIMPLE算法进行计算。进气管、涡旋盘流场及排气管间重叠区域， 采用interface技术进行处理，允许流体正常流通。

边界条件设置为压力进出口，进口压力0.1 MPa，进口温度293 K，出口压力0.5 MPa，曲轴转速设置为6 000、8 000、10 000 r/min，流体介质为理想空气。

2 模拟结果与分析

2.1 吸气过程流场

图4给出了曲轴转速为10 000 r/min时不同曲轴转角下的速度流线图，可以看出吸气过程速度流线分布较为复杂，产生了不同强度的涡流区。

图4 工作腔内10 000 r/min时不同曲轴转角下的速度流线分布

进一步分析可知：

a.两侧进气流道均存在涡流区，左侧涡流位于静涡旋齿尾部下方，曲轴转角330～345°时出现涡流短暂消失；如图5所示，右侧涡流位于动涡旋齿尾部上方，不同曲轴转角下的涡流强度有所不同，曲轴转角在285～330°时涡流强度最大，涡流占据右侧吸气流道， 干扰了进气口气体正常流动，阻力损失增加。

图5 进气流道局部涡流

b.气体从进气流道进入两侧吸气腔，不同曲轴转角时动静涡旋齿尾部均出现气体回流现象。

c.两侧吸气腔吸气量不同。 右侧进气流道中部分气体将流向进气流道中的低压区域及左侧吸气腔，导致左侧吸气腔内气体质量大于右侧吸气腔。

d.进气流道沿动静涡旋齿流场分布不对称，关键因素为两侧吸气腔动静边界不同。 吸气腔内部流场分布也不对称，如图6所示，当曲轴转角在315～345°时，左侧吸气腔内出现涡流现象，流场产生局部扰动。

图6 吸气腔内局部涡流

2.2 预压缩现象

吸气过程曲轴转角θ位于（0，2π），期间吸气腔为开放式系统。当θ=2π时，吸气过程结束，吸气腔封闭。 吸气腔容积Vs计算式如下［10］：

其中，φe为型线最终展角，α为型线起始角。 吸气腔容积随曲轴转角的变化率为：

吸气腔入口面积As计算式如下：

根据式（1）～（3）可知，吸气容积在某一转角时达到最大值，之后将逐渐减小；吸气腔入口面积先增大后减小， 在曲轴转角180°时达到最大值。 图7给出了工作腔容积随曲轴转角的变化曲线，可以看出，曲轴转角310.57°时吸气容积达到最大值，后呈减小趋势，表明真实吸气过程中可能出现吸气腔容积变化导致吸气量改变的情况，从而影响压缩过程气体量， 该现象在文献［10，11］中也有所提及。

图7 工作腔容积随曲轴转角的变化曲线

在吸气腔设置6个监测点，具体分布如图8所示。 由于监测点设置不连续，吸气腔的监测曲轴转角小于吸气过程持续转角，例如对于监测点1、4， 曲轴转角在0～45°时表示压缩过程压力变化，45～360°时表示啮合过程与吸气过程压力变化，故存在监测压力大幅降低的现象。

图8 吸气腔监测点分布

图9给出了3个吸气周期吸气腔的压力变化曲线，可以看出，随着曲轴转速的增加，不同监测点吸气结束时的压力位于0.24～0.26 MPa之间，增幅为吸气压力0.2 MPa （绝对压力） 的23.5%～29.0%。不同曲轴转速下，预压缩现象发生时曲轴转角不同，6 000 r/min时约为282°、8 000 r/min时约为272°、10 000 r/min时约为261°。 两侧吸气腔因流场不对称， 导致两侧吸气腔的吸气量不同，使得预压缩阶段右侧吸气腔内压力略低于左侧吸气腔，即左侧吸气腔吸入气体由进气口吸入与未进入右侧吸气腔的两部分气体组成，其大于右侧吸气腔内进气口的吸气量。

图9 吸气腔内各监测点的压力变化曲线

曲轴转速为10 000 r/min时， 选取监测点2并结合图7、9可知， 曲轴转角310.57°时达到吸气腔容积最大值， 预压缩现象发生时曲轴转角约为261°，计算得到261～310.57°时单位转角下的压力增幅为196 Pa，310.57～360°时单位转角下的压力增幅为867 Pa，且随着吸气腔容积的减小，压力增幅愈大。

图10给出了预压缩现象发生到吸气过程结束时，动静涡旋齿尾部速度流线分布图。 曲轴转角为261～310.57°时，预压缩现象发生时吸气腔内压力增幅较小，少量气体回流与吸入气体形成涡流区。 两侧吸气腔吸气量不同引起涡流区强度与位置有所差异。 曲轴转角为310.57～360°时，压力增幅急剧上升， 吸气腔与进气流道压差变大，大量腔内气体流出，使进气流道内气体无法进入吸气腔内， 在涡旋齿尾部形成了强度较大的涡流区。

图10 预压缩局部流场变化

依据吸气腔容积变化规律，将吸气过程分为曲轴转角0～310.57°时吸气腔容积逐渐增大与310.57～360°时吸气腔的入口面积与容积逐渐减小两个过程，对预压缩现象产生机理进行分析。

第一过程，吸气腔容积逐渐增大，气体吸入进气流道与吸气腔。 吸气开始时吸气腔内压力低于进气流道压力，随着吸气腔容积增大，吸气量增多，吸气腔内压力达到吸气压力。 不同曲轴转速下吸气量不同，低转速时吸气较充分，高转速时吸气不充分。

第二过程， 吸气腔的入口面积与容积减小，吸气量持续增加，根据不同曲轴转速下流场分布特点及吸气量差异，低转速时吸气腔回流现象高于高转速时的气体回流。 随着吸气腔入口面积逐渐减小，吸气腔内回流现象逐渐减弱。

第二过程回流气体量与吸入气体量大于第一过程不充分吸气量， 可以消除不充分吸入对吸气过程的影响，部分吸入气体回流至涡旋齿尾部，产生涡流区。 不同曲轴转速的吸气过程结束压力不同，曲轴转速10 000 r/min 吸气结束时压力为0.247 MPa，低于6 000 r/min时压力为0.258 MPa。

图11给出了曲轴转角为255°、315°时吸气腔内流线分布。 由图11可知，吸气腔内回流的低速气体与吸入的高速气体形成了沿齿高方向强度不等的2～3个涡流区， 在涡流的剪切力作用下，大部分回流气体改变流向与吸入气体混合。 随着曲轴转角的增大，引起涡流区强度增强、范围扩大，吸气腔容积减小、腔内气体质量增大，吸气腔内压力不断升高，产生预压缩现象。

图11 吸气腔内速度流线分布

图12为预压缩现象发生到吸气过程结束时流场湍动能分布图。 可以看出，吸气腔内湍动能较大区域集中在啮合间隙靠近吸气腔侧与吸气腔中部。 气体泄漏导致间隙处湍动能较大；吸气腔内流速不同的气体混合产生涡流区，加剧了流场湍动程度。 随着曲轴转角的增大，湍动能逐渐增大并向啮合区域移动，与图11吸气腔内流线分布相吻合。

图12 工作腔内湍动能分布

2.3 模型可靠性分析

为了验证工作腔内部流场模型的正确性以及预压缩现象分析的合理性，通过将发生预压缩现象时曲轴转角区间与进气流道、吸气腔内流场分 布 规 律 与 已 有 研 究 文 献［10，12，13］进 行 对 比 分 析。考虑不同工况条件下流场参数的差异性，可知笔者所得预压缩现象流场分布规律与上述研究中的流场分布趋势一致，验证了流场模拟的合理性和预压缩现象分析的可靠性，相关结论对后续的流场模拟研究具有一定的参考价值。

3 结论

3.1 吸气过程两侧的进气流道与吸气腔内均存在不对称流场分布现象，导致进气流道产生不同强度的涡流区，干扰气体进入吸气腔。

3.2 吸气腔容积先增大后减小， 吸气量持续增加， 腔内不同流速气体沿涡旋齿高方向形成2～3个涡流区，腔内湍动能不断增大，压力升高，产生预压缩现象。

3.3 预压缩现象导致吸气腔内压力增幅为23.5%～29.0%， 造成实际吸气量与理想吸气量不同，涡旋齿尾部涡流现象加剧，影响整机运行效率。 随着曲轴转速的增加，预压缩现象发生时曲轴转角提前10～21°不等，吸气腔内沿齿高方向涡流区强度逐渐增大。