涡旋式压缩机润滑系统研究

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题目：涡旋式压缩机润滑系统研究

摘要：通过建立数学模型，运用理论分析、数值模拟和实验研究的方法，对涡旋压缩机的润滑系统特性进行研究，并对轴转速、润滑油温度、油泵系统结构参数等方面对润滑油系统的影响，基于流体动力学知识，利用CFD软件对润滑油流动特性进行仿真模拟，从而得出润滑油的速度、压力分部特征，油池中润滑油速度分部情况建立轴转速、润滑油温度和油泵构造参数与润滑油流量之间的关系，为涡旋压缩机润滑系统的优化设计提供理论依据。

关键词：涡旋压缩机 润滑油系统 流动特性 仿真模拟

一 涡旋式压缩机润滑系统国内外研究现状1.1国内研究现状

涡旋式压缩机最早诞生于1905年，由法国工程师 Leon Creux 发明的，由于加工技术的局限性，80年代初才开始批量生产。70年代开始，由于能源危机的加剧和高精度数控铣床的出现，为涡旋机械的发展带来了机遇。李超教授根据涡旋式空气压缩机润滑系统管径小和润滑油粘性较大的特点，对涡旋式空气压缩机润滑系统的流动进行了理论研究，将润滑油的流动简化为层流流动，建立了润滑系统油量分配模型，运用流体力学理论，并依据油量分配模型推导出了润滑油路系统的流量和功耗计算公式，为涡旋式空气压缩机润滑系统的设计提供了一定的理论依据。赵兴艳、刘振全建立了涡旋压缩机润滑系统性能分析模型, 分析了润滑系统各部分的流量关系, 确定了润滑系统润滑油量的优化准则，对润滑系统的关键设计参数的确定方法和润滑系统整体结构参数的合理匹配原则进行了讨论。杨育民、乔宗亮系统地分析了涡旋压缩机整个润滑系统的特性，建立了润滑系统整体性能的模型。该模型可用来确定最佳的关键设计参数，保证系统具有满意的性能， 并且对理论计算结果与实验数据进行了比较， 验证了理论模型的正确性。王艳珍，刘春慧，耿玮指出压缩机在工作过程中，轴与轴承相对旋转产生较大摩擦，因此泵油润滑系统在压缩机中是不可缺少的部分。陈志明、熊则男则提出了考虑到润滑油影响的压缩腔和背压腔工作过程数学模型, 并对压缩过程进行了计算模拟，在此基础上, 进行了一定运行条件下的实脸研究, 得到了流入压缩腔内的润滑油量与涡旋压缩机容积效率、压缩功率损失、背压和排气温度的关系曲线。泵油润滑循环过程是一个复杂的动态过程，为了了解供油系统各部件特性，应用商用CFD软件，采用气液两相分离模型对整个泵油系统进行数值模拟，并做了相应简易模型和实验进行验证，二者结果很接近，验证了泵油系统采用此种CFD建模思路的可行性，为泵油系统的优化设计提供理论依据。

1.2国外研究现状

丹麦Danfoss公司利用CFD软件对涡旋压缩机润滑系统进行了数值仿真，得出了润滑油自由表面形状和轴承内润滑油流量，将仿真结果与实验结果进行了对比，验证了仿真模型的正确性。LG公司的Chang-Joo Shin等，研究了空调用涡旋压缩机供油系统的特点，将润滑油循环等效为电流循环，应用基尔霍夫定律在供油系统各节点建立关于流量、压力差、阻力的方程组并对其求解，将数值解与实验结果进行了对照，验证了模型的正确性。美国特灵空调公司的Michael M. CUI利用CFD软件研究润滑油系统，他将油孔中的润滑油处理为复杂的Eulerian- Eulerian多相流，建立了质量、体积、动量和能量守恒方程，在气液两相流中运用了K-S紊流模型。韩国Korea University的Yongchan Kim利用CFD软件研究了变转速涡旋压缩机的供油系统，对转速为40Hz-60Hz下的涡旋压缩机的润滑系统进行了模拟，得出了转速对涡旋压缩机供油系统的影响，并将模拟值与实验值进行了对比，它们的误差为12.8%。

二 研究方法

   用的研究方法是理论研究、数值模拟和实验研究相结合的方法

2.1 理论研究

利用流体力学、流体润滑理论对润滑系统进行理论分析，建立润滑系统各个润滑部件的数学模型。

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图1   涡旋压缩机结构图

图1为要研究的涡旋压缩机结构图，该机为高压型制冷用涡旋压缩机，本课题拟建立主轴油孔中润滑油的速度、压力分布情况，以及润滑油在主轴油孔中的分布情况，建立主轴油孔润滑油自由液面方程。建立主轴和副轴处径向供油孔的流量、压力和阻力关系模型。建立动涡盘轴承与滑块间隙和滑块与曲轴销间隙间的油量分布（见图2）。将润滑油循环等效为电流循环，使电流与润滑油量相对应，电压与润滑油压力降相对应，电阻与润滑油流动阻力相对应，利用电学中的基尔霍夫定律在润滑循环各个节点，建立关于流量，压力、阻力的若干方程组，利用数值计算的方法解该方程组，得出未知参数。并将计算值与实验值相比较，验证模型的正确性。

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图2  润滑油循环图

涡旋压缩机属一种容积式压缩的压缩机，压缩部件由动涡旋盘和静涡旋组成。包括使通过压缩机壳体的气体的分路流动方式以减少夹带的油的许多结构特征。在进入壳体之后，某些气体向上流动以减少了向下朝向油的流动的气体量。为了实现这目的，压缩机的电动机可以被套筒包围，该套筒具有用于引导气流到达电动机的上和下定子端部诸匝线圈的上和下孔。在某些实施例中，相对于在定子与电动机壳体之间的两气体通道重要地对吸入进口定位。该进口的位置使一通道接纳进入气体和将该流动分为沿两相反方向即向上和向下的流动。其它的通道仅传送气体向上。此外，吸入挡板、扩散件、流线型平衡重块和/或吸入管捕油件也能有助于气油分离或使夹带的油最少。

涡旋式压缩机的主要零件包括动涡盘、静涡盘、支架、偏心轴及防自转机构，这些零件的装配关系见图3。

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    1.1涡旋压缩机的主要零件                      1.2涡旋压缩机的压缩腔

1—静涡盘    2—动涡盘    3—防自转机构   1、2、3压缩 4—偏心轴      5—支架

图3零件的装配关系

2.2 数值模拟

利用流体动力学软件，对润滑系统进行仿真模拟，研究整个润滑系统的润滑特性随压缩机运转工况的变化情况， 得出润滑部件结构参数与润滑油流量的关系，为润滑部件的设计提供理论参考。

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图4数学模拟方法的操作程序

2.3 实验研究

    搭建润滑油流量、压力、阻力等参数测试平台，验证数值模拟的正确性。

三 存在的问题

在涡旋式制冷压缩机中润滑油起到润滑各摩檫副、在密封面形成油膜、提高或保证密封的作用，同时还可以带走一部分热量达到冷却的目的。涡旋压缩机的摩檫副较多，这也是与其他机械相比较一个不足之处。

四 总结

润滑油不仅可降低机器的摩擦、磨损，起密封、冷却作用外，还具有防锈防腐、清洗摩檫副和降低运转噪声的作用。对于制冷用涡旋压缩机而言，制冷剂中的含油率还影响着压缩机的容积效率，进而影响压缩机的制冷量。涡旋压缩机的滑动轴承大多是典型的动压润滑径向滑动轴承， 其工作状况不仅与轴颈和轴承的材料性质有关， 更重要的是取决于润滑系统的性能。涡旋制冷压缩机润滑系统的工作机理是比较复杂的，目前对涡旋压缩机润滑系统尚没有比较系统的分析研究。

在涡旋盘之间，如齿顶与齿底、动涡盘与静涡盘的齿侧啮合面、动涡旋盘的周边圆盘面与静涡旋盘圆盘的底面等摩檫副不仅需要精确地加工，保证表面质量和相互关系，还需要有润滑油来减少摩檫、降低磨损并保证良好的密封。在驱动系统中，曲轴的主副轴承，动涡旋与曲柄销间的轴承和相应的防自转机构等都是影响机械效率的摩檫副。各种防自转机构中，十字滑块机构是较难实现润滑的，尤其是立式涡旋压缩机中位于动涡旋下面的一对键槽，一般只能依靠平衡铁打起的油雾来润滑。

压缩机的供油油路中，润滑油流量、分配、流动、温度等具体参数对涡旋压缩机的性能有明显的影响。当油量过少时，打不到上述目的。而当供油量过多时，循环的油量增加，影响容积效率，甚至造成液击，影响正常工作。因此，设计出合适的供油量对涡旋压缩机的可靠运转和性能保证非常重要。

参考文献

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[3]李超.   驱动轴承内嵌式涡旋压缩机特性研究[D]兰州理工大学 2007

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[10]赵兴艳，刘振全．涡旋压缩机润滑系统润滑油量优化分析 [J]．甘肃工业大学学报，1997，23(2)：37-41．

[11]王艳珍，刘春惠． 旋转压缩机曲轴泵油系统的数值模拟[C]．第三届工程计算流体力学会议文集， 692-696．

                               姓名：李国永

                                      专业：制冷及低温工程

                                    学号：122080705001