关于涡旋压缩机动力性能的数值模拟研究现状综述

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   关于涡旋压缩机动力性能的数值模拟研究现状综述

摘要：本文从涡旋压缩机整机性能仿真的实际出发，对影响性能的关键零部件动、静盘的涡旋齿高度、涡旋齿厚度、涡旋截距、主轴转角等参数进行气体力及其它关键零部件受力分析。从而，从动力特性层面来深入分析双涡圈涡旋压缩机性能影响因素，为最大程度的提高涡旋压缩机性能提供参考。

关键词：涡旋压缩机、受力分析、动力特性

一、涡旋压缩机国内外研究现状  

    自从涡旋机械诞生以来，由于其固有的优点，得到了许多研究者的青睐，许多研究成果被不断的应用于生产实践，使涡旋压缩机的整体性能得到了很大的提高。

    纵观涡旋压缩机各方面的文献，可以将涡旋理论的研究总结为以下几个方面：

    1）型线理论研究；

    2）数学模型及结构优化研究；

    3）机构模型研究；

    4）热力特性研究；

    5）动力特性研究；

    6）容量调节及其他方面的研究。

    其中对双涡圈涡旋压缩机方面的研究也在不断地深入。

    日本学者E.Morishita（森下悦生）最早提出了用圆的渐开线作为双涡旋齿的内外侧型线。

    顾兆林建立了圆的渐开线的双涡圈涡旋压缩机的几何理论，并进一步推导了任意齿数的多涡旋齿的主轴偏心量、工作腔容积以及铣刀直径的计算公式，研究了涡旋体和铣刀的干涉问题及几何排气角，推导了采用圆弧型线的修正的计算公式及相应的排气角计算公式；分析了双涡圈涡旋压缩机工作过程的基本特征。表明涡旋齿数及涡旋齿厚度对压缩机的工作容积和压力比等热力性能参数影响较大。为双涡圈涡旋压缩机的进一步研究提供了几何理论基础。

    刘振全、高燕建立双头涡旋齿涡旋压缩机工作过程的热力学模型，其中模型包括润滑油和气体的泄漏以及各孔口处的节流。在任意圈数单头涡旋齿涡旋盘所受气体力模型的基础上，提出了整数圈数和非整数圈数的双头涡旋齿涡旋盘的气体力模型。分析了结构参数和技术参数对气体力的影响程度。

    王君创建了双涡旋齿能够实现完全啮合的双圆弧型线修正方法，并建立了型线修正的几何理论，得到了修正型线方程、修正涡旋齿轴向投影面积和任意曲轴转角下的压缩腔容积的精确计算公式，分析了各齿形参数对修正涡旋齿性能的影响，如：压缩比和涡旋齿头强度等；并将双圆弧修正方法扩展到三涡旋齿及四涡旋齿的场合，得出了多涡旋齿双圆弧修正的通用生成方法，完善了的多涡旋齿双圆弧型线修正理论。并建立了多涡旋齿的正多边形渐开线、代数螺线等7种基本涡旋型线，并确定了使用条件和型线生成方程。为双涡圈涡旋压缩机的开发建立了型线理论基础。

    李超根据双涡圈涡旋式增压器的工作原理，通过分析双涡圈增压器的几何理论，推导出了内涡圈切削后的工作腔容积和容积比，并通过实例计算得出了涡圈中心渐开面始、终展角差值随压力比的变化的关系。为双涡圈涡旋增压器的设计计算和进一步的理论研究提供了依据。李超、余鹏飞对驱动轴承内嵌式双涡旋齿涡旋压缩机建立了吸气容积、排气容积、压缩比的计算公式；对作用于双涡旋齿动涡盘的气体力建立了分析模型。计算结果表明：驱动轴承内嵌式双涡旋齿涡旋压缩机相对于传统的双涡旋齿涡旋压缩机，切向、轴向和径向气体力均减小；相对于驱动轴承内嵌式单涡旋齿涡旋压缩机，波动幅度小，运行更平稳，更适合于压缩比小、输气量大的场合。

    赵嫚推导了双涡圈涡旋压缩机工作过程中任一涡齿数量所形成封闭腔个数的计算公式；通过对各腔室在任一曲轴转角下轴向投影面积的求解，得出双涡圈涡旋压缩机各向气体力的计算式；通过同压缩比、排气量下双涡圈和2种单涡圈涡旋压缩机气体力的对比得出：双涡圈结构的轴向气体力和切向气体力的波动量小，约为自身均值的1.3%；在减小涡盘尺寸和回转半径万面存在优势，但会使某项气体力数值增大，大排气量场合应用时应给予关注。

    在性能方面的研究主要集中在单涡圈涡旋压缩机上，王训杰利用所编写的MATLAB程序计算了单涡圈涡旋压缩机的基本参数，该程序可方便计算涡旋压缩机设计所需的基本参数、绘制受力变化曲线和体积变化曲线。基本实现设计参数自动完成。其次，利用三维工程设计软件Pro/Engineer对涡旋压缩机进行零部件的3D建模、虚拟装配和动涡旋静平衡计算。然后利用ADAMS在PRO/E中的嵌入模块Mechanic/Pro，直接将建好的三维模型转换到ADAMS环境中来，建立运动学、动力学分析模型，对涡旋压缩机整机运动进行仿真。实现涡旋压缩整机运动状态的可视化，为进一步分析涡旋压缩机运动学、动力学奠定了基础。之后，又利用Pro/E的数控代码生成功能，探索圆的渐开线涡旋型线的加工方法，为降低加工成本、提高加工精度找到新的方法。郎铁军采用美国空调与制冷协会标准ANSI/ARI 540提供的“三次方十系数”方法对某品牌的定转速涡旋压缩机进行了性能参数的仿真模型建立，同时对压缩机质量流量和输入功率进行了吸气过热度修正，在制冷剂物性计算方而采用了N1ST Relpiop7.0物性计算软件，通过Refprop在Matlab仿真程序中的调用，顺利实现热物性与传输特性计算。该压缩机仿真模型精度较高且调用方便为制冷系统仿真奠定了基础。   

    目前国外对涡旋压缩机的研究主要集中在美国和日本。最早E. Morishita 建立了涡旋压缩机分析模型，包括几何模型和动力学模型；J.L.Caillat建立了涡旋压缩机计算机分析模型；C.Schein建立了涡旋压缩机工作过程模拟模型；Chen Yu建立了详细而全面的涡旋压缩机数学模型，包括详细的压缩过程和全面的压缩机模型，该模型可用于测试在运转工况和设计变化时涡旋压缩机的性能特点；Eric Winandy建立了封闭涡旋制冷压缩机数学模型并通过实验验证了模型的正确性。

二、目前涡旋压缩机建立数学模型的基本方法

    建立数学模型的方法没有固定的模式，但一个理想的模型应能反映系统的全部重要特征：模型的可靠性和模型的使用性 数学建模的基本方法可以分为三类：机理分析、测试分析、计算机仿真。

   （1） 机理分析

   根据对现实对象特性的认识和了解，分析其因果关系，找出反映内部机理的数学规律 所建立的模型常有明确的物理或现实意义，建立模型所采用的数学工具有初等数学方法、图解法、比例方法、代数方法、微分方程方法、组合方法、优化方法、线性规划方法、逻辑方法等。

   （2） 测试分析（数据分析）

    当我们对研究对象的机理不清楚，内部机理无法直接寻求的时候，可以将研究对象视为一个“黑箱”系统，通过测量系统的输入输出数据，并以此为基础运用统计分析方法，按照事先确定的准则在某一类模型中选出一个数据拟合得最好的模型 建立模型所采用的数学工具有回归分析法、时间序列分析法等 对于许多实际问题还常常将这两种方法结合起来使用，即用机理分析方法建立模型的结构，用系统测试方法来确定模型的参数，也是常用的建模方法。

   （3） 计算机仿真

    在计算机上模仿各种研究对象的运行过程，观察系统状态的变化，从而得到对系统基本性能的估计或认识 当系统中存在众多随机因素，难以构造机理性的数学模型或用数据分析建模时，可以采用仿真的方法得到系统的动态特性，进而掌握系统的规律，但一般不可能得到解析解。

三、关于涡旋压缩机研究存在的问题

    在以往的研究中对涡旋压缩机的单个零件考虑较多，缺乏对整个系统的全面考虑。涡旋压缩机中的摩擦损耗、泄漏以及独有的热力特性参数等都是影响压缩机效率的关键因素，因此如何通过动力学分析并模拟计算双涡圈涡旋压缩机的性能显得尤为重要。

四、总结

    涡旋压缩机是继往复活塞式压缩机和螺杆式压缩机之后的又一种新型高效的流体机械，被公认为是技术最先进的第三代容积式压缩机。它具有结构简单、效率高、噪音低、省材、可靠性高、振动小和成本低等优点，而且其制造技术已趋于成熟。由于其突出的优点也引起了许多国家的重视，目前已在制冷、空调、各种气体压缩、发动机增压以及增压泵等领域得到了广泛的应用

五、参考文献

[1] 李连生．涡旋压缩机[M]．北京：机械工业出版社，1998

[2] 彭斌．基于现代设计方法的双涡圈涡旋压缩机研究[D]．兰州理工大学博士学位论文，2007

[3] 刘振全．涡旋式流体机械与涡旋压缩机[M]．机械工业出版社，2009

[4] 顾兆林．双涡圈涡旋理论及应用研究[D]．西安交通大学博士学位论文，1997

[5] 顾兆林，郁永章．涡旋压缩机设计计算研究[J]．流体机械，1996

[6] 顾兆林，郁永章，冯诗愚．涡旋压缩机及其它涡旋机械[M]．陕西科学技术出版社，1998

[7] 郎铁军，马国远，马立章．基于MATLAB的全封闭涡旋压缩机性能仿真[J]．流体机械学报，2010

[8] 原思聪．MATLAB语言及机械工程应用[M]．机械工业出版社，2009

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