无油润滑涡旋式空气压缩机的工作过程研究

无油润滑涡旋式空气压缩机的工作过程研究

房师毅　李连生　束鹏程　杨传波

西安交通大学流体机械与压缩机国家工程中心,西安,710049

摘要:与有油润滑涡旋式压缩机相比,无油润滑涡旋式压缩机的工作过程尤其是泄漏情况有很大的不同。对非设计工况下的容积比变化以及由此造成的泄漏量与压缩指示功等变化进行了理论研究,结合0116m 3/min 无油润滑涡旋式压缩机(转速为2060r/min )的性能测试结果,分析了造成一系列参数变化的原因。研究结果为无油润滑涡旋式空气压缩机的设计奠定了理论基础。

关键词:涡旋式压缩机;无油润滑;工作过程;泄漏中图分类号:TH455 文章编号:1004—132Ⅹ(2005)02—0123—05

Study on Working Process of an Oil -free Scroll Air Compressor

Fang Shiyi Li Liansheng Shu Pengcheng Y ang Chuanbo National Engineering and Research Center of Fluid Machinery and

C om press or ,X i ’an Jiaotong University ,X i ’an ,710049

Abstract :C om pared with the scroll com press or lubricated with oil ,the oil -free scroll com press or has differ 2ent w orking process and leakage situation.The researches in this paper were mainly focused on the changes of v olu 2metric ratio under real w orking conditions ,which deviated from design w orking conditions ,and the changes of leak 2age rate and indicated w ork.Based on the test of an oil -free scroll com press or ,which has an air delivery of 0116m 3/min and a rotational speed of 2060r/min ,the reas on why the basic technical features have been changed was investigated.The research is the foundation for design an oil -free scroll com press or.

K ey w ords :scroll com press or ;oil -free ;w orking process ;leakage

收稿日期:2004—01—13

0　引言

涡旋式压缩机具有结构紧凑、效率高、运转可靠、噪声低等特点,在制冷与动力领域的应用越来越广泛[1]。目前,有油润滑的涡旋压缩机在市场上占据主导地位,无油润滑的涡旋压缩机尚处于开发阶段。其中,无油润滑涡旋式压缩机的研究在我国才刚刚起步,还很不完善。由于无油润滑的涡旋式压缩机较其他形式的无油压缩机在结构、工作效率、可靠性、振动及环保等方面有着不可替代的优势,因此,对无油润滑的涡旋式压缩机的研究以及尽快实现产品的国产化,已经成为当今国内涡旋压缩机研究领域的热点。

在无油润滑涡旋式压缩机中,被压缩介质不再是油气混合物,热力过程的分析对象为纯气体,空气压缩机则可以假设为理想气体。尽管这种压缩机的动涡盘、静涡盘采用自润滑材料或在金属材料的表面进行涂层处理,但其润滑状况与有油涡旋式压缩机的相比相差甚远。另外,材料不同,极限pv 值与许用[pv ]值便不同[2],因此,无油涡旋式压缩机有特定的工作转速范围要求。

要实现无油润滑涡旋压缩机的正常工作,必

须首先解决以下三个方面的问题:①动涡盘、静涡

盘采用自润滑材料,涡旋压缩机可以在较高转速下运行;②保证动涡盘、静涡盘的端面和侧面之间足够小的间隙,尽可能减少泄漏;③采用合理的结构布局,解决压缩过程中的散热问题。

1　数值模拟

1.1　基本假设

(1)压缩空气始终可看作理想气体,控制容积

内气体参数均匀。

(2)由于干空气温度从20℃到120℃变化时,定压比热容变化很小,故定压比热容c p 取定值。(3)机器转速恒定,忽略吸排气过程中的损失和气流脉动。1.2　一般方程1.2.1　能量方程

取任一对封闭容积为控制容积。忽略气体流进/流出控制容积的动能和势能变化,由以上假设,根据热力学第一定律和质量守恒定律得

d (mu )=d Q +

∑h i d m i -∑h o d m o +d W

(1)

式中,m 为控制容积的气体质量;u 为气体内能;m i 为进入控制容积的气体质量;m o 为流出控制容积的气体质量;

h i 为进入控制容积气体焓;h o 为流出控制容积气体焓;Q

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321・无油润滑涡旋式空气压缩机的工作过程研究———房师毅　李连生　束鹏程等

为热量;W 为功。其中d Q =0,d W =-p d V c (p 为气体压力,V c

为控制容积),故有

d (mu )=-p d V c +

∑h i d m i -∑h o d m o

(2)

1.2.2　气体压力随主轴转角变化的基本关系式

涡旋压缩机控制容积内气体压力变化率的方

程式[1]为

d p d θ={1v [(5h 5v )T -(5h 5T )v (5p 5v )T /(5p 5T )v ]d v

d

θ-1V c [∑

(d m i d θ(h i -h ))+d Q d θ]}{[1-(5h 5T )v ]/[v (5p 5T

)v ]}(3)式中,θ为涡旋压缩机主轴转角;v 为比体积;m i 为第i 压缩腔的控制容积的气体质量;h i 为第i 压缩腔的控制容积的气体比焓。

根据基本假设,将理想气体的状态方程pv =

RT (R 为气体常数)及气体焓值计算式

h =c p T 代入式(3)得

d p d θ=c p T v d T d

θ-1V c

{[

∑c p

(T

i

-T )

d m i d θ]+d Q

d θ}/(1-c p R

)(4)

式中,T i 为第i 压缩腔的控制容积气体温度值。

1.3　泄漏模型

与其他结构形式的压缩机一样,在涡旋压缩

机的工作过程也同样存在着内外两种泄漏。按照涡旋压缩机的泄漏通道,可以分为通过径向间隙的切向泄漏和通过轴向间隙的径向泄漏两种。其中,通过最外面的压缩腔的泄漏间隙(径向间隙和切向间隙)向压缩腔吸气管路的泄漏属于外泄漏,相邻两个压缩腔(中心压缩腔及所有封闭的压缩腔)之间的泄漏属于内泄漏。

1.3.1　通过径向间隙的切向泄漏计算模型

气体通过轴向间隙的流动,可以假设为一元稳定流动,位能的影响忽略不计,由于流动的时间足够短,气体与压缩机壁面之间来不及换热,因此热力过程可以假设为绝热过程,则一元稳定流动的能量方程为

d h +

12

d v 2

=0(5)

于是,气体通过径向间隙从第i 个压缩腔向第i +1个压缩腔泄漏时的流动速度为

v i =

2(h i -h i +1)(6)

单位回转角的泄漏量为

d m lt i d

θ=αr ρi (θ) c r H

ω2[h i (θ

)-h i +1(θ)](7)

式中,m lt i 为第i 个压缩腔内气体泄漏质量;ω为动涡盘转

动角速度;H 为涡卷高度;ρi (θ)为在压缩机转角为θ时的第i 个压缩腔内气体密度; c r 为平均径向间隙;αr 为径向流量系数,与流量、泄漏通道的形状等有关,一般情况下αr =0187～0195。

则,根据绝热过程可以表示为

d m lt i d

θ=αr ρi (θ) c r H

ω2k k -1

RT i (θ

)[1-(p i +1(θ

)p i (θ

))]k -1k (8)

1.3.2　通过轴向间隙的径向泄漏计算模型

气体通过轴向间隙的流动,可以采用同样的

假设进行计算,单位回转角的泄漏量为

d m lt i d

θ=αt ρi (θ)c t L r i (θ

)ω2[h i (θ

)-h i +1(θ)](9)式中,αt 为轴向流量系数,一般情况下αt =0190～0195;c t

为轴向间隙;L r i (θ

)为压缩机转角为θ时的径向泄漏线长度,L r i (θ)=2a π(2i π-θπ/180)。

按照理想气体计算,有

d m lt i d

θ=αt ρi (θ)c t L r i (θ

)ω・2k k -1

RT i (θ

)[1-(p i +1(θ

)p i (θ

))]k -1k (10)

式中,k 为气体绝热指数。

1.4　控制容积的选取

在涡旋压缩机工作过程中,根据主轴转角的变化,封闭的压缩腔数发生周期性变化。圈数为

n (非整数)的涡旋压缩机在0°≤θ≤360°范围内

各压缩腔的变化情况和发生泄漏的情况见图1。

θd ———排气角　θs —

——开始吸气角图1　涡旋压缩机压缩腔和泄漏性质示意图

本文采用三腔控制容积法[3](见图2)计算压

缩过程的泄漏量和气体泄漏消耗指示功。

由于涡旋式压缩机属定容积比机械,当吸气压力一定时,其压缩终了的气体压力也大约为一定值。但在实际使用过程中,它的排气压力却是变

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421・中国机械工程第16卷第2期2005年1月下半月