36cc涡旋压缩机动静涡旋盘流场及流固耦合分析

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涡旋压缩机因高效节能、结构紧凑、省材低噪、运行平稳、变转速特性好等特点,被广泛应用于飞机、坦克、电动汽车等大型设备的空调系统。以往车用涡旋压缩机以内燃机为动力驱动,主轴转速在3000rpm-6000rpm范围内,而电动汽车用涡旋压缩机采用无刷直流电机驱动,最高转速高达10000rpm以上。转速提升导致压缩机动、静涡旋盘的工作环境要求提高,迫切需要探究分析动、静涡旋盘啮合过程冷媒介质的流动状态,进而影响了涡旋压缩机动、静涡旋盘的制造。因此,研究冷媒介质在动静涡旋盘压缩流动特性是影响动静涡旋盘设计与加工制造的关键问题之一。本课题是科技部“科技助力经济2020”重点专项项目的子课题,针对贵州某公司研制的36cc排量的涡旋压缩机,以R134a冷媒为流动介质,研究动、静涡旋盘啮合过程冷媒的流动特性和流场对动、静涡旋盘的作用。具体内容如下:(1)在ANSYS fluent软件中,通过2.5D动网格技术实现流场边界移动和网格变形设置,以R134a冷媒为流动介质建立了涡旋压缩机的内部流场分析模型,分析了涡旋压缩机动静涡旋盘流场得到流场的压力、速度、温度的分布。工作腔压力分布较均匀呈中心对称分布;速度分布不均匀且不对称,间隙处速度最大,各压缩腔内和吸气流道存在涡流;腔内温度分布不均匀,靠近中心腔区域温度最高;泄漏是引起工作腔内压力场、速度场、温度场分布不均匀的主要原因;涡旋齿内外侧壁面的压差主要存在对应中间压缩腔的区域,涡旋齿始端和尾端的压差较小。(2)涡旋压缩机在入口压力0.21MPa、出口压力1.22MPa,转速范围7200-10800rpm工况下,随转速升高流场各压缩腔内的压力升高,相邻压缩腔间的压差增大;工作腔内平均温度、排气温度、泄漏速度和平均流速均随转速升高而增大。动涡旋盘在流场作用下X、Y方向上所受气体力、轴向气体力和倾覆力矩均随转速的升高而加大,并且波动幅值也在不断增大,10800rpm时与之对应的波动幅值分别为463.3N、267.7N、595.0N·mm。(3)根据内部流场分析数据,采用单向流固耦合方法分析动、静涡旋盘的应力变形规律,重点考虑阳极化处理动盘的变形特征。研究结果表明:流场对阳极化处理后动涡旋盘和铝基体的动涡旋盘变形作用差异化不明显,其差异体现耐磨性方面;径向变形发生于动、静涡旋齿对应压缩腔区域的齿顶最大变形分别为48.26μm、57.01μm,轴向变形发生在齿头齿顶最大变形分别为45.16μm、44.53μm。涡旋齿径向变形受压差和温差共同作用,轴向变形主要由温度载荷引起;温度、压力和惯性载荷耦合作用下涡旋盘齿变形分布与温度单独作用时类似,与其余载荷相比温度影响最大;涡旋齿变形主要影响压缩腔与吸气腔之间的径向啮合间隙,使涡旋齿始端轴向间隙变小。通过上述研究,本课题探讨了R134a冷媒在动静涡旋盘压缩过程中的流动规律,有别于常规的理想气体的模拟计算方法;进而研究了R134a冷媒流场对表面阳极化的动涡盘的影响作用,为涡旋盘的设计与制造提供理论支撑,具有重要的的工程指导意义。
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