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        风冷无油涡旋空气压缩机涡盘温度场数值计算

        来源真空技术网www.ismp.tw南昌大学机电工程学院作者王俊亭

        涡盘温度场是变形计算的基础为了进行温度场的有限元计算通过压缩区域的划分把动态的空气压缩过程转换为静态的热通量边界条件由冷却风测量结果计算得到冷却风换热系数边界条件假设涡齿温度在展角整个?#27573;?#32447;性分布动定盘涡齿平均温差为0棬对涡盘温度场进行了初次计算在温度场初次计算结果与定盘温度测量值对比以及涡齿几何特点分析的基础上以涡齿温度线性起始角动定盘压缩区域平均温差为调整参数热通量计算时的动定盘涡齿温度条件和有限元温度场计算结果误差介于±0. 2为目标进行热通量和温度场的迭代计算得到了与热通量计算时涡齿温度条件定盘温度测量结果相符的涡盘温度场

        涡旋压缩机?#24418;?#23450;高效可靠的优点其切向泄露完全取决于动定涡盘径向间隙径向间隙过大排气量排气压力效率下降径向间隙过小工作过程中涡盘温升变形容易导致碰撞不能正常运行空气的?#28909;热?#36739;小风冷无油涡旋空气压缩机工作过程中温度较高温升对涡盘变形的影响更为明显为了获得涡盘温度升高后的变形规律?#33539;?#21512;理的配合间隙以及对涡齿进行局部修正首先需要求解涡盘温度场

        有限元计算常用于温度场变形的求解计算结果的准确与否与边界条件紧密相关已有的涡盘温度场研究缺乏实验验证研究过程涡盘简化为涡齿涡齿温度按照展角直接线性加载或分块加载测量点的温度或按照涡盘半径线性加载或涡盘?#34892;?#20301;置加载排气温度边缘位置加载吸气温度由于容腔位置在不断变换且内外容腔移动速度并不相同无法?#33539;?#25442;热系数的准确值和?#34892;?#25511;制换热系数加载位置的移动在压缩区域以换热系数的方式加载边界条件也并不合适这些温度场计算模型均与?#23548;?#20986;入较大而使用流固耦合计算时流场网格需要进行重构径向间隙处网格质量不能满足计算要求

        本文把动定盘压缩区域划分为多个子区域由空气压缩的热力学过程计算得到各子区域的热通量作为温度场计算压缩区域的边界条件热通量计算时若子区域内涡齿的温度较高则该子区域的吸热量较少热通量计算结果?#31995;ͣ?#23548;致温度场计算结果低于热通量计算时的涡齿温度相反温度场计算结果则高于热通量计算时的温度基于这过程首先预设热通量计算时压缩区域的温度边界与温度场计算结果进行比?#38498;?#35843;整热通量计算的温度边界直至两者相符从而得到与热通量计算时温度边界定盘温度测量值一致的动定盘温度场

        1定盘温度测量及换热实验关联式

        1.1定盘温度测量过程

        空气涡旋压缩机测试平台由合肥通用机械研究院研制通过了国家标准验收测试平台主要包括PC 机电机PK69 型启动控制柜JK69 型仪表柜热电偶MDM3051 智能压力/差压变送器储气罐从涡齿外端每π 个展角钻一个深入涡齿的测温孔用Pt100 热电阻测量定盘涡齿温度分布如图1所示

        涡齿温度测量

        图1 涡齿温度测量

        1.2格林尼斯基换热实验关联式

        冷却风和压缩空气均为强制对流换热格林尼斯基公式是常用的对流换热实验关联式既适用于过渡流也适用于湍流已包含了短管入口修正

        涡齿温度测量

        式中Nu 为努塞尔数Re 为?#30528;?#25968;Pr 为普兰特数fg为达尔西阻力系数费罗年柯公式表达为fg =(1.82lgRe -1.64) -2Dequal为管道当量直径Dcurve为管道的弯曲直径l 为管道长度空气压缩过程时取内涡旋线长度Tg为空气温度( 单位为K) Tw为壁面温度( 单位为K在温度场计算过程中动态提取换热面平均温度)

        2结论

        通过对冷却风风速和冷却风排气温度的测量计算出动定盘冷却风质量流量结合动定盘冷却风流道尺寸测量结果由格林尼斯基对流换热系数公式得到了冷却风换热系数并对定盘换热系数进行了弯曲管道效应修正对动盘冷却风换热系数进行了振动效应修正

        通过子区域的划分结合气体压缩过程热力学过程得到了子区域各换热面积的热通量为动定盘温度场计算边界条件的设定提供了一种可靠的方法

        通过热通量计算时涡齿温度的设定值和温度场计算结果的对比对涡齿温度线性分?#35745;?#22987;角和动定盘压缩区域平均温差进行调整迭代得到了与热通量计算时涡齿温度设定值定盘温度测量值一致的动定盘温度场

        动定盘涡齿温度场等温线呈螺旋状向外展开散热区域温度场等温线分布接近于漏斗状温度场的分布特点与风冷涡旋空气压缩机压缩散热过程相符

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