滾動轉子式壓縮機吸氣口設計流固耦合仿真及實驗研究

梁社兵 胡余生 徐嘉 楊國蟒

1.國家節能環保制冷設備工程技術研究中心 廣東珠海 519070

2.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 廣東珠海 519070

1 引言

滾動轉子式壓縮機結構簡單，工藝性好，被廣泛的應用于制冷空調領域。近年來，國內滾動轉子式壓縮機生產研發已經得到了快速發展，各空調廠家對壓縮機性能要求越來越高，同時對壓縮機成本要求也越來越高。為了有效的降低壓縮機成本同時保證高能效，各壓縮機廠家都在采用小系列、輕量化的研發策略，即同排量下采用小系列壓縮機替代大系列壓縮機，從結構上降低壓縮機成本。壓縮機體積變小后回引發一系列的設計問題需要研究，其中分液器及吸氣管設計就需要深入研究。從現有研究文獻來看，壓縮機吸氣結構的設計對壓縮機性能影響的研究較少，各壓縮機廠家對吸氣管設計都是在該系列結構上設計到最大，對吸氣管的設計沒有設計標準。在小系列、輕量化研發背景下，本文研究了在不同工況、運行頻率及不同排量設計時吸氣口最小截面積對壓縮機吸氣損失功耗的影響規律，并通過方差分析得到了回歸方程，找到主要影響因素。通過回歸方程可以直接得到在不同工況及頻率下不同吸氣口設計的吸氣阻力損失功耗，為壓縮機設計提供指導。本文還通過實驗測試研究了不同吸氣口最小截面積對壓縮機性能（冷量、功耗及能效）的影響規律。

壓縮機吸氣損失功耗必須通過pv實驗測試才能得到，但pv測試需要設計專門測試樣機，測試周期長，數據分析量大，為了研究壓縮機吸氣阻力損失功耗，本文通過流固耦合（FSI）仿真分析方法建立不同壓縮機吸氣口最小截面積耦合分析模型，通過仿真計算得到吸氣阻力損失功耗，并通過全因子實驗設計得到計算方案，通過方差分析得到影響吸氣阻力損失的主要影響因子及回歸方程。

2 滾動轉子式壓縮機流固耦合分析簡介

滾動轉子式壓縮機結構剖面圖如圖1所示，冷媒從分液器進入壓縮機泵體吸氣腔，吸入的冷媒經過壓縮腔的壓縮成為高溫高壓冷媒，達到排氣壓力后排氣閥片打開進行排氣，排氣口排出的冷媒氣體經過消音器后從電機下腔排至電機上腔后經過壓縮機排氣管排出至系統中進行熱交換。壓縮機泵體吸氣、壓縮及排氣過程是一個典型的流固耦合問題，近年來隨著FSI技術的快速發展，壓縮機泵體熱力學流固耦合仿真已經比較成熟，耦合仿真結果與實驗測試結果非常接近，可以采用流固耦合仿真計算代替pv實驗測試。

流固耦合仿真計算流場采用STAR-CD軟件，計算域從分液器入口開始到壓縮機泵體消音器出口，采用三維可壓縮的非穩態流動計算，汽缸及閥片部分均采用動網格計算。結構場采用MSC.Nastran軟件，結構場主要包括排氣閥片、閥片擋板及閥座三個部件。流場及結構場通過MPCCI進行實時數據傳遞，結構場將閥片的節點位移傳送給流場，流場將閥片耦合面上的壓力傳遞給結構場。

3 吸氣口設計對壓縮機性能影響實驗研究

3.1 實驗測試方案簡介

為了研究吸氣口最小截面積對壓縮機性能的影響規律，本文在分液器出口彎管處添加球閥來控制吸氣口最小截面積，通過調整球閥的開度可以調整吸氣口最小截面積。通過實驗測試得到不同工況及頻率時壓縮機性能與球閥開度即不同吸氣口最小截面積之間的關系曲線。圖2為帶球閥壓縮機測試實物圖。

球閥可調整角度范圍為（0°～90°），球閥不同開度與截面積及當量直徑關系如圖3所示，球閥開最大時截面積與吸氣管直徑基本相當。

3.2 實驗測試結果分析

以C44系列量產B096壓縮機為研究對象，在壓縮機性能測試臺測試了額定制冷工況及中間制冷工況40hz時不同吸氣口最小截面積對壓縮機性能影響規律，總結冷量、功耗、能效及排氣溫度隨吸氣口最小截面積變化曲線。圖4及圖5為額定制冷工況40hz時性能隨吸氣口最小截面積變化曲線。圖6和圖7為中間制冷工況40hz時性能隨吸氣口最小截面積變化曲線。

通過實驗測試發現，壓縮機性能隨著吸氣口最小截面積減小有以下結論：

（1）不論是中間制冷工況還是額定制冷工況，冷量隨著吸氣口最小截面積的減小而減小，在吸氣口最小截面積開始減小的階段冷量降低幅度較小，工況越輕冷量降低幅度越小。說明吸氣口略微減小對冷量影響不大；

（2）隨著吸氣口最小截面積的減小，壓縮機功耗是在逐漸升高，工況越重，功耗升高幅度越大，雖然對冷量影響較小，但對吸氣阻力損失功耗影響較大，吸氣口面積減小在額定制冷工況下就已經影響了壓縮機指示功，增大了吸氣阻力損失功耗，輕工況影響較小；

圖1 滾動轉子式壓縮機結構剖面圖

圖2 帶球閥壓縮機實物圖

圖3 球閥開度與截面積關系曲線

圖4 額定制冷40hz冷量及功率隨吸氣口最小截面積變化曲線

（3）當吸氣口截面積小到一定程度后，壓縮機冷量快速降低，壓縮機功耗快速升高，冷量降低到一定程度后功耗也開始降低。主要是由于吸氣口面積減小到一定程度后吸氣量不足導致冷量大幅降低，吸氣腔內壓力降低，吸氣阻力損耗功耗變大，當吸氣量減小到一定程度后壓縮量減小后指示功也會降低；

（4）COP隨著吸氣口截面積減小而降低，排氣溫度隨著吸氣口截面積減小而升高。

圖5 額定制冷40hz排氣溫度及COP隨吸氣口最小截面積變化曲線

圖6 中間制冷40hz冷量及功率隨吸氣口最小截面積變化曲線

圖7 中間制冷40hz排氣溫度及COP隨吸氣口最小截面積變化曲線

4 全因子試驗設計及方差分析

4.1 全因子實驗設計

為了研究在不同排量設計、運行頻率、工況及吸氣口最小截面積設計對壓縮機吸氣損失功耗的影響規律，本文針對上述四個主要因子及其交互項設計了全因子實驗方案。采用四因子兩水平正交實驗設計方法，中心點為3，共設計11組實驗，各因子及水平如表1所示，11組實驗方案如表2所示。此處設計的實驗方案應該全部進行PV實驗測試通過PV圖得到吸氣阻力損失功耗，但由于PV實驗測試周期長，數據處理過程繁瑣，流固耦合仿真計算壓縮機泵體熱力學過程方法已經比較成熟，流固耦合仿真計算PV曲線及閥片升程曲線與實驗測試曲線基本一致，誤差較小，通過流固耦合仿真分析可以完全取代PV實驗測試。本文直接采用流固耦合仿真計算方法得到壓縮機PV圖，通過PV圖求得吸氣阻力損失功耗。

4.2 流固耦合仿真計算結果

通過對上述11個實驗方案進行流固耦合仿真得到各方案PV圖及循環質量流量，通過PV圖中理論吸氣曲線與吸氣腔壓力曲線圍成的面積計算得到各方案的吸氣阻力損失功耗。圖8和圖9分別為方案1和方案3流固耦合計算結果，兩種方案吸氣阻力損失明顯不同，吸氣口截面積越小，頻率越高吸氣阻力損失功耗就越大。

對上述11組方案進行耦合仿真計算，通過數據分析處理得到不同方案吸氣阻力損失，同時得到了不同方案循環質量流量，并與理論循環流量進行比較，得到容積效率。表3為仿真計算得到的各方案吸氣阻力損失及容積效率。

4.3 方差分析及回歸方程

以表3中各方案流固耦合計算的吸氣損失功耗作為響應結果進行主效應分析并建立回歸方程。在進行主效應分析時選擇所有交叉項，得到帕累托圖如圖10所示，其中影響最大的是吸氣口最小截面積，其次是運行頻率及其與吸氣口最小截面積交互項，工況影響次之，排量影響最小。所以影響吸氣阻力損失功耗的主要因素為吸氣口最小截面積及頻率。

去掉排量及工況兩個影響較小的因子后，重新進行響應分析，分析結果中各因子P-value值均小于0.05，說明頻率、吸氣口最小截面積及其交互項效應是顯著的。

通過上述分析得到吸氣阻力損失功耗與運行頻率及吸氣口最小截面積及其交互項回歸方程為：

吸氣阻力損失=3.33863★頻率+0.976022★吸氣口最小截面積-0.0372649★頻率★吸氣口最小截面積-84.8595。

通過上述方程可以分析評估滾動轉子式壓縮機不同工況、頻率及不同吸氣口最小截面積設計時的壓縮機吸氣阻力損失功耗，分析不同吸氣口設計方案的優劣。

5 結論

本文通過實驗測試及流固耦合仿真研究了不同吸氣口最小截面積設計對壓縮機性能的影響規律。并通過流固耦合仿真分析及回歸分析得到影響壓縮機吸氣阻力損失功耗的主要因素及回歸方程，為壓縮機吸氣口設計提供理論指導。通過上述研究得到如下結論：

表1 各因子及水平設計表

表2 全因子實驗設計方案

表3 流固耦合分析各方案吸氣阻力損失及容積效率

（1）實驗測試結果表明，隨著吸氣口最小截面積的減小，壓縮機冷量先微幅減小，當吸氣口面積減小到一定程度后由于吸氣阻力過大導致吸氣量不足冷量開始大幅降低。隨著吸氣口最小截面積的減小，功耗開始逐漸增大，工況越重增幅越大，說明吸氣口最小截面積對吸氣損失功耗影響比較大。

（2）通過全因子實驗設計得到實驗方案，采用流固耦合仿真分析得到不同實驗方案的吸氣阻力損失功耗，并通過回歸分析得到不同吸氣口最小截面積設計、運行頻率及工況對壓縮機吸氣阻力損失功耗的回歸方程并確定主要影響因子，為壓縮機吸氣口設計提供理論指導。

圖8 方案1流固耦合計算PV曲線

圖9 方案3流固耦合計算PV曲線

圖10 各因子帕累托圖

[1] Nicholas C.LEMKE, Michael KONIG,E et al.Transient Experimental and 3D-FSI Investigation of Flapper Valve Dynamics for Refrigerant Compressors. 23rd International Compressor Engineering Conferrence at Purdue, JULY 11-14,2016.

[2] 林礪宗，邢東仕，等.基于流固耦合方法的氣壓密封閥仿真分析.華東理工大學學報(自然科學版)，2010.36(1):150-156.

[3] 陳忠華，王慧蓮，陳會平. 閥片厚度對冰箱壓縮機排氣閥組綜合性能的影響. 中國家用電器技術大會，2014.

[4] 王征，吳虎，史亞鋒，楊金廣，蔡晉. 基于CFD/CSD技術的壓氣機葉片流固耦合及顫振分析. 航空動力學報，2011,26(5): 1000-8055.

[5] 王鎮. 基于流固耦合的性能增效設計技術及其應用研究. 浙江大學碩士學位論文，2013.

[6] 吳杰強，楊文聰，制冷系統匹配中的數據擬合. 家電科技，2011.