渦旋壓縮機靜盤外壁面強化傳熱研究*

周新華，肖必宏，戴 明，鄧 捷，楊乃贊，李海生

(1.合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031； 2.上海鐵路局徐州供電段 工程科，江蘇 徐州 221000； 3.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

渦旋壓縮機作為一種新型的容積式壓縮機，因具有結構簡單緊湊、體積小、重量輕、可靠性高等優點，被廣泛應用于各個領域[1-2]，尤其是在制冷和空調領域，渦旋壓縮機的應用最為廣泛和成熟[3]。其應用主要涉及柜式空調全封閉制冷壓縮機、窗式空調小功率壓縮機、汽車和列車空調系統中的壓縮機等。

在渦旋壓縮機的工作過程中，絕熱壓縮過程使得壓縮腔內溫度升高[4-6]，大量熱量聚集在渦旋盤內，會直接導致動、靜渦旋盤受熱產生熱變形[7]，進而引起壓縮介質的泄漏量增大，壓縮機工作效率及整體性能降低，動、靜渦旋盤及渦旋齒之間的磨損加劇，降低壓縮機的使用壽命[8-9]。

李海生等[10]借助紅外熱成像原理，研究了渦旋盤的溫度場實時變化規律。梁高林[11]對渦旋壓縮機中間補氣進行了研究，提高了壓縮機的排氣量。王俊亭等人用熱電阻測量了各孔中不同齒高處的溫度，并用最小二乘法進行了線性擬合，用Gnielinski公式和Dittus-Boelter公式進行了換熱系數的計算。劉強等人[12]在考慮溫度載荷的情況下，對渦旋壓縮機漸變壁厚渦旋齒進行了研究與設計，獲得了其工作特性，有利于指導壓縮機的工程設計。彭斌等人[13]開展了無油渦旋壓縮機渦旋盤的研究，獲得了渦旋盤熱載荷作用下的應變，并通過試驗對此進行了驗證。陳玉坤[14]在考慮噴水的工況下，對渦旋壓縮機氣液流動與傳熱特性進行了研究，獲得了氣液流動傳熱過程的機理。

由上述文獻可以看出，渦旋壓縮機傳熱受到了廣泛關注，研究者們通過計算或實驗的手段，力圖掌握壓縮機溫度場的分布規律。但目前針對散熱翅片結構方面的研究較少。由于渦旋壓縮機動盤位于機殼內部[15]，且組件結構較為復雜，無論測量、改裝及優化都較難實現，并且可能會對渦旋壓縮機的結構精度造成一定程度的破壞。散熱翅片是靜盤端面向外傳熱的主要方式，其結構形狀將會影響傳熱過程[16-17]。因此，在渦旋壓縮機靜盤進行強化傳熱，可以考慮優化靜盤外散熱翅片的結構，實現壓縮腔內溫度的快速傳出，從而達到降低動、靜盤、壓縮腔內溫度的目的，以便減小動、靜盤嚙合處的間隙變化，提高渦旋壓縮機工作效率，延長其使用壽命。

筆者使用有限元分析的方法，對各壓縮角度下不同形狀翅片的靜盤進行分析，獲得不同情況下渦旋壓縮機靜盤在溫度載荷下的溫度場、熱應變及熱變形，從而得出渦旋壓縮機靜盤外壁面強化傳熱較優的翅片結構方案。

1 模型的建立

考慮到對靜盤溫度載荷的加載方式，筆者在建立模型時，增加了動渦旋齒分割線以及壓縮腔內等角度分割線，便于將壓縮腔內溫度細化后加載于所建立靜盤模型上，能夠獲得更加精確的計算結果。

另外，在劃分動渦旋齒分割線時，由于動靜渦旋齒嚙合各角度不同，需對動渦旋齒型線的角度進行對應變更，按主軸轉角生成0°、180°角度下的動渦旋齒型線分割線。

在實際生產中，渦旋壓縮機靜盤外壁面散熱翅片均為直線型散熱翅片。增大散熱翅片的散熱面積能夠有效地強化傳熱，而增大散熱翅片的弧度能盡可能地增加傳熱面積。因此，根據翅片傳熱理論，筆者采用圓弧形散熱翅片。

1.1 模型參數

弧形散熱翅片以靜盤外壁面中心排氣口中心部位為起點，弧形翅片外廓所在正圓以靜盤外壁面半徑為直徑，截取所需圓弧段為弧形翅片外廓，做厚度為4 mm的圓弧形散熱翅片。

筆者以商用的渦旋壓縮機AEW15A-0.8為研究對象。該壓縮機的動齒與靜齒的幾何參數相同，通過測量和計算獲得的參數如表1所示。

表1 渦旋壓縮機模型的基本尺寸

根據實際測量的渦旋壓縮機動靜盤部件的基本尺寸，筆者建立等翅片數的直形翅片模型。建立好的弧形、直形翅片靜盤模型如圖1所示。

圖1 靜盤幾何模型

1.2 網格劃分

筆者采用ANSYS Workbench作為渦旋壓縮機靜盤傳熱的有限元分析軟件，根據所建立的模型的幾何尺寸，結合實際情況，手動將網格尺寸設置為邊長4 mm的三角形網格，再利用Workbench自動網格生成功能生成網格。網格數為180 752，節點數為192 013，齒根到齒頂方向為坐標軸z軸正方向。

1.3 邊界條件的施加

研究渦旋壓縮機靜盤的溫度場分布、熱應變及熱變形情況，需要先對靜盤作熱—結構耦合分析。筆者在ANSYS界面中，添加熱分析模塊與結構分析模塊。對靜盤的分析分為穩態分析和瞬態分析，因此，首先需要添加穩態熱分析模塊，并將其關聯所建立模型；接著添加穩態結構分析模塊與穩態分析模塊相關聯；然后再添加瞬態熱分析模塊與穩態熱分析模塊關聯，共享其溫度載荷；最后添加瞬態結構分析模塊，關聯瞬態熱分析模塊。

2 靜盤的穩態溫度場

渦旋壓縮機工作過程中，動盤圍繞靜盤公轉，使得壓縮腔容積不斷縮小，從而實現對氣體的壓縮。壓縮過程導致氣體溫度上升，使渦旋盤溫度升高，熱變形增大。渦旋盤受熱變形則會引起壓縮腔內氣體的泄漏、渦旋齒之間的磨損及碰撞，造成渦旋壓縮機的工作效率降低和使用壽命減少。因此，降低渦旋盤變形對提高渦旋壓縮機性能具有重要的意義。

由于動盤的結構及位置的特殊性，沒有直接降溫的措施，筆者采用對靜盤強化散熱的方式降低壓縮腔內溫度，使渦旋盤所受熱應力減小，間接地實現對動盤的降溫。不同的散熱翅片形狀對靜盤強化散熱的效果均不相同，筆者選取渦旋壓縮機動盤公轉一周中的4個角度作穩態熱分析，對比得出較優的散熱翅片結構。

直形翅片一直以來都是渦旋壓縮機靜盤外壁面強化散熱的基本結構，具有結構簡單、易鑄造等優點。筆者所設計的弧形翅片具有散熱面積大的優點，并且翅片能夠連接溫差更大的2個壓縮腔，從而增大傳熱速率。同時，因為鑄鐵擁有較好的延展性以及可塑性，且其耐磨性和切削加工性能良好，一般被作為制造渦旋壓縮機主要材料。

筆者對直形和弧形翅片的靜盤進行穩態熱分析。其中，材料選用鑄鐵作為實驗材料，得到0°、180°角度下的溫度場分布情況。

材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

0°角時，弧形、直形兩種散熱翅片靜盤的穩態溫度場如圖2所示。

圖2 0°角弧形和直形翅片靜盤的穩態溫度場

由圖2的對比得知：弧形翅片高溫區和低溫區范圍減小，30 ℃～90 ℃溫度范圍增大。由此可知，弧形翅片可以從中心排氣口向靜盤外圍傳遞更多的熱量，使得靜盤中心與外圍的溫差減小，溫度分布更加均勻，從而使熱應力減小，中心與外圍變形量減小。

筆者經過靜盤中心點作水平和豎直方向的路徑，在此基礎上提取出不同靜盤水平、豎直方向上的溫度值，并按照不同形狀翅片靜盤的溫度差，繪制折線圖。

0°、180°旋轉角時，靜盤外壁面水平方向的穩態溫度差折線如圖3所示。

圖3 靜盤外壁面水平方向的穩態溫度差

由鑄鐵弧形翅片靜盤在水平路徑上的溫度與鑄鐵直形翅片靜盤在水平路徑上的溫度之差，繪制的折線圖如圖3(a)所示。圖中顯示，弧形翅片靜盤與直形翅片靜盤水平方向上的溫度差基本分布在0 ℃以上，即在水平方向上。由此可見，弧形翅片靜盤溫度較相同位置的直形翅片靜盤溫度高。

在靜盤豎直方向相同位置處，兩種翅片的溫度差如圖4所示。

圖4 靜盤外壁面豎直方向的穩態溫度差

同時在相同距離處，豎直方向的溫度差要小于水平方向的溫度差，也就是說，在水平方向上，弧形翅片靜盤傳熱速度較直形翅片靜盤要快。

由圖4可得：主軸旋轉角在0°、180°角度下，弧形翅片靜盤穩態的溫度場分布均較直形翅片靜盤穩態溫度場均勻，并且弧形翅片靜盤的中心黑色區域以及非中心黑色區域小于直形翅片靜盤，從而可以推斷，弧形翅片靜盤的穩態溫度場分布較直形翅片靜盤穩態溫度場分布均勻；

并且從4個角度下水平/豎直方向的溫度差可以看出，弧形翅片靜盤在相同位置處的溫度都高于直形翅片的溫度，從而可以推斷，弧形翅片靜盤的傳熱效果較直形翅片靜盤更優。

3 靜盤的熱變形與熱應變

通常，在材料屬性相同的情況下，溫度場分布情況在一定程度下能夠大致反映出變形的規律，這是由于熱變形與材料的比熱容和熱膨脹系數有關。可是由于溫度梯度較大，弧形翅片靜盤與直形翅片靜盤在相同位置處的溫度差一般都在2 ℃內，溫度場的分布情況無法清晰直觀地反映出變形的規律。

因此，筆者在研究溫度場分布的基礎上，必須通過軟件模擬來研究不同翅片規格靜盤的變形情況。

3.1 靜盤熱變形

主軸旋轉角0°角時，鑄鐵材料的直形、弧形兩種散熱翅片靜盤的軸向熱變形在靜盤中心的截面，如圖5所示。

圖5 在0°角不同翅片靜盤穩態熱變形截面圖

從圖5可以看出：在熱載荷下，靜盤排氣口處向內外兩側產生熱變形，同時靜盤向外圍產生徑向變形；靜盤的最大熱變形發生在中心排氣口處，渦旋齒側發生在齒頂位置。

為了更直觀地體現各靜盤模型在軸向和徑向的變形量，可以采用折線圖的方式表示變形量。

不同旋轉角時，安裝兩種翅片靜盤外壁面在水平方向路徑的變形量如圖6所示。

圖6 不同翅片靜盤外壁徑向穩態熱變形

從圖6可以看出：不同形狀翅片靜盤水平路徑上的變形量都呈“幾”形，安裝弧形翅片靜盤在外壁面徑向方向上的變形較安裝直形翅片靜盤的變形平緩。

弧形翅片靜盤的最大總變形量約為8.7 μm，其中在渦旋齒側的最大變形量約為6.4 μm，在外壁面的最大變形量約為2.3 μm；直形翅片靜盤的最大總變形量約為98.8 μm，其中在渦旋齒側的最大變形量約為74.4 μm，在外壁面的最大變形量約為27.4 μm。

對比弧形翅片靜盤和直形翅片靜盤的熱變形可知，弧形翅片靜盤的變形量明顯小于直形翅片靜盤的變形量。由于圖6橫坐標為靜盤外壁面的徑向方向的長度，橫坐標能夠直觀反映靜盤外壁面的徑向路徑。

圖6中，100 mm～150 mm處為靜盤中心排氣口法蘭位置，該部位變形量較大，直形翅片靜盤與弧形翅片靜盤變形差距??；在50 mm與150 mm處，弧形翅片靜盤變形量明顯小于直形翅片靜盤變形量，二者相差約一個數量級，直形翅片靜盤在50 mm與150 mm位置的相對變形量較大。

主軸在不同旋轉角下，弧形翅片靜盤的最大總變形量與渦旋齒側和外壁面各部分的最大變形量，均明顯小于直形翅片的變形量。

3.2 靜盤熱應變

因為靜盤的熱應變是靜盤上各部分變形量與原尺寸之比，能夠反映出在熱載荷下靜盤各部分變形量的規律。

180°角下，鑄鐵材料的弧形和直形翅片靜盤的穩態熱應變截面如圖7所示。

圖7 180°角下鑄鐵材料的弧形和直形翅片靜盤的穩態熱應變截面

180°角下，靜盤外壁面徑向穩態熱應變如圖8所示。

圖8 180°角靜盤外壁面徑向穩態熱應變

圖8顯示，弧形翅片靜盤的熱應變數值較直形翅片靜盤的熱應變數值小；同時，在相同數值熱應變下，弧形翅片靜盤范圍較直形翅片熱應變范圍廣，即弧形翅片靜盤的熱應變分布較直形翅片靜盤均勻平緩。

在散熱翅片規格方面，弧形翅片靜盤的溫度場較直形翅片溫度場分布均勻，中心排氣口高溫區范圍較直形翅片靜盤大，靜盤外圍低溫區范圍較直形翅片靜盤小，即靜盤排氣口高溫能更高效地傳導至靜盤外圍；弧形翅片靜盤的熱變形量小于直形翅片靜盤熱變形量。

由此可見，熱應變計算結果與熱變形計算結果一致。

綜上所述，渦旋壓縮機靜盤穩態傳熱情況下，弧形翅片靜盤的散熱效果要優于直形翅片靜盤。在散熱翅片結構方面，弧形翅片靜盤在傳熱效果、溫度場分布及熱變形方面均優于直形翅片靜盤，具體表現在：

(1)溫度從中心排氣口傳到靜盤外圍速度快；

(2)同樣時長的情況下，弧形翅片靜盤的熱量傳遞范圍大于直形翅片靜盤；

(3)弧形翅片靜盤穩態溫度場分布較直形翅片靜盤均勻；

(4)弧形翅片受熱軸向變形量在正反兩方向上均小于直形翅片。

4 結束語

筆者使用有限元分析法，對渦旋壓縮機各壓縮角度下不同形狀翅片的靜盤進行了分析，得到了不同情況下，渦旋壓縮機靜盤在溫度載荷下的溫度場、熱變形及熱應變結果，主要結論如下：

(1)渦旋壓縮機靜盤內側溫度分布類似于線性分布，由靜盤外圍進氣口處向靜盤內側排氣口處溫度近似呈線性升高，因此可利用渦旋壓縮機溫度計算理論求得各腔溫度，然后將溫度以線性的方式加載到模型中；

(2)在對不同規格渦旋壓縮機靜盤作模擬計算分析時，將溫度線性加載后，先進行穩態熱分析，可以得到不同規格靜盤的穩態溫度場分布以及其熱變形與熱應變結果，該結果能夠反映出不同規格的渦旋壓縮機靜盤在溫度場分布和熱應變及熱變形方面的差異，以便能夠得到最優的結構選擇；

(3)不同翅片形狀的渦旋壓縮機靜盤，在傳熱效果、溫度場分布以及熱變形方面有著明顯的差異。