風(fēng)冷無油渦旋空氣壓縮機(jī)渦盤溫度場數(shù)值計(jì)算

　　渦盤溫度場是變形計(jì)算的基礎(chǔ)，為了進(jìn)行溫度場的有限元計(jì)算，通過壓縮區(qū)域的劃分，把動態(tài)的空氣壓縮過程轉(zhuǎn)換為靜態(tài)的熱通量邊界條件，由冷卻風(fēng)測量結(jié)果計(jì)算得到冷卻風(fēng)換熱系數(shù)邊界條件。假設(shè)渦齒溫度在展角整個(gè)范圍線性分布，動、定盤渦齒平均溫差為0℃，對渦盤溫度場進(jìn)行了初次計(jì)算，在溫度場初次計(jì)算結(jié)果與定盤溫度測量值對比以及渦齒幾何特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，以渦齒溫度線性起始角、動、定盤壓縮區(qū)域平均溫差為調(diào)整參數(shù)，熱通量計(jì)算時(shí)的動、定盤渦齒溫度條件和有限元溫度場計(jì)算結(jié)果誤差介于±0. 2℃為目標(biāo)，進(jìn)行熱通量和溫度場的迭代計(jì)算，得到了與熱通量計(jì)算時(shí)渦齒溫度條件、定盤溫度測量結(jié)果相符的渦盤溫度場。

　　渦旋壓縮機(jī)有穩(wěn)定、高效、可靠的優(yōu)點(diǎn)，其切向泄露完全取決于動定渦盤徑向間隙，徑向間隙過大，排氣量、排氣壓力、效率下降，徑向間隙過小，工作過程中渦盤溫升變形，容易導(dǎo)致碰撞，不能正常運(yùn)行�？諝獾谋葻崛葺^小，風(fēng)冷無油渦旋空氣壓縮機(jī)工作過程中溫度較高，溫升對渦盤變形的影響更為明顯，為了獲得渦盤溫度升高后的變形規(guī)律，確定合理的配合間隙，以及對渦齒進(jìn)行局部修正，首先需要求解渦盤溫度場。

　　有限元計(jì)算常用于溫度場、變形的求解，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否，與邊界條件緊密相關(guān)。已有的渦盤溫度場研究缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究過程渦盤簡化為渦齒，渦齒溫度按照展角直接線性加載，或分塊加載測量點(diǎn)的溫度，或按照渦盤半徑線性加載，或渦盤中心位置加載排氣溫度，邊緣位置加載吸氣溫度，由于容腔位置在不斷變換，且內(nèi)外容腔移動速度并不相同，無法確定換熱系數(shù)的準(zhǔn)確值和有效控制換熱系數(shù)加載位置的移動，在壓縮區(qū)域以換熱系數(shù)的方式加載邊界條件也并不合適，這些溫度場計(jì)算模型均與實(shí)際出入較大。而使用流固耦合計(jì)算時(shí)，流場網(wǎng)格需要進(jìn)行重構(gòu)，徑向間隙處網(wǎng)格質(zhì)量不能滿足計(jì)算要求。

　　本文把動、定盤壓縮區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域，由空氣壓縮的熱力學(xué)過程計(jì)算得到各子區(qū)域的熱通量，作為溫度場計(jì)算壓縮區(qū)域的邊界條件。熱通量計(jì)算時(shí)若子區(qū)域內(nèi)渦齒的溫度較高，則該子區(qū)域的吸熱量較少，熱通量計(jì)算結(jié)果較低，導(dǎo)致溫度場計(jì)算結(jié)果低于熱通量計(jì)算時(shí)的渦齒溫度，相反溫度場計(jì)算結(jié)果則高于熱通量計(jì)算時(shí)的溫度，基于這過程，首先預(yù)設(shè)熱通量計(jì)算時(shí)壓縮區(qū)域的溫度邊界，與溫度場計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對后，調(diào)整熱通量計(jì)算的溫度邊界，直至兩者相符，從而得到與熱通量計(jì)算時(shí)溫度邊界、定盤溫度測量值一致的動、定盤溫度場。

　　1、定盤溫度測量及換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

　　1.1、定盤溫度測量過程

　　空氣渦旋壓縮機(jī)測試平臺由合肥通用機(jī)械研究院研制，通過了國家標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。測試平臺主要包括PC 機(jī)、電機(jī)、PK69 型啟動控制柜、JK69 型儀表柜、熱電偶、MDM3051 智能壓力/差壓變送器、儲氣罐。從渦齒外端，每π 個(gè)展角鉆一個(gè)深入渦齒的測溫孔，用Pt100 熱電阻測量定盤渦齒溫度分布，如圖1所示。

圖1 渦齒溫度測量

　　1.2、格林尼斯基換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

　　冷卻風(fēng)和壓縮空氣均為強(qiáng)制對流換熱，格林尼斯基公式是常用的對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，既適用于過渡流也適用于湍流，已包含了短管入口修正

　　式中，Nu 為努塞爾數(shù)，Re 為雷諾數(shù)，Pr 為普蘭特?cái)?shù)，fg為達(dá)爾西阻力系數(shù)，費(fèi)羅年柯公式表達(dá)為：fg =(1.82lgRe -1.64) ^-2，Dequal為管道當(dāng)量直徑，Dcurve為管道的彎曲直徑，l 為管道長度，空氣壓縮過程時(shí)取內(nèi)渦旋線長度，Tg為空氣溫度( 單位為K) ，Tw為壁面溫度( 單位為K，在溫度場計(jì)算過程中動態(tài)提取換熱面平均溫度) 。

　　2、結(jié)論

　　通過對冷卻風(fēng)風(fēng)速和冷卻風(fēng)排氣溫度的測量，計(jì)算出動、定盤冷卻風(fēng)質(zhì)量流量，結(jié)合動、定盤冷卻風(fēng)流道尺寸測量結(jié)果，由格林尼斯基對流換熱系數(shù)公式得到了冷卻風(fēng)換熱系數(shù)，并對定盤換熱系數(shù)進(jìn)行了彎曲管道效應(yīng)修正，對動盤冷卻風(fēng)換熱系數(shù)進(jìn)行了振動效應(yīng)修正。

　　通過子區(qū)域的劃分，結(jié)合氣體壓縮過程熱力學(xué)過程，得到了子區(qū)域各換熱面積的熱通量，為動、定盤溫度場計(jì)算邊界條件的設(shè)定提供了一種可靠的方法。

　　通過熱通量計(jì)算時(shí)渦齒溫度的設(shè)定值和溫度場計(jì)算結(jié)果的對比，對渦齒溫度線性分布起始角和動、定盤壓縮區(qū)域平均溫差進(jìn)行調(diào)整，迭代得到了與熱通量計(jì)算時(shí)渦齒溫度設(shè)定值、定盤溫度測量值一致的動、定盤溫度場。

　　動、定盤渦齒溫度場等溫線呈螺旋狀向外展開，散熱區(qū)域溫度場等溫線分布接近于漏斗狀，溫度場的分布特點(diǎn)與風(fēng)冷渦旋空氣壓縮機(jī)壓縮、散熱過程相符。