涡旋压缩机切向密封结构及数值模拟研究

叶 剑,姜 营,王 君

(1.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452；2.中国石油大学（华东）化学工程学院，山东青岛266580)

涡旋压缩机切向密封结构及数值模拟研究

叶 剑1,姜 营2,王 君2

(1.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452；2.中国石油大学（华东）化学工程学院，山东青岛266580)

针对涡旋压缩机切向气体泄漏对增压过程的不利影响，提出一种切向密封结构，采用动涡旋齿上开设密封槽的方法对比研究了密封结构对于工作过程的影响，与无密封结构的工作过程对比，有效地减少了泄漏，改善了增压过程；并提出采用一种简化结构实现啮合间隙处网格加密，极大地简化了模型，为研究啮合间隙处的气体流态提供了一种研究方法。

涡旋压缩机；密封结构；啮合间隙

1 引言

涡旋压缩机在制冷、空气压缩等工业生产和应用中有着举足轻重的作用。对于涡旋压缩机而言，最大的挑战课题之一就是对于泄漏间隙的研究。泄漏间隙会影响容涡旋压缩机的性能乃至整个系统的效率。在现有的研究中主要采用理论分析、实验研究和数值模拟3种方法进行研究。

在泄漏模型方面，文献针对涡旋压缩机切向泄漏分别采用喷管模型[1]、范诺流模型[2-3]、纯气体二维N-S模型[4]及两相流模型[5]，通过一系列假设采用经验公式计算泄漏量，并研究了不同的间隙大小对于泄漏量以及排气压力、排气温度和压缩过程的影响。在实验研究方面，文献[6]对涡旋压缩机轴向间隙的测量进行了实验研究，通过搭建具有放大器、电涡流位移传感器的实验装置，测得了涡旋压缩机工作过程中轴向间隙的变化范围；文献[7]为了改善涡旋压缩机泄漏对工作过程产生的不良影响，在涡旋齿齿高方向的侧面上开设迷宫槽，并通过实验方式测量了涡旋齿迷宫密封的密封效果；在数值模拟方面，文献[8-10]对涡旋压缩机的内部流场和泄漏进行了数值模拟研究，得到了涡旋压缩机内部的流场变化和动、静涡盘之间的泄漏状态，但是由于采用非结构化网格并不能保证啮合间隙处网格的数量，模拟的结果在啮合间隙处的效果并不理想。本文首先为了减小切向泄漏对涡旋压缩机工作过程的影响，提出了一种涡旋齿切向密封结构，分析了该种密封结构的效果，然后提出采用一种简化结构进行研究，实现啮合间隙处网格加密，极大地简化了模型，为研究涡旋压缩机啮合间隙处的气体流态提供了一种新的研究方法。

2 涡旋齿切向密封结构

针对涡旋压缩机的切向泄漏，本文提出了涡旋压缩机的切向密封结构如图1所示，在涡旋齿的壁面开设了矩形槽，矩形槽开槽方向指向间隙处气体的来流方向，且沿涡旋齿型线上每一点处的开槽方向均与此点处的法线方向呈45°。在涡旋齿啮合间隙处回流的气体速度很大，根据迷宫密封的原理，气体流经矩形槽时依次被节流和扩容，可以有效的耗散气体的动能，减小气体的回流速度，由此减少了气体从高压腔到低压腔内的泄漏；而在压缩腔内部壁面气体速度较低，矩形槽对压缩腔内的气体影响极小可忽略。

此外为保证涡旋齿在高温高压下的力学性能，防止应力集中及应变对压缩机正常工作产生影响，沿动涡旋齿开设的矩形槽可间隔一定角度，并且涡旋压缩机刚开始压缩的前180°内不必开设矩形槽，应该在包含有涡旋压缩机压缩过程的位置开设矩形槽，因此可以根据压缩机相邻工作腔之间的泄漏速度和压差大小，在适当位置开始开设矩形槽。

3 数值模拟

根据本文所提出的涡旋压缩机的涡旋齿切向密封结构，建立涡旋压缩机切向泄漏模型，并利用ANSYS fluent对密封效果进行数值模拟，采用瞬态的非结构化网格模型，以及标准的k～ζ湍流模型，得到涡旋压缩机的内部压力场、温度场、速度场分布如下。

3.1 压力场

如图2所示为主轴转角θ=180°时刻压缩腔内压力场分布对比云图，其中图2（a）为具有密封结构的压缩腔内压力云图，图2（b）为无密封结构的压缩腔内压力云图，由图可知具有密封结构的压力场分布与无密封结构的压力场分布大致相同，压力大小也相同，说明该密封结构对涡旋压缩机内部压力场分布的影响较小。

3.2 温度场

如图3（a）为具有密封结构的压缩腔内温度场分布云图，图3（b）为无密封结构的压缩腔内温度场分布对比云图。由图可知具有密封结构的温度场分布与无密封结构的温度场分布大致相同，但是前者温度高压腔内部的温度略有提升，而低压腔内的温度略有降低，故说明该密封结构对压缩腔内部的气体起到一定的增温效果，这主要是密封结构减少了泄漏引起的。

3.3 速度矢量

图4所示为涡旋压缩机啮合间隙处的速度矢量图。由于气体流经密封齿与涡旋齿侧面间的最小间隙时受到节流作用，气体的流速增大，压力和温度降低；气体流过最小间隙后进入一个较大的空腔，此时气体形成很强的漩涡，气体速度接近于零，气体的动能全部转变为热量散发，使得气体温度升高，因此涡旋压缩机内的气体温度略有升高，啮合间隙处的气体动能减小回流速度减小导致泄漏量减少。图4（b）所示为啮合间隙处的气体在矩形槽内形成的漩涡，漩涡使得啮合间隙处的速度有所减小。

3.4 工作过程

密封结构对涡旋压缩机内泄漏的影响可通过增压过程曲线来分析，如图5所示为压力-容积过程曲线对比图。

由图5可知，对比于无密封结构的p-V过程曲线，在压缩过程前期气体从内缘的高压腔向外缘的低压腔以及吸气腔泄漏，具有切向密封结构的涡旋压缩机在此段时间内压缩腔内压力降低，说明切向密封结构减少了高压腔到低压腔的泄漏量；在压缩过程即将结束时，此时内缘的高压腔既向外缘的低压腔泄漏同时开始向涡旋中心的排气腔泄漏，具有切向密封结构的涡旋压缩机在此段时间内压缩腔内压力有所升高，说明切向密封结构减少了高压腔向低压腔及排气腔的泄漏量。

密封结构对涡旋压缩机外泄漏的影响可通过进出口的质量流率来分析，利用FLUENT计算得到涡旋压缩机工作过程中通过入口的质量流率为0.376 kg/s，通过出口的质量流率为0.304 kg/s，由此可知涡旋压缩机外泄漏量为0.072 kg/s，与无密封结构的计算结果0.078 kg/s相比泄漏量减少了0.006 kg/s。

综上所述，该密封结构在一定范围内减少了啮合间隙两侧压缩腔之间的泄漏，然而其对涡旋压缩机内泄漏和外泄漏的影响均较小，说明该切向密封结构具有一定的密封效果，然而密封效果并不显著，为了改进切向密封的效果可以对密封结构进行优化。

4 涡旋压缩机的简化结构

本文提出将涡旋压缩机啮合间隙处的模型提取出来单独进行研究，即提出一种简化结构以更方便地研究涡旋压缩机啮合间隙处的泄漏及密封情况，并用以优化涡旋压缩机间隙处的密封结构。由于涡旋压缩机工作过程中的啮合点两侧的压缩腔之间存在较大压差，在压差的驱动下气体通过啮合间隙从高压腔向低压腔泄漏，为保证研究结果的准确性需要保证简化结构间隙处气体流态与原模型间隙处的流态相同，需要满足以下几条准则：

（1）保证啮合间隙处的速度方向相同，即保证啮合间隙结构的曲率相等；

（2）保证啮合间隙处的速度大小相同，即保证相同啮合间隙两侧的压缩腔之间的压差相等；

（3）保证啮合间隙两侧压缩腔正常工作时的容积变化率相等。

4.1 简化结构

如图6所示，以研究啮合间隙A处的密封结构为例，图6（a）中用虚线和点画线分别表示A两侧的压缩腔，其容积分别为S1，S2，对其进行简化变化结构，为满足条件（1），图6（b）中A两侧压缩腔的虚线及点画线截取自图6（a）中相应的圆渐开线；为满足条件（3），需要设置图6（b）中的move1和move2为动边界，其速度大小根据以下公式求解

由于涡旋压缩机容积随时间呈线性变化，因此动边界的速度v1，v2为定值，即动边界作匀速直线运动。

4.2 简化结构的数值模拟

具有密封结构的间隙简化模型如图7所示，密封结构仍在啮合间隙区域开一列矩形槽，槽的尺寸减小仍为毫米级，槽的数目增多。由于模型不规则可采用分区画网格的方法，在密封齿区域加密网格，根据边界的运动方式在变形区域采用铺层网格。边界条件设置move1、move2为动边界，与其相邻的4条边设置为变形边界deforming1、deforming2，其余边界为wall。

此外，为了满足简化变化中的条件（2），进行数值模拟计算时可使动边界先以较高的速度运行一段时间给2个压缩腔内的气体加压，待两侧压缩腔压差达到所需的数值时再调整2个动边界的速度为v1，v2。

如图8（a）、（b）分别为有无密封结构的压力云图，根据FLUENT计算结果，图8（a）中啮合间隙两侧的压缩腔压差比图8（b）中压差大763 Pa，由此可知，密封结构并不理想密封效果不显著，为优化密封结构仍需要改进槽型的参数。虽然该结构密封效果未达到理想效果，然而这种简化结构不仅大大简化了原来的模型，并且将主要部件的复杂的运动方式简化为简单的匀速直线运动，这种简化的思想仍可以为以后涡旋压缩机的实验研究提供一种可能性，或者为其他复杂的容积式压缩机的研究提供一种方法。

5 结论

（1）切向泄漏增大了涡旋压缩机的功耗，为减少泄漏提出一种切向密封结构，即在涡旋齿上开设一定数量的矩形槽，在涡旋压缩机的工作过程中啮合间隙处的矩形槽对回流气体起到节流、扩容的作用，使得回流气体的动能极大的减小，在一定程度上减少了涡旋压缩机的内泄漏。

（2）为了更方便地研究啮合间隙处的气体提出一种间隙简化结构，该结构将涡旋压缩机工作过程中的啮合间隙结构提取出来，大大简化了模型，而且将涡旋齿的公转平动转化为匀速直线运动，为以后涡旋压缩机的实验研究提供了一种可能的方式。

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The Scroll Compressor Tangential Seal Structure and Numerical Simulation Research

YE Jian1,JIANG Ying2,WANG Jun2
(1.CNOOC Energy Development Equipment Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China;2.College of Chemical Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Tangential gas leak has adverse effects on scroll compressor for pressurization process,so that a tangential seal structure is presented.By using the method of opening the seal groove on the movable wrap,the impact of the sealing structure for work process was studied.Compared with unsealed work process,sealing structure could effectively reduce leakage and improve the pressurization process.Besides,a simplified structure was used to achieve backlash mesh refinement,which greatly simplifies the model for the study of the gas flow at the state backlash,which provides a research method.

scroll compressor;sealing structure;meshing clearance

TH455

A

1006-2971（2015）06-0017-05

2015-07-25