滚动转子式压缩机吸气口设计流固耦合仿真及实验研究

梁社兵 胡余生 徐嘉 杨国蟒

1.国家节能环保制冷设备工程技术研究中心 广东珠海 519070

2.空调设备及系统运行节能国家重点实验室 广东珠海 519070

1 引言

滚动转子式压缩机结构简单，工艺性好，被广泛的应用于制冷空调领域。近年来，国内滚动转子式压缩机生产研发已经得到了快速发展，各空调厂家对压缩机性能要求越来越高，同时对压缩机成本要求也越来越高。为了有效的降低压缩机成本同时保证高能效，各压缩机厂家都在采用小系列、轻量化的研发策略，即同排量下采用小系列压缩机替代大系列压缩机，从结构上降低压缩机成本。压缩机体积变小后回引发一系列的设计问题需要研究，其中分液器及吸气管设计就需要深入研究。从现有研究文献来看，压缩机吸气结构的设计对压缩机性能影响的研究较少，各压缩机厂家对吸气管设计都是在该系列结构上设计到最大，对吸气管的设计没有设计标准。在小系列、轻量化研发背景下，本文研究了在不同工况、运行频率及不同排量设计时吸气口最小截面积对压缩机吸气损失功耗的影响规律，并通过方差分析得到了回归方程，找到主要影响因素。通过回归方程可以直接得到在不同工况及频率下不同吸气口设计的吸气阻力损失功耗，为压缩机设计提供指导。本文还通过实验测试研究了不同吸气口最小截面积对压缩机性能（冷量、功耗及能效）的影响规律。

压缩机吸气损失功耗必须通过pv实验测试才能得到，但pv测试需要设计专门测试样机，测试周期长，数据分析量大，为了研究压缩机吸气阻力损失功耗，本文通过流固耦合（FSI）仿真分析方法建立不同压缩机吸气口最小截面积耦合分析模型，通过仿真计算得到吸气阻力损失功耗，并通过全因子实验设计得到计算方案，通过方差分析得到影响吸气阻力损失的主要影响因子及回归方程。

2 滚动转子式压缩机流固耦合分析简介

滚动转子式压缩机结构剖面图如图1所示，冷媒从分液器进入压缩机泵体吸气腔，吸入的冷媒经过压缩腔的压缩成为高温高压冷媒，达到排气压力后排气阀片打开进行排气，排气口排出的冷媒气体经过消音器后从电机下腔排至电机上腔后经过压缩机排气管排出至系统中进行热交换。压缩机泵体吸气、压缩及排气过程是一个典型的流固耦合问题，近年来随着FSI技术的快速发展，压缩机泵体热力学流固耦合仿真已经比较成熟，耦合仿真结果与实验测试结果非常接近，可以采用流固耦合仿真计算代替pv实验测试。

流固耦合仿真计算流场采用STAR-CD软件，计算域从分液器入口开始到压缩机泵体消音器出口，采用三维可压缩的非稳态流动计算，汽缸及阀片部分均采用动网格计算。结构场采用MSC.Nastran软件，结构场主要包括排气阀片、阀片挡板及阀座三个部件。流场及结构场通过MPCCI进行实时数据传递，结构场将阀片的节点位移传送给流场，流场将阀片耦合面上的压力传递给结构场。

3 吸气口设计对压缩机性能影响实验研究

3.1 实验测试方案简介

为了研究吸气口最小截面积对压缩机性能的影响规律，本文在分液器出口弯管处添加球阀来控制吸气口最小截面积，通过调整球阀的开度可以调整吸气口最小截面积。通过实验测试得到不同工况及频率时压缩机性能与球阀开度即不同吸气口最小截面积之间的关系曲线。图2为带球阀压缩机测试实物图。

球阀可调整角度范围为（0°～90°），球阀不同开度与截面积及当量直径关系如图3所示，球阀开最大时截面积与吸气管直径基本相当。

3.2 实验测试结果分析

以C44系列量产B096压缩机为研究对象，在压缩机性能测试台测试了额定制冷工况及中间制冷工况40hz时不同吸气口最小截面积对压缩机性能影响规律，总结冷量、功耗、能效及排气温度随吸气口最小截面积变化曲线。图4及图5为额定制冷工况40hz时性能随吸气口最小截面积变化曲线。图6和图7为中间制冷工况40hz时性能随吸气口最小截面积变化曲线。

通过实验测试发现，压缩机性能随着吸气口最小截面积减小有以下结论：

（1）不论是中间制冷工况还是额定制冷工况，冷量随着吸气口最小截面积的减小而减小，在吸气口最小截面积开始减小的阶段冷量降低幅度较小，工况越轻冷量降低幅度越小。说明吸气口略微减小对冷量影响不大；

（2）随着吸气口最小截面积的减小，压缩机功耗是在逐渐升高，工况越重，功耗升高幅度越大，虽然对冷量影响较小，但对吸气阻力损失功耗影响较大，吸气口面积减小在额定制冷工况下就已经影响了压缩机指示功，增大了吸气阻力损失功耗，轻工况影响较小；

图1 滚动转子式压缩机结构剖面图

图2 带球阀压缩机实物图

图3 球阀开度与截面积关系曲线

图4 额定制冷40hz冷量及功率随吸气口最小截面积变化曲线

（3）当吸气口截面积小到一定程度后，压缩机冷量快速降低，压缩机功耗快速升高，冷量降低到一定程度后功耗也开始降低。主要是由于吸气口面积减小到一定程度后吸气量不足导致冷量大幅降低，吸气腔内压力降低，吸气阻力损耗功耗变大，当吸气量减小到一定程度后压缩量减小后指示功也会降低；

（4）COP随着吸气口截面积减小而降低，排气温度随着吸气口截面积减小而升高。

图5 额定制冷40hz排气温度及COP随吸气口最小截面积变化曲线

图6 中间制冷40hz冷量及功率随吸气口最小截面积变化曲线

图7 中间制冷40hz排气温度及COP随吸气口最小截面积变化曲线

4 全因子试验设计及方差分析

4.1 全因子实验设计

为了研究在不同排量设计、运行频率、工况及吸气口最小截面积设计对压缩机吸气损失功耗的影响规律，本文针对上述四个主要因子及其交互项设计了全因子实验方案。采用四因子两水平正交实验设计方法，中心点为3，共设计11组实验，各因子及水平如表1所示，11组实验方案如表2所示。此处设计的实验方案应该全部进行PV实验测试通过PV图得到吸气阻力损失功耗，但由于PV实验测试周期长，数据处理过程繁琐，流固耦合仿真计算压缩机泵体热力学过程方法已经比较成熟，流固耦合仿真计算PV曲线及阀片升程曲线与实验测试曲线基本一致，误差较小，通过流固耦合仿真分析可以完全取代PV实验测试。本文直接采用流固耦合仿真计算方法得到压缩机PV图，通过PV图求得吸气阻力损失功耗。

4.2 流固耦合仿真计算结果

通过对上述11个实验方案进行流固耦合仿真得到各方案PV图及循环质量流量，通过PV图中理论吸气曲线与吸气腔压力曲线围成的面积计算得到各方案的吸气阻力损失功耗。图8和图9分别为方案1和方案3流固耦合计算结果，两种方案吸气阻力损失明显不同，吸气口截面积越小，频率越高吸气阻力损失功耗就越大。

对上述11组方案进行耦合仿真计算，通过数据分析处理得到不同方案吸气阻力损失，同时得到了不同方案循环质量流量，并与理论循环流量进行比较，得到容积效率。表3为仿真计算得到的各方案吸气阻力损失及容积效率。

4.3 方差分析及回归方程

以表3中各方案流固耦合计算的吸气损失功耗作为响应结果进行主效应分析并建立回归方程。在进行主效应分析时选择所有交叉项，得到帕累托图如图10所示，其中影响最大的是吸气口最小截面积，其次是运行频率及其与吸气口最小截面积交互项，工况影响次之，排量影响最小。所以影响吸气阻力损失功耗的主要因素为吸气口最小截面积及频率。

去掉排量及工况两个影响较小的因子后，重新进行响应分析，分析结果中各因子P-value值均小于0.05，说明频率、吸气口最小截面积及其交互项效应是显著的。

通过上述分析得到吸气阻力损失功耗与运行频率及吸气口最小截面积及其交互项回归方程为：

吸气阻力损失=3.33863★频率+0.976022★吸气口最小截面积-0.0372649★频率★吸气口最小截面积-84.8595。

通过上述方程可以分析评估滚动转子式压缩机不同工况、频率及不同吸气口最小截面积设计时的压缩机吸气阻力损失功耗，分析不同吸气口设计方案的优劣。

5 结论

本文通过实验测试及流固耦合仿真研究了不同吸气口最小截面积设计对压缩机性能的影响规律。并通过流固耦合仿真分析及回归分析得到影响压缩机吸气阻力损失功耗的主要因素及回归方程，为压缩机吸气口设计提供理论指导。通过上述研究得到如下结论：

表1 各因子及水平设计表

表2 全因子实验设计方案

表3 流固耦合分析各方案吸气阻力损失及容积效率

（1）实验测试结果表明，随着吸气口最小截面积的减小，压缩机冷量先微幅减小，当吸气口面积减小到一定程度后由于吸气阻力过大导致吸气量不足冷量开始大幅降低。随着吸气口最小截面积的减小，功耗开始逐渐增大，工况越重增幅越大，说明吸气口最小截面积对吸气损失功耗影响比较大。

（2）通过全因子实验设计得到实验方案，采用流固耦合仿真分析得到不同实验方案的吸气阻力损失功耗，并通过回归分析得到不同吸气口最小截面积设计、运行频率及工况对压缩机吸气阻力损失功耗的回归方程并确定主要影响因子，为压缩机吸气口设计提供理论指导。

图8 方案1流固耦合计算PV曲线

图9 方案3流固耦合计算PV曲线

图10 各因子帕累托图

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