電機通道對轉子式壓縮機性能影響的仿真和試驗研究

李媛媛 王艷珍 劉春慧

上海海立電器有限公司 上海 201206

1 引言

為促進節能降耗，推廣綠色節能家電，壓縮機提效研究已成為企業工作的重點。電機通道作為壓縮機排氣通道的一部分，對電機效率、出油率和壓縮機性能均有較大影響。文獻[1]利用電磁場仿真軟件JMAG對電機定子不同開孔方案的電機扭矩、鐵損、效率等性能參數進行仿真，仿真結果表明定子上開孔可能會改變定子鐵芯的磁通分布，對鐵損和電機效率造成一定影響。文獻[2]利用CFD仿真探討了定子冷媒通道變化對泵體出口至上殼蓋排氣口壓力損失的影響，探討結果表明隨著定子冷媒通道面積增大，定子通道內的冷媒速度降低，當冷媒速度降低時，不利于油滴的形成和運輸，可有效降低OCR。文獻[3]通過試驗驗證了如果電機通道的通流面積能夠設計得足夠大，電機通道內氣流速度低于油膜的臨界速度，可以實現低OCR；如果電機通道的通流面積不能設計得足夠大，可以調整轉子通道的水力直徑大于定子切邊的水力直徑，也可以實現低OCR。本文對電機通道對壓縮機性能的影響進行系統研究，明確電機通道的設計規則，為后續電機通道的設計提供指導方向。

2 方案設計

以某款壓縮機為研究對象，采用DOE部分因子設計類型，對定子切邊、定子通孔、轉子通孔進行多因子組合，DOE因子水平如表1所示，共設計15個方案，具體如表2所示，研究電機通道對壓縮機性能的影響。以方案5為例，其定子切邊，定子通孔，轉子通孔截面和剖面示意圖如圖1所示。

表1 DOE因子水平

表2 DOE方案匯總

圖1 方案5定子切邊和定轉子通孔示意圖

3 CFD仿真分析

采用CFD商業軟件STAR-CD對不同電機通道方案下壓縮機內部的流動情況進行計算。

3.1 CFD模型

電機通道對壓縮機性能影響的計算模型為冷媒從儲液器吸氣管吸進氣缸基元容積經壓縮后由上下缸蓋PIECE排至上下消音器空腔內，然后由上下排氣通道排至電機下部空腔，再經電機通道排至電機上部空腔，最后由上殼蓋排氣管排出。以方案1為例，其結構模型如圖2a）所示。對結構模型進行處理，提取流體域，得到本次計算的流體模型如圖2b）所示。

圖2 方案1三種模型示意

模型網格根據運動、非運動區域以及結構規則、不規則區域進行劃分[4]。泵體吸排氣腔運動區域網格在計算過程中隨時間周期性變化，因此采用宏程序方式建立，包含動網格運動策略。轉子動網格是在定轉子間隙設置滑移網格邊界實現。非運動區域中規則結構在ICEM中劃分六面體網格；不規則結構采用四面體網格。不同區域連接處網格進行細化。以方案1為例，本次計算的網格模型如圖2c）所示。

計算工況為標準工況，計算工質為制冷劑R410A，轉速為2850 rpm，流動狀態為瞬態湍流的可壓縮流，湍流模型采用K-Epsilon/High Reynolds Number模型。儲液器吸氣管入口設為Pressure邊界，給定吸氣壓力，上殼蓋排氣管出口設為Pressure邊界，給定排氣壓力，其中，參考壓力為0.1 MPa。

3.2 CFD仿真結果

3.2.1 通流面積對壓縮機性能的影響

設計了9個方案探討通流面積對壓縮機性能的影響。以方案1的通流面積為基準，每個方案的通流面積如圖3所示。

圖3 不同方案的通流面積

壓縮機泵體排氣為間歇性排氣，間歇性排氣會導致壓力脈動的產生。標準工況下，不同電機通流面積下電機下部的壓力脈動曲線如圖4所示。

從電機下部的壓力脈動曲線可知：電機通道的通流面積不同時，電機下部壓力脈動曲線的相位、幅值及波的個數均不同。

監測上殼蓋排氣管出口的質量流量隨曲軸轉角的變化曲線。標準工況下，不同的電機通流面積下上殼蓋排氣管出口一個周期內質量流量隨曲軸轉角的變化曲線如圖5所示。

從質量流量隨曲軸轉角的變化曲線可知：除了方案1外其余方案的上殼蓋排氣管出口在部分角度下有回流。

應用宏程序對氣缸吸氣腔和壓縮腔每2°時的容積和壓力進行取值，可以得到壓縮機吸氣壓縮一個周期內的P-V曲線。

對上殼蓋排氣管出口的質量流量曲線和泵體P-V曲線進行后處理即可得到壓縮機的制冷量、泵體PV功、COP隨通流面積的變化，如圖6所示。

圖4 電機下部壓力脈動曲線

圖5 上殼蓋排氣管出口質量流量曲線

從圖6可知，壓縮機性能的最高點沒有出現在通流面積較大的時候，而是方案1制冷量和COP最高，原因為：壓縮機制冷量和COP與壓縮機流量及功耗相關，從圖5壓縮機出口流量曲線可以看出，方案1上殼蓋出口的流量曲線沒有回流，流量最高。而從圖4壓力脈動曲線對比可以看出，不同通流面積空腔頻率不同，響應后的壓力脈動曲線不同。氣缸排氣在曲軸轉角220°左右，此時方案1排氣背壓最低，排氣過壓縮損失最小。由此說明，壓縮機性能不隨電機通流面積的增大而增大。

圖6 壓縮機性能隨通流面積的變化

3.2.2 通道形式對壓縮機性能的影響

選取3個通流面積，每個通流面積設計了3組式樣的通道形式，從而探討通道形式對壓縮機性能的影響。以方案1的通流面積為基準，每個方案的通流面積如圖7所示。

圖7 通道形式

標準工況下，不同通道形式下電機下部的壓力脈動曲線如圖8所示。

圖8 電機下部壓力脈動曲線

圖9 上殼蓋出口質量流量曲線

從電機下部的壓力脈動曲線可知：電機通道的通流面積相同時，電機下部壓力脈動曲線的相位、幅值及波的個數基本相同，與通道形式無關。

標準工況下，相同通流面積不同通道形式下上殼蓋排氣管出口一個周期內質量流量隨曲軸轉角的變化曲線如圖9所示。

從質量流量隨曲軸轉角的變化曲線可知：電機通流面積相同時，通道形式對上殼蓋出口的質量流量曲線影響不大。

同樣的，應用宏程序取不同通道形式下壓縮機吸氣壓縮一個周期內的P-V曲線。

對上殼蓋排氣管出口的質量流量曲線和泵體P-V曲線進行后處理即可得到壓縮機的制冷量、泵體PV功、COP隨電機通道形式的變化，如圖10所示。

從圖10可知，電機通流面積相同的情況下，通道形式對壓縮機性能略有影響，但數值不大，在0.2%以內。

圖10 壓縮機性能隨通道形式的變化

4 試驗分析

為驗證理論計算的準確性，從理論計算方案中選取了方案1、4、10、13、15共五個方案進行電機試制并裝機試驗。每個方案的電機試制3臺，裝成壓縮機整機后在冷量臺上進行冷量試驗，試驗工況與CFD仿真工況一致，電機通道對壓縮機性能影響的試驗值與仿真值的對比如圖11所示。

圖11 電機通道對壓縮機性能影響的試驗與仿真比較

由圖11可知，從趨勢上看，電機通道對壓縮機性能影響的試驗值與仿真值趨勢基本一致；從數值上看，電機通道對壓縮機性能影響的試驗值小于仿真值，主要原因為仿真計算得到的是泵體性能，沒有考慮電機效率、機械效率等方面的影響，而試驗值為壓縮機總性能。電機通道對壓縮機性能影響的試驗值與仿真值對比結果驗證了仿真分析的正確性。

5 結論

本文通過CFD仿真和試驗相結合的方法，對電機通道對壓縮機性能的影響進行系統研究，主要結論如下：

（1）電機通道通流面積不同時，電機下部壓力脈動曲線的相位、幅值及波的個數均不同。

（2）壓縮機性能的最高點沒有出現在通流面積較大的時候，由此說明，壓縮機性能不隨電機通流面積的增大而增大。

（3）電機通道通流面積相同時，電機下部壓力脈動曲線的相位、幅值及波的個數基本相同，與通道形式無關。

在今后的壓縮機開發過程中，電機通道的設計均可參考上述結論，可有效提升壓縮機性能。