電機(jī)通道對(duì)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)性能影響的仿真和試驗(yàn)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(jìn)節(jié)能降耗，推廣綠色節(jié)能家電，壓縮機(jī)提效研究已成為企業(yè)工作的重點(diǎn)。電機(jī)通道作為壓縮機(jī)排氣通道的一部分，對(duì)電機(jī)效率、出油率和壓縮機(jī)性能均有較大影響。文獻(xiàn)[1]利用電磁場(chǎng)仿真軟件JMAG對(duì)電機(jī)定子不同開孔方案的電機(jī)扭矩、鐵損、效率等性能參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明定子上開孔可能會(huì)改變定子鐵芯的磁通分布，對(duì)鐵損和電機(jī)效率造成一定影響。文獻(xiàn)[2]利用CFD仿真探討了定子冷媒通道變化對(duì)泵體出口至上殼蓋排氣口壓力損失的影響，探討結(jié)果表明隨著定子冷媒通道面積增大，定子通道內(nèi)的冷媒速度降低，當(dāng)冷媒速度降低時(shí)，不利于油滴的形成和運(yùn)輸，可有效降低OCR。文獻(xiàn)[3]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了如果電機(jī)通道的通流面積能夠設(shè)計(jì)得足夠大，電機(jī)通道內(nèi)氣流速度低于油膜的臨界速度，可以實(shí)現(xiàn)低OCR；如果電機(jī)通道的通流面積不能設(shè)計(jì)得足夠大，可以調(diào)整轉(zhuǎn)子通道的水力直徑大于定子切邊的水力直徑，也可以實(shí)現(xiàn)低OCR。本文對(duì)電機(jī)通道對(duì)壓縮機(jī)性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，明確電機(jī)通道的設(shè)計(jì)規(guī)則，為后續(xù)電機(jī)通道的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)方向。

2 方案設(shè)計(jì)

以某款壓縮機(jī)為研究對(duì)象，采用DOE部分因子設(shè)計(jì)類型，對(duì)定子切邊、定子通孔、轉(zhuǎn)子通孔進(jìn)行多因子組合，DOE因子水平如表1所示，共設(shè)計(jì)15個(gè)方案，具體如表2所示，研究電機(jī)通道對(duì)壓縮機(jī)性能的影響。以方案5為例，其定子切邊，定子通孔，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子通孔示意圖

3 CFD仿真分析

采用CFD商業(yè)軟件STAR-CD對(duì)不同電機(jī)通道方案下壓縮機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算。

3.1 CFD模型

電機(jī)通道對(duì)壓縮機(jī)性能影響的計(jì)算模型為冷媒從儲(chǔ)液器吸氣管吸進(jìn)氣缸基元容積經(jīng)壓縮后由上下缸蓋PIECE排至上下消音器空腔內(nèi)，然后由上下排氣通道排至電機(jī)下部空腔，再經(jīng)電機(jī)通道排至電機(jī)上部空腔，最后由上殼蓋排氣管排出。以方案1為例，其結(jié)構(gòu)模型如圖2a）所示。對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行處理，提取流體域，得到本次計(jì)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(wǎng)格根據(jù)運(yùn)動(dòng)、非運(yùn)動(dòng)區(qū)域以及結(jié)構(gòu)規(guī)則、不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行劃分[4]。泵體吸排氣腔運(yùn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格在計(jì)算過程中隨時(shí)間周期性變化，因此采用宏程序方式建立，包含動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)策略。轉(zhuǎn)子動(dòng)網(wǎng)格是在定轉(zhuǎn)子間隙設(shè)置滑移網(wǎng)格邊界實(shí)現(xiàn)。非運(yùn)動(dòng)區(qū)域中規(guī)則結(jié)構(gòu)在ICEM中劃分六面體網(wǎng)格；不規(guī)則結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格。不同區(qū)域連接處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。以方案1為例，本次計(jì)算的網(wǎng)格模型如圖2c）所示。

計(jì)算工況為標(biāo)準(zhǔn)工況，計(jì)算工質(zhì)為制冷劑R410A，轉(zhuǎn)速為2850 rpm，流動(dòng)狀態(tài)為瞬態(tài)湍流的可壓縮流，湍流模型采用K-Epsilon/High Reynolds Number模型。儲(chǔ)液器吸氣管入口設(shè)為Pressure邊界，給定吸氣壓力，上殼蓋排氣管出口設(shè)為Pressure邊界，給定排氣壓力，其中，參考?jí)毫?.1 MPa。

3.2 CFD仿真結(jié)果

3.2.1 通流面積對(duì)壓縮機(jī)性能的影響

設(shè)計(jì)了9個(gè)方案探討通流面積對(duì)壓縮機(jī)性能的影響。以方案1的通流面積為基準(zhǔn)，每個(gè)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(jī)泵體排氣為間歇性排氣，間歇性排氣會(huì)導(dǎo)致壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生。標(biāo)準(zhǔn)工況下，不同電機(jī)通流面積下電機(jī)下部的壓力脈動(dòng)曲線如圖4所示。

從電機(jī)下部的壓力脈動(dòng)曲線可知：電機(jī)通道的通流面積不同時(shí)，電機(jī)下部壓力脈動(dòng)曲線的相位、幅值及波的個(gè)數(shù)均不同。

監(jiān)測(cè)上殼蓋排氣管出口的質(zhì)量流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。標(biāo)準(zhǔn)工況下，不同的電機(jī)通流面積下上殼蓋排氣管出口一個(gè)周期內(nèi)質(zhì)量流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖5所示。

從質(zhì)量流量隨曲軸轉(zhuǎn)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(yīng)用宏程序?qū)飧孜鼩馇缓蛪嚎s腔每2°時(shí)的容積和壓力進(jìn)行取值，可以得到壓縮機(jī)吸氣壓縮一個(gè)周期內(nèi)的P-V曲線。

對(duì)上殼蓋排氣管出口的質(zhì)量流量曲線和泵體P-V曲線進(jìn)行后處理即可得到壓縮機(jī)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(jī)下部壓力脈動(dòng)曲線

圖5 上殼蓋排氣管出口質(zhì)量流量曲線

從圖6可知，壓縮機(jī)性能的最高點(diǎn)沒有出現(xiàn)在通流面積較大的時(shí)候，而是方案1制冷量和COP最高，原因?yàn)椋簤嚎s機(jī)制冷量和COP與壓縮機(jī)流量及功耗相關(guān)，從圖5壓縮機(jī)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(dòng)曲線對(duì)比可以看出，不同通流面積空腔頻率不同，響應(yīng)后的壓力脈動(dòng)曲線不同。氣缸排氣在曲軸轉(zhuǎn)角220°左右，此時(shí)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(jī)性能不隨電機(jī)通流面積的增大而增大。

圖6 壓縮機(jī)性能隨通流面積的變化

3.2.2 通道形式對(duì)壓縮機(jī)性能的影響

選取3個(gè)通流面積，每個(gè)通流面積設(shè)計(jì)了3組式樣的通道形式，從而探討通道形式對(duì)壓縮機(jī)性能的影響。以方案1的通流面積為基準(zhǔn)，每個(gè)方案的通流面積如圖7所示。

圖7 通道形式

標(biāo)準(zhǔn)工況下，不同通道形式下電機(jī)下部的壓力脈動(dòng)曲線如圖8所示。

圖8 電機(jī)下部壓力脈動(dòng)曲線

圖9 上殼蓋出口質(zhì)量流量曲線

從電機(jī)下部的壓力脈動(dòng)曲線可知：電機(jī)通道的通流面積相同時(shí)，電機(jī)下部壓力脈動(dòng)曲線的相位、幅值及波的個(gè)數(shù)基本相同，與通道形式無關(guān)。

標(biāo)準(zhǔn)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(gè)周期內(nèi)質(zhì)量流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖9所示。

從質(zhì)量流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線可知：電機(jī)通流面積相同時(shí)，通道形式對(duì)上殼蓋出口的質(zhì)量流量曲線影響不大。

同樣的，應(yīng)用宏程序取不同通道形式下壓縮機(jī)吸氣壓縮一個(gè)周期內(nèi)的P-V曲線。

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

從圖10可知，電機(jī)通流面積相同的情況下，通道形式對(duì)壓縮機(jī)性能略有影響，但數(shù)值不大，在0.2%以內(nèi)。

圖10 壓縮機(jī)性能隨通道形式的變化

4 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，從理論計(jì)算方案中選取了方案1、4、10、13、15共五個(gè)方案進(jìn)行電機(jī)試制并裝機(jī)試驗(yàn)。每個(gè)方案的電機(jī)試制3臺(tái)，裝成壓縮機(jī)整機(jī)后在冷量臺(tái)上進(jìn)行冷量試驗(yàn)，試驗(yàn)工況與CFD仿真工況一致，電機(jī)通道對(duì)壓縮機(jī)性能影響的試驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比如圖11所示。

圖11 電機(jī)通道對(duì)壓縮機(jī)性能影響的試驗(yàn)與仿真比較

由圖11可知，從趨勢(shì)上看，電機(jī)通道對(duì)壓縮機(jī)性能影響的試驗(yàn)值與仿真值趨勢(shì)基本一致；從數(shù)值上看，電機(jī)通道對(duì)壓縮機(jī)性能影響的試驗(yàn)值小于仿真值，主要原因?yàn)榉抡嬗?jì)算得到的是泵體性能，沒有考慮電機(jī)效率、機(jī)械效率等方面的影響，而試驗(yàn)值為壓縮機(jī)總性能。電機(jī)通道對(duì)壓縮機(jī)性能影響的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的正確性。

5 結(jié)論

本文通過CFD仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)電機(jī)通道對(duì)壓縮機(jī)性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，主要結(jié)論如下：

（1）電機(jī)通道通流面積不同時(shí)，電機(jī)下部壓力脈動(dòng)曲線的相位、幅值及波的個(gè)數(shù)均不同。

（2）壓縮機(jī)性能的最高點(diǎn)沒有出現(xiàn)在通流面積較大的時(shí)候，由此說明，壓縮機(jī)性能不隨電機(jī)通流面積的增大而增大。

（3）電機(jī)通道通流面積相同時(shí)，電機(jī)下部壓力脈動(dòng)曲線的相位、幅值及波的個(gè)數(shù)基本相同，與通道形式無關(guān)。

在今后的壓縮機(jī)開發(fā)過程中，電機(jī)通道的設(shè)計(jì)均可參考上述結(jié)論，可有效提升壓縮機(jī)性能。