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硕士学位论文开题报告学号：122080201004研究生：李传恒导师：刘涛研究方向：复杂型面设计理论论文题目：涡旋压缩机内部泄露模拟与分析学科：机械制造学院(部)：机电工程学院入学时间：2012年08月开题时间：2014年01月12日2014年01月12日填报说明学科代码080201编号一、开题报告中的一至七项必须采用计算机输入和打印，开题报告格式可在研究生部网址=1695下载。二、开题报告为A4大小，于左侧装订成册。各栏空格不够时，请自行加页。三、开题答辩成绩（即每个学生开题报告评审表的平均成绩）由学院（部）研究生专干填写，学院负责人签署是否同意开题的意见。五、开题报告通过后，分别由研究生、导师、学院（部）和研究生院各存档一份。学位论文题目涡旋压缩机内部泄露模拟与分析课题来源国家自然科学基金项目一、课题意义及国内外研究现状综述（一）课题意义：涡旋压缩机被誉为第三代压缩机，以其结构紧凑、高效节能、微震低噪和高可靠性等优点已被广泛的应用于空调、制冷、各种气体压缩、增压器、真空泵和液压泵等产品。随着工业的发展，和人们节约能源意识的提高，低耗能、高效率的压缩机越来越受到人们的青睐。但其泄漏问题仍然是阻碍涡旋压缩机发展的主要障碍[1]。因此，提高涡旋压缩机的容积效率，特别是减少工作过称的泄漏量，是值得研究的一个方面。涡旋压缩机的压缩腔与外界之间以及压缩腔之间存在着气体质量的交换，这种质量交换称之为泄露。涡旋压缩机在吸气过程中存在着泄露，这种与外界进行的气体质量交换称为外泄露。外界是指压力大于吸气压力的高压气体，当高压气体进入吸气腔内膨胀并占据吸气空间，使得涡旋压缩机的实际吸气量减少，所以外泄露会增加功耗，会影响到涡旋压缩机的吸气量，后果是降低了制冷压缩机的制冷量；同样，涡旋压缩机各压缩腔之间、压缩腔与背压腔之间也会发生泄漏，这种气体泄露称为内泄漏，高压压缩腔中的气体泄漏到低压压缩腔内，压力要降低，再由低压状态重新被压缩到高压状态，均要消耗功率。因此，内泄漏的直接后果是要大大增加涡旋压缩机的功耗。泄漏问题与密封技术密切相关,密封技术虽然不是领先性技术,但往往是决定性关键技术,密封还直接关系到能源和物料的节约问题,在整个能源消耗中,各种流体动力机械占据的比例较大,这些机械的内漏或外漏,往往造成容积效率降低,其功率损失达总功率的10%以上,小型机器甚至达40%~50%。因此研究泄漏问题对于提高压缩机轴端密封运行的可靠性和稳定性,降低物料和能源的消耗对于提高压缩机效率，减少功耗，以及对于提高机械加工质量具有指导作用，具体现实意义如下：1．有助于准确地分析涡旋压缩机的气体损失和动力损失；2．提高了涡旋压缩机的性能，是降低企业某生产成本的渠道之一；3．可以为涡旋齿型线参数的设计提供可靠依据；4．对压缩机的密封有指导意义。（二）国内外研究现状综述：涡旋压缩机最早于1905年提出,但由于加工手段和工艺设备的局限性没有得到深入的研究和发展。直到20世纪70年代,能源危机的加剧和高精度数控铣床的出现,为涡旋机械的发展带来了机遇。美国ADL公司1973年首次提出涡旋氮气压缩机的研究报告,并证明了涡旋压缩机具有其它压缩机无法比拟的优点。1982年,日本三电公司开始批量生产汽车空调涡旋压缩机,其后日立公司、三菱电气、大金、松下、美国的谷轮公司和特灵公司也开始批量生产涡旋压缩机。进入21世纪,谷轮公司又推出了一种新的数码涡旋压缩机,使空调器不必使用昂贵的变频控制器就能实现制冷量在10%～100%范围内的无级调节。1993～1998年整个压缩机市场只增长了5.2%,涡旋压缩机却增加了26%,1998年底柔性涡旋压缩机的产量已经突破了1200万台。我国1983年以后才开始涡旋压缩机的研制工作,1987年试制出第1台涡旋空气压缩机。目前涡旋压缩机的研究制造主要集中在美国、日本、中国和韩国。在研究领域，先后有兰州理工大学、西安交通大学、机械部通用机械研究所以及一些其它的院、所和工厂对涡旋技术进行规模研究，在理论研究和工程实践上取得了一定的成果。在生产方面，广州万宝压缩机股份公司引进了日立公司年产12万台单元空调用全封闭涡旋压缩机的生产线[3]，考普兰公司在苏州投资建设了年产100万台5HP涡旋压缩机的生产线。近年来研究涡旋压缩机的论文不断增多,研究内容主要集中在涡旋压缩机的几何特性、工作原理、泄漏及密封、加工工艺及材料、型线修正及通用型线、整体优化等方面。1.涡旋压缩机型线的研究现状涡旋压缩机能够正常工作的条件就是动涡盘与静涡盘在压缩腔内能够啮合。而基于涡旋体直壁等高的形状特性,在几何计算时完全可以仅讨论其投影的涡线,即把空间啮合问题转化为平面啮合问题。常见的涡旋型线有基圆渐开线、正多边形渐开线、线段渐开线、半圆渐开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基圆渐开线、包络型线、以及通用型线等。由于圆的渐开线容易加工,并且该型线的压缩机有良好的工作性能,所以目前应用的型线以圆渐开线为主。为同时发挥不同类型型线的优势，近年来出现了组合型线，即在同一涡圈上采用两段或多段不同类型的型线连接为光滑型线。例如，王国梁等人提出由大、小圆弧和直线交替，构成了双圆弧加直线的组合型线，并建立了型线基本理论，与渐开线相比该型线具有较大的有效容积比，较小的内容积比[13]；刘振全、王君等人对圆渐开线和圆弧组合型线生成方法和特点进行了详细的研究，并建立了其组合型线的几何理论，建立了相应的型线方程[2]；文献[7]提出了通用型线的概念，即采用法向分量和切向分量表达型线的方法，表达常用的典型型线，并通过法向等距平移的方法扩展出新型型线，并建立便于优化的通用数学模型。2.计算流体动力学及网格技术涡旋压缩机中的应用利用计算流体动力学软件Fluent，可以分析涡旋压缩机内部气体的泄露状态，文献[14]讨论了Fluent在某气田群的海上平台可燃气泄漏的应用，并进行了模拟计算，并进行分析、判断和预测气体泄漏后所影响到的扩散区域，可见计算流体动力学应用广泛，特别适合气体的有关模拟和分析，相比之下，对涡旋压缩机内部泄露气体的研究，可以采用同样地方法进行研究分析。研究涡旋压缩机内部泄露，最重要的是要研究内部流场。采用局部弹性变形与网格重划的CFD动网格技术，可以对涡旋压缩机动态流场进行数值模拟，并计算得到了涡旋压缩机随时间周期变化的质量流量、流场分布及压力、温度分布，观测到涡旋压缩机内旋涡生成、运动、增大或缩小等现象[16]。文献[25]则由连续方程、动量方程、能量方程、状态方程得到了径向泄漏模型和切向泄露模型。黄思[28]等人将CFD动网格技术应用到滚动转子式压缩机动态流场的数值模拟,得到了压缩机流量值随时间变化的谐波规律，捕捉到滚动转子式压缩机工作过程中的旋涡,以及旋涡的生成、运动、增大或缩小的过程,这些结果可为滚动转子式压缩机的优化。Fluent动网格技术还被用到模拟分析微型齿轮泵内流场，为齿轮泵流场问题的仿真提供便利,为微型齿轮泵的设计和结构优化提供具有参考价值的数据[24]。综合来讲，计算流体动力学的动网格技术，可以方便解决流体速度、压力变化以及流态模拟分析。3.压缩机气体泄露研究现状文献[4]讨论了用于预测泄露比率以及顶端间隙和泄漏比率之间的关系的四个理论模型,即喷嘴流模型，Fanno流模型，基于不可压缩和粘性流理论的Ishii模型,一维稳态层流模型（Fagerli的模型）,文献[5]研究了等熵模型和Fanno模型对涡旋压缩机热力学性能的影响。与Fanno模型进行比较，等熵流模型显示一个更大的质量流率，通过使用CFD软件，Fanno模型则更准确，这两个泄漏模型之间的差异随着间隙的增大而变大。在涡旋压缩机的功率损失中，由于泄露引起的损失占很大的比重，因此关于泄露的研究也在不断地深入，由于研究涡旋压缩机实际工作状况的复杂性，文献[6]研究了切向泄露，对径向间隙引起的切向泄露进行了两项研究并获得了基本数据。在该研究中，首先通过实验获取压缩机在实际工作状况中的特点，对切向泄露量进行了测量，从实验值中获得流量系数。如果不考虑泄露路径的形状、径向间隙、压力条件，那么流量系数的值是恒定的。通过运用所得系数，模拟分析了切向泄露对压缩机在不同工作状况下的影响，以及在实际工作条件下的泄漏量和切向泄漏对涡旋压缩机性能的影响。该研究为压缩机切向泄露提供了实验数据，以及对压缩机泄露的深入研究提供了参考。在文献[7]中，提到切向泄露和径向泄露，并对它们的各自的特点进行研究，为了研究实际工作状况下复杂的顶端泄露状况，实验中采用间接的流量测量方法，并应用顶端泄露模型来分析了轴向和切向泄露，通过理论结果与实验结果的对比分析，无油条件下也得到了验证。由此可得到在压缩比，旋转角，排气压力，顶端间隙和泄漏点状态下的泄漏量。陈志明熊则男等人，以过程方程、动量方程、状态方程和连续性方程为基础结合小间隙内气体流动特点,将压缩机内气体泄漏视为有摩擦的流动过程,提出了计算气体泄漏量的模型[8]，这为气体泄露研究提供了计算模型，为定量化研究提供了新方法。文献[9]建立了无油润滑双涡圈涡旋压缩机的泄露模型,根据型线的几何理论计算了一个周期内泄漏线的长度,分析了在工作过程中泄漏线的变化,泄漏线长度随曲柄转角的变化,以及泄露量随排气压力,曲柄转角的变化情况。通过模拟计算与实验分析了无油润滑的双涡旋空气压缩机的泄漏间隙,由于缺少了润滑油的密封作用,泄漏现象较有油润滑严重,容积效率相对较低,散热效果较差。在文献[10]中，分析讨论了不同的气体温度、泄漏压差、最大泄漏量下空气、CO2、R22、R11,nC4H10与最小密封间隙的关系，为各种不同用途涡旋压缩机的设计提供合理的密封间隙,为使用现有涡旋压缩机样机的设计参数进行模化设计提供了理论依据。辛电波，冯健美等人，搭建了微小间隙内油气两相流动特性试验研究装置,通过改变泄漏间隙和泄漏压力差/压力比及油气体积比,借助高速摄影获得了微小间隙内油气两相流动的流型,得到了气体泄漏量随泄漏间隙大小和泄漏压力差/压力比变化的关系，解释了流型特征对泄漏的影响[11]。气体泄漏扩散过程的仿真，比较有名的模型有稠密气体扩散模型（DenseGasDispersionModel,DEGADIS）,计算流体动力学（ComputionalFluidDynamics,CFD）,概率密度模型（ProbabilityDensityFunction,PDF)和三维有限元模型（3-DFiniteElementModel，FEM3）等。在模型中有k−ε、k−ω、k−τ等几种情形，其中k−ε湍流模型应用最为广泛[12-14]。三维有限元模型是基于气体扩散的具体物理过程，用湍流统计理论来仿真气体泄漏扩散问题，模型具有较好的扩展性，且仿真计算结果精度高，适用于绝大部分的气体泄漏扩散仿真问题，但是在实际操作过程中还需要进行必要的简化。综上所述，在当前涡旋压缩机设计与开发研究中，重点主要是拓宽涡旋压缩机的使用范围，扩大涡旋压缩机的容量和压缩比，以及在保证压缩机正常工作的前提下，提高压缩机容积效率，减少泄露量，节约能源。能源是经济和社会发展的重要物质基础，也是实现四个现代化以提高我国人民生活水平的先决条件。我国面临日益明显的对于能源系统的可持续发展和经济的可持续发展的挑战，为了应对这样的挑战，我国的策略是加紧进行综合的应对策略研究，大力促进能源节约，发展低碳和无碳的替代能源。因此发展能源利用率高、低泄漏量涡旋压缩机显得尤为重要，并且对提高涡旋盘的加工精度，改善涡旋压缩机的工作性能和效率，提供理论依据和指导。二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题（一）课题研究的目标：本课题对涡旋压缩机内部泄露进行研究分析，通过对泄漏通道的工质流态分析，初步确定泄露模型，然后建立数学模型。利用Fluent软件，对动、静涡盘间隙流体进行模拟。目的是根据得到流体的压力、速度分布[16][19]图像，确定间隙流体流动状态,分析油膜动压效应，为研究涡旋压缩机的润滑与摩擦，以及