渦旋壓縮機的設計計算與試驗驗證

0氣體壓縮和壓力渦旋壓縮機是一種新型的體積體積傳遞機械，主要通過改變封閉體積來實現氣體壓縮。在諸多增壓設備種類中,渦旋式壓縮機以其效率高、可靠性高、結構簡單而無易損件、轉矩均勻而運轉平穩、低能耗、低噪音等優點而倍受重視,在制冷空調、化工行業氣體壓縮等領域具有廣泛應用。在已有關于渦旋壓縮機的研究和文獻資料中多是集中于小氣量和壓力比較高的壓縮機方面的研究,而對于大排氣量和低壓比渦旋壓縮機的研究及應用還比較少。對于大排氣量低壓比的渦旋壓縮機,不需要將渦旋盤中心部分的渦旋齒進行修正,依靠改變渦旋壓縮機的結構參數可以實現低壓比、大流量的工況,而且要求在實際的運行過程中設備的性能表現優良。目前,這方面的研究基本集中在雙渦圈或多渦圈的研究上,結構比較復雜,加工困難。本文將根據渦旋壓縮機的工作原理,針對大排氣量、低壓比渦旋壓縮機的結構特點,在一定的工藝參數條件下,對單渦圈渦旋壓縮機進行結構設計和試驗分析,使其達到工藝條件的需求,并使結構簡單化。1結構及幾何參數由渦旋壓縮機的工作原理可知,其結構主要由動渦旋盤、靜渦旋盤、防自轉構件、曲軸件、支架體及平衡機構這五部分組成,其基本結構的主要幾何參數包括漸開線節距P、漸開線起始角α、渦旋體壁厚t、渦旋體高度h、渦旋線圈數N、渦旋體回轉半徑R、動靜渦盤基圓半徑r以及漸開線的展開角φ等,渦旋壓縮機的渦旋型線基本參數如圖1所示。1.1增壓壓力驗算在實際的化工工藝應用中,一些工藝循環參數要求以空氣為介質,循環排氣量0.5m3/min≤Vs≤1m3/min,增壓壓力Δp=0.04MPa,且要滿足空間的要求高度H<350mm等。下面針對工藝參數要求的低壓比(低壓差)、大排量,對單渦圈渦旋壓縮機進行結構設計分析。(1)壁厚t壁厚t根據轉子工作時的受力狀況而定,以保證剛度和強度為前提。一般情況下,壁厚t在2～6mm范圍內取值。渦旋體高度h不要過大,以降低氣體力所產生的傾覆力矩,減小振動,保證渦旋壓縮機的安全運行。渦旋線圈數N過多會使壓縮機整體結構過大,排氣壓力升高。因此,要根據工藝參數選擇合適的渦旋參數。(2)錨點及漏點的確定V′s=π(P-2t)(2N-1)Ph(1)式中V′s——每轉速理論排氣量,m3/(min·r);π——圓周率;P——渦旋體節距(可圓整),mm;N——漸開線圈數,可以是非整數;t——渦旋體厚度,mm;h——渦旋體高度,mm。這樣可計算出渦旋壓縮機的泄漏系數λ,即λ=V′s-VsVsλ=V′s?VsVs(2)式中Vs——每轉速計算排氣量,m3/(min·r)。對于渦旋壓縮機,其泄漏系數λ應不大于8%。若泄漏系數過大或過小,需調整渦旋體壁厚t、渦旋體高度h、渦旋線圈數N。渦旋體節距P為Ρ=t+√4t2+4Vs(2Ν-1)πh2(3)(3)回轉半徑法rR=Ρ2-t(4)r=Ρ2π(5)α=t2r(6)式中R——渦旋體回轉半徑,mm;r——動靜渦盤基圓半徑,mm;α——漸開線起始角,rad。(4)氣體信噪比ps根據確定的渦旋體圈數,可確定渦旋體漸開線的展開角φ:φ=2πΝ+π2(7)壓縮機的理論壓縮比ε為ε=psp0(9)壓縮機的排氣溫度Ts為Τs=Τ0εk-1k(10)式中ε——氣體壓縮比;ps——排氣壓力,MPa;Ts——排氣溫度,K;T0——吸氣溫度,為293K;p0——吸氣壓力,MPa;k——氣體絕熱指數,為常數1.4。1.2測試參數針對低壓比、大排量的工藝條件,確定單渦圈渦旋壓縮機結構設計工況條件為:渦旋壓縮機曲軸的轉速n=2000r/min,吸氣溫度20℃,吸氣壓力0.1MPa(絕對壓力),排氣壓力0.14MPa(絕對壓力),循環排氣量Vs=1m3/min,增壓壓力Δp=0.04MPa。取參數渦旋體厚度t=4mm,渦旋體高度h=50mm,渦旋線圈數N=2。渦旋壓縮機參數的選取要同時考慮到盡可能使壓縮機結構緊湊、體積小、滿足空間需要、易加工。根據渦旋壓縮機結構參數之間的關系可計算出壓縮機結構設計參數,如動渦旋幾何外徑Dd、靜渦旋的幾何外徑Dj等。其參數計算結果如表1所示。2測試分析過程以上根據實際的工藝參數要求,對渦旋壓縮機的結構進行了設計計算,確定了壓縮機的結構參數。下面通過試驗對渦旋壓縮機進行工作性能測試分析。試驗測試工況為渦旋壓縮機曲軸的轉速n=2000r/min,吸氣溫度20℃,吸氣壓力0.1MPa(絕對壓力),渦旋壓縮機運轉采用變頻調節測試。從測試的數據看出壓縮機的轉速與流量(排氣量)和壓差之間的關系,其關系曲線如圖2、圖3所示。(1)轉速不變時從圖2可以看出,隨著壓縮機轉速的提高,排氣量也逐漸地升高。在轉速不變時,壓縮機排氣量保持恒定。從測試數據也可以看出,當壓縮機轉速在2000r/min時的泄漏系數λ=2.5%<8%,符合設計要求,流量滿足工藝指標排量的要求。(2)壓縮機的運轉試驗從圖3可以看出,隨著壓縮機轉速的增加,壓縮機出口壓力(壓力差)也越來越大,在轉速不變時,出口壓力保持恒定。從測試數據也可以看出,當壓縮機轉速在2000r/min時實際壓力差與理論壓力差相比較,前者壓力損失較小,符合設計要求,也滿足工藝指標的要求。經過測試可知,壓縮機的整體性能滿足規定工藝參數技術和工藝裝置空間的要求。經過一段長時間的運轉試驗,各主要零部件完好。不過,在試驗過程中也發現一些問題,我們進行了經驗總結并及時解決了問題,從而保證了設備的良好工作狀態。例如:(1)壓縮機的靜渦旋盤和支架體接合面處有漏氣。采用在靜渦盤上安裝O型圈以防止和減少漏氣。(2)設備整體穩定性不太好,運轉噪音有點大。根據工藝參數要求采用合適的轉速,因為太大的轉速會使設備的穩定性減弱,并增大運轉噪音。采用合適的轉速和渦旋體參數(如渦旋體壁厚度、渦旋體高度、渦旋線圈數等)也同樣可以達到設計目的。(3)設備運轉一段時間后,渦旋體壁溫會有所上升,但上升得不快。為避免溫度影響工藝介質的特性,采用在靜渦盤端面開設散熱片,以防止溫度上升。經過試驗測試,可以檢驗設計計算的正確性,暴露不足的一面,同時可以在實踐中發現新的問題。通過不斷總結經驗,完善和解決不足之處,可使設計研究達到最優。3工藝的驗證試驗根據實際工