（动力工程及工程热物理专业论文）不同型线动涡旋盘特性数值仿真.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n n u m e r c i a ls i m u l a t i o no nc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tp r o f i l e s o r b i t i n gs c r o l lw r a p m a j o r ： s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uy i c a i s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t h u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 2 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 你凯 日期：趁年复月垒细 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：狸l 年上月堕日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 动涡旋盘作为涡旋压缩机的主要运动部件，其深层的结构动力学 特性一直都是国内外涡旋机械领域的研究重点。在前人工作基础上， 本文主要从动涡旋盘自身的结构动力学特性出发，借助m a t l a b 进 行了不同型线涡旋压缩机容积特性计算。同时借助数值模拟工具 a n s y s ，对两种不同型线的动涡旋盘进行了模态特性、振动特性、 频率谐响应、结构可靠性及各结构参数对可靠性影响的灵敏度分析。 得出以下结论：( 1 ) 通过m a t l a b 计算得到了两种不同型线涡 旋压缩腔的容积随主轴转动变化的特性曲线，并得出了组合型线的吸 气容积要大于基圆渐开线。( 2 ) 得到了两种不同型线动涡旋盘的前六 阶固有频率及在不同振型下的各点综合位移图，基圆渐开线型动涡旋 盘的结构固有频率较之组合型线型动涡旋盘的固有频率跨度小，表明 组合型线动涡旋盘在避免结构共振方面优于基圆渐开线型动涡旋盘。 ( 3 ) 模态分析的基础上，对两种动涡旋盘进行了动力谐响应分析， 得出了随载荷频率变化时的综合位移应变响应曲线及最危险工况下 的应力、应变分布云图，确定了应力、位移应变发生最大的涡盘段都 是在动涡旋盘的修正齿端。( 4 ) 对两种动涡旋盘进行可靠性对比分析， 得出基圆渐开线型动涡旋盘和组合型线动涡旋盘的结构可靠性在置 信度为9 5 的情况下分别为9 8 1 0 2 7 5 和9 8 4 0 3 2 5 。( 5 ) 在结构可 靠性分析的基础上，对两种不同型线的动涡旋盘输入参数对动涡旋盘 可靠性的灵敏度进行了分析，发现材料屈服强度及动涡旋盘的齿厚灵 敏度为正值，表明随着这两输入参数的增大动涡旋盘的可靠性越来越 高。 关键词：动涡旋盘，容积特性，模态分析，动力学响应，可靠性分析 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a so r b i t i n gs c r o l lw r a pi st h ec r u c i a lm o v i n gc o m p o n e n to fs c r o l l c o m p r e s s o r , t h e s t r u c t u r a l d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fi th a sb e e n c o n s i d e r e da st h ek e yp o i n ti nr e l e v a n tf i e l db o t ha th o m ea n da b r o a da t a l lt i m e s b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，t h ea u t h o rs t a r t f r o mt h es t r u c t u r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，m o d a la n a l y s i s ，v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，s t r u c t u r er e l i a b i l i t ya n a l y s i s a n dt h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r st os e n s i t i v i t ya n a l y s i sa r e a n a l y z e dr e s p e c t i v e l yb ya n s y s t h er e s e a r c hr e s u l t sa r e ：( 1 ) 0 b r a i n i n gt h ec u r v eo ft w od i f f e r e n t c o m p r e s s i o nc h a m b e rc h a n g e w i t ht h e s p i n d l e r o t a t i o n b yu s i n g m 觚l a b ，t h ea s p i r a t e dv o l u m eo fc o m b i n a t i o np r o f i l ei sg r e a t e rt h a n i n v o l u t eo fb a s i cc i r c l e ( 2 ) o b t a i n i n gt h et o ps i xn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d u n i t i n gd i s p l a c e m e n tt r a n s f o r m a t i o no fo r b i t i n gs c r o l lw r a p si nd i f f e r e n t v i b r a t i o nm o d e s t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m b i n a t i o np r o f i l eo r b i t i n gw r a p h a sm o r es u p e r i o r i t yt h a ni n v o l u t eo fb a s i cc i r c l eo n e si na v o i d i n g r e s o n a n c e ( 3 ) o nt h e b a s i so fm o d e la n a l y s i s h a r m o n i ca n a l y s i sa r e a n a l y z e dt od i f f e r e n ts c r o l lv v r a p sa n di n t e g r a t e dd i s p l a c e m e n ts t r a i n r e s p o n s ec u r v e sw h i l el o a d sf r e q u e n c yc h a n g e sa r eg a i n e d t h et w os c r o l l w r a p si sd i f f e r e n ti nt r a n s i t i o n a lw r a p s ，h a r m o n i ca n a l y s i sa r ea n a l y z e dt o t h ed i f f e r e n ts e g m e n t s ( 4 ) t h r o u g ht h es t r u c t u r a lr e l i a b i l i t yc o m p a r a t i v e a n a l y s i so ft w od i f f e r e n t s c r o l lw r a p s ，o b t a i n i n gt h a tt h ec o m b i n a t i o n p r o f i l eo r b i t i n gs c r o l lw r a ph a sh i g h e rr e l i a b i l i t yt h a nt h eb a s ec i r c l eo f i n v o l u t e ，9 8 4 0 3 2 5 t o9 8 10 2 7 5 i nc o n f i d e n c el e v e lo f9 5 ( 5 ) o nt h e b a s i so fr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，t h ea u t h o rd o e ss e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f s t r u c t u r a lr e l i a b i l i t ya n a l y s i st od i f f e r e n to r b i t i n gs c r o l l 、v r a p sa n df i n d t h a tt h ev a l u eo fm a t e r i a ly i e l ds t r e n g t ha n dt o o t ht h i c k n e s sa r ep o s i t i v e v a l u e ，w h i c ha r eg r e a t e rt h eo r b i t i n gs c r o l lw r a ph a sh i g h e rr e l i a b i l i r y k e yw o r d s ：o r b i t i n gs c r o l lw r a p ， a n a l y s i s ，d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ， v o l u m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c ，m o d e l r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1涡旋压缩机的发展历史及现状1 1 1 1涡旋压缩机的早期发展历史1 1 1 2 涡旋压缩机的发展现状2 1 2 课题的研究意义3 1 3 涡旋压缩机的研究现状及存在的问题4 1 3 1 涡旋压缩机的研究现状4 1 3 2 存在的问题8 1 4 涡旋压缩机的发展趋势9 1 5 课题的主要研究内容9 第二章涡旋压缩机关键零部件动力学特性分析1 1 2 1涡旋压缩机的基本结构及工作原理1 l 2 1 1涡旋压缩机的基本结构1 l 2 1 3 涡旋压缩机的分类1 1 2 1 3 涡旋压缩机的工作原理1 3 2 2 涡旋压缩机主要零件受力分析1 4 2 2 1动涡旋盘上气体力分析1 4 2 2 1 1切向力分析1 6 2 2 1 2 法向力分析。1 6 2 2 1 3轴向力分析1 7 2 2 2 动涡旋盘受力分析及其力学模型1 8 2 2 - 3 动涡旋盘倾覆力矩和自转力矩分析计算2 0 2 3 防自转机构受力分析2 l 2 4 小结2 3 第三章不同型线涡旋压缩机的容积特性2 4 3 1涡旋压缩机的特性及型线的约束条件2 4 3 1 1涡旋压缩机的特性2 4 3 1 2 涡旋型线约束条件2 4 3 2 涡旋压缩机通用型线解析2 5 3 2 1 通用型线的基本概念2 5 3 2 2 三类通用型线的基本表达式2 6 3 3 基于非劣优遗传算法的涡旋通用型线优化计算2 7 3 3 1非劣优遗传算法的基本步骤2 7 3 3 2 优化设计实例计算2 8 3 4 基圆渐开线型涡旋型线与组合涡旋型线容积特性对比3 0 3 5 小结3 2 第四章不同型线动涡旋盘结构动力学特性分析3 4 i n 中南大学硕士学位论文 目录 4 1 型线控制方程3 4 4 1 1 基圆渐开线方程3 4 4 1 1 组合型线方程3 5 4 2 模型的建立及有限元网格划分3 6 4 3 结构动力学特性分析3 8 4 3 1 计算工况的选择3 8 4 3 2 动涡旋盘变形计算的约束条件3 8 4 3 3 模态分析3 8 4 3 4 动力谐响应分析4 4 4 4 可靠性分析4 8 4 4 1 可靠性分析常用方法4 8 4 4 1 1 蒙特卡罗法4 9 4 4 1 2 响应面法4 9 4 4 2 可靠性分析过程与步骤4 9 4 4 3 动涡旋盘可靠性分析5 0 4 4 3 1基圆渐开线型动涡旋盘可靠性分析5 0 4 4 3 2 组合型线动涡旋盘可靠性分析5 2 4 5 小结5 4 第五章全文总结与展望5 5 5 1 全文总结与结论5 5 5 2 本文的主要创新点5 6 5 3 下一步的工作展望5 6 参考文献5 8 附录16 2 致谢6 4 攻读硕士学位期间主要研究成果6 5 i v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 涡旋压缩机是新型高效容积式压缩机，其工作过程是通过由渐开曲线等创造 的具有螺旋形动静涡旋盘的相互啮合而形成封闭容积的变化来实现的。具有效率 高、噪声小、可靠性高、能耗低、运动部件少等突出优势，近年来在制冷空调及 动力能源领域得到了广泛的应用。 1 1涡旋压缩机的发展历史及现状 1 1 1 涡旋压缩机的早期发展历史 1 8 8 6 年，一部意大利专利文献中 最早提及了涡旋原理，直到1 9 0 5 年， 法国工程师l e o nc r e u x 才正式提出涡 旋式流体机械的工作原理及结构，并在 美国申请专利。在接下来的半个多世纪 以来，各国学者虽然在涡旋式流体机械 方面不断努力，但是受制于当时科学技j 术水平，并未能将其带入到实际应用的 阶段【1 6 】。 2 0 世纪7 0 年代以来由于能源危机 的加剧和高精度数控铣床的出现为涡 旋压缩机的发展奠定了良好的基础。美 国的a r t h u r d l i t t l e 公司首次提出了涡 图1 1 典型立式涡旋压缩机剖面图 1 涡旋盘2 平衡铁块3 曲轴 旋式氮气压缩机的研究报告并发明了自我补偿磨损的密封装置，成功开发出了排 气压力为1 7 m p a 的氦气压缩机，同时证明了涡旋压缩机具有其他压缩机无法比 拟的优点，在把涡旋压缩机推向工业化应用中迈出了重要的一步1 7 j 。 在高能耗的制冷空调领域，基于涡旋原理开发出的高效率、高可靠性的容积 式压缩机发展迅速。随着日本和美国的多家公司加入到涡旋压缩机研发及工业化 生产行列，使得涡旋压缩机逐步在空调制冷领域实现了商业化的应用。1 9 8 2 年， 日本三电公司拉开了汽车空调涡旋式压缩机批量生产的序幕，紧随其后，日立公 司、三菱电气、大金、松下、东芝及美国的考普兰、特灵、欧洲丹弗斯也开始了 涡旋理论研究和涡旋压缩机批量生产瞄。1 2 f 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 涡旋压缩机的发展现状 目前，国外涡旋压缩机已经形成美国谷轮、日本大金、三菱、韩国三星等几 家大公司并呈现以下五个特点1 1 3 j ： 1 各公司的涡旋压缩机的年产量及发展潜力都巨大，随着全球能源危机的加 剧，涡旋压缩机以其独特的优势获得各大生产厂商的青睐，其生产规模大都 在2 0 - 1 0 0 万台，同时涡旋理论及数控加工技术的日渐成熟，必定会带动涡 旋压缩机的飞速发展。 2 各公司有其各自特色的专利产品，谷轮涡旋压缩机可以说是这一领域的“王 者”，其独创的数码涡旋压缩机不但被众多厂商用在家用空调高端机，更多被 众多小型商用空调厂商青睐，该公司最为出名的产品是t w os t e p 涡旋式 变容压缩机，该种压缩机是目前全球最佳的变容里技术方案。而日本大金压 缩机则以低噪、高效技术见长。 3 小型化趋势明显，涡旋压缩机在小排气量范围内具有传统压缩机所不可比拟 的优势，大有可能撼动或者取代活塞式压缩机在小型化领域的地位，各公司 相继推出了一系列小型化涡旋压缩机产品。 4 各公司都十分注重涡旋压缩机的安全可靠性，在全球制造商的眼里，安全可 靠性都是弥补高技能劳动力缺乏的重要方法，由于投资回报意识越来越强， 策略性安全成为了制造商眼中的重中之重。随着商用仿真软件的快速发展， 缩短了涡旋压缩机的设计周期，与此同时对产品的可靠安全特性的分析为涡 旋压缩机的品质保障提供了基础。 5 各大公司都适应全球化经济时代大发展的浪潮，在世界各国设立研发中心及 分厂，各大涡旋压缩机生产巨头分别在亚洲、非洲等设立研发中心及生产基 地。 在我国【l4 1 ，涡旋式流体机械的研究始于2 0 世纪8 0 年代。先后有西安交通 大学、兰州理工大学、合肥通用机械研究所、上海理工大学、中南大学制冷及低 温研究所以及一些其他高等院校、研究所等形成了对涡旋技术的规模化研究，成 功研制出了涡旋式空调压缩机、汽车空调用压缩机、涡旋真空泵、涡旋式空气压 缩机等样品，对涡旋技术的一些关键所在进行了研究，并在工程实践及理论研究 上取得了成功。但是由于国外对核心技术的垄断，国内生产技术水平的限制，当 前我国所采用的商用空调涡旋压缩机以进口为主。抑或者是通过中外合资办厂、 引进生产线等来生产商用涡旋式压缩机，如引进了日立公司年产1 2 万台空调用 全封闭式涡旋压缩机生产线的广州万宝压缩机股份有限公司，西安大金庆安压缩 机有限公司和日本大金工业株式会社合作，生产能力达到了年产1 0 万台柜式空 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 调压缩机，日本三洋公司与大连冰山集团合作等 1 5 - 1 8 】。 除空调领域外，涡旋压缩机的另一个成功应用是在提供动力方面，比较成功 应用的典型是汽车发动机用增压器。大众公司可以说是这一领域的领跑者，成功 开发了著名的汽车用g 增压器，大大地提高了发动机的效率。进入9 0 年代，美 国谷轮公司将涡旋增压技术成功应用在了制造医用空气动力源上，取得了预期的 效果。近年来，中南大学刘益才教授与湖南云箭集团合作开发的2 m 3 的涡旋式空 气压缩机系统，该机组采用双涡旋机头并联结构，不仅能够满足用气要求，与同 类其他产品相比具有结构简单、噪声低、振动小、维护方便等特点。 无油涡旋式压缩机作为涡旋压缩机的一个研究分支 1 9 - 2 0 】，近年来逐渐成为热 点，尤其是质子交换膜燃料电池技术与无油涡旋压缩机相辅相成的发展关系。传 统的无油活塞式和螺杆式压缩机技术相当成熟，但是在小排气量的情况下，无油 涡旋式压缩机具有无可比拟的优势，一直以来，该类压缩机工作腔内气体的密封 完全是依靠动静盘的加工精度来控制的，型线的加工精度要求极高，加工不好则 容易造成泄漏，影响压缩机的容积效率，随着数控加工技术的日渐成熟，无油涡 旋压缩机必将快速发展。日本是第一个掌握无油涡旋式空气压缩机技术的国家， 0 9 年1 月，江西惟思特科技发展有限公司投资1 2 0 0 万元，试产建成我国首条无 油涡旋压缩机生产线，经国家权威部门检测，产品各项指标全部合格，其中两项 超过进口水平，这标志着我国是继日本之后第二个全面掌握无油涡旋空气压缩机 生产技术的国家。 涡旋压缩机作为一个高效率产品，非常有必要对其结构部件进行深入分析， 来提高其效率，下面将重点阐述本文的研究意义。 1 2 课题的研究意义 涡旋压缩机是一种新型、高效的容积回转式压缩机，具有重量轻、结构紧凑、 噪声低、可靠性高、振动小、效率高等优点。涡旋压缩机中气体的压缩是通过动 静涡旋盘相互啮合形成封闭容积的变化来实现的，容积的大小取决于构成涡盘型 线的类型和参数，不同的型线类型直接影响着压缩机的几何尺寸、动力学、热力 学、功耗、效率、磨损、寿命、噪声等重要技术指标。而任何具有连续光滑性质 的渐开型曲线都具有成为涡旋型线的可能。随着涡旋压缩机行业的发展，单一型 线已经不能很好的满足行业的发展需求，过去对涡旋压缩机型线的研究主要集中 于动力学、热力学理论性的分析计算，对于不同型线的特点很难能够作出直观的 评价和估计。随着结构动力学的研究方法不断改进丰富和计算机应用技术的飞速 发展，a n s y s 在结构动力学分析方面有着不可比拟的优势，应用其对不同型线 的涡旋盘的结构动力学特性进行分析可以在直观上对比不同的型线动涡盘的性 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 能优劣。对涡旋压缩机的主要运动部件动涡旋盘进行结构可靠性及相关动力学特 性的分析可以为涡旋压缩机的设计、制造提供参考依据。在开发新产品方面借助 相关模拟软件可以缩短产品研发周期，降低研发费用等。为了提高涡旋盘的机械 性能，掌握不同型线涡旋盘的结构动力学特性，必须对其动力学特性进行数值模 拟，并鉴于涡旋压缩机工作过程实验研究复杂不容易进行的缺点，必须对其动力 学特性进行数值模拟，以改进涡旋齿的结构，并为不同型线的涡旋压缩机数学模 型的建立和型线优劣评判提供直接、直观参考依据。 在动涡旋盘优化设计方面，还没有能够形成统一的优化方法，有必要对动涡 旋盘结构参数的优化设计方法进行归类分析。在新型线理论研究方面，纵观国内 外研究文献发现，目前基圆渐开线型涡旋盘是应用最广的，其他型线应用方面不 是很多甚至可以说基本不用，但是随着工业的发展，基圆渐开线型型线必将难于 满足需要，因此在新型线理论研究方面一直都应该是涡旋压缩机研究方面的重中 之重，本文在新型线研究理论及研究手段、研究方法等方面提出自己的思路，拓 展新型线理论研究方法。 纵观国内文献发现，在涡旋压缩机的研究领域还存在不少问题有待解决。 1 3 涡旋压缩机的研究现状及存在的问题 1 3 1 涡旋压缩机的研究现状 涡旋压缩机的发展道路上，在一些关键性技术上一直在研究及寻求突破，这 些关键技术主要集中在以下几个方面：涡旋齿型线研究、型线修正、密封及冷却 问题、工作特性的研究、机构模型及柔性机构、主要零部件的动力学特性、涡旋 齿结构参数的优化、降低振动、减小噪声、精确加工等方面。以下针对涡旋压缩 机的关键技术研究现状做个总结归纳。 1 涡旋齿型线研究 任何具有连续光滑性质的渐开型曲线都具有成为涡旋型线的可能，所以涡旋 齿型线的种类繁多。而常用的类型主要有：圆的渐开线、线段渐开线、平行四边 形渐开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、包络型线、变径基圆渐开线、组合型 线以及通用型线等 2 1 - 2 5 】。第一个建立起圆渐开线涡旋型线的几何理论并推出相关 计算公式的是日本学者e m o r i s h i t a 2 6 j ，随后m h a y a n o 学者导出了一系列由半 圆构成的涡旋型线的几何理论，并进行了实验研究；k z o j o 采用可变直径圆的渐 开线作为涡旋齿型线来进行研究；j a m e sw b u s h 等通过采用混合基圆的方法来改 变涡旋型线的布置，大大地减小了涡旋盘的几何尺寸【2 7 j ，该学者与他的学术团 队同时进行了多种不同型线的组合方法；h k o h s o k a b l e 等首次提出采用代数螺旋 中南大学硕士学位论文第一章绪论 线作为涡旋齿的基线，此举在满足吸气容积相同的情况下可以减低涡旋齿的高 度，增加涡旋压缩机的稳定性；重庆大学王立存在其博士论文中对通用型线的设 计理论及方法做过了深入研究，采用优化设计的方法，建立了通用涡旋型线集成 型线优化的数学模型【2 8 j ；重庆大学的陈进、王立存等对通用型线理论进行了深 入的研究和分析，提出了基于泛函理论的通用型线统一的数学模型理论【2 9 】；兰 州理工大学任冠林在其硕士论文中对组合型线设计理论作出深入研究，并建立了 组合型线压缩机几何模型和动力学模型【3 0 】，给出了不同于传统压缩机的求解方 法；李连生对线段渐开线做了详细的推导分析【3 l j ；兰州理工大学的邵兵等对代 数阿基米德螺旋型线进行了研究，证明了代数阿基米德螺旋型线的结构及受力均 优于圆的渐开线1 3 2 】。目前圆的渐开线理论相对较为成熟、易于加工且在一定的 程度上可以满足当今工业的发展需求，仍然是涡旋型线的主流。 2 涡旋齿齿头型线的修正 不经过修正的单一型线构成的涡旋齿难以实现完全齿合，不能同时兼顾压 缩、排气和加工等多方面的要求，同时由于涡旋齿型线的自身结构问题，在加工 时齿头处会出现与刀具之间的干涉情况。这样就需要对涡旋齿齿头进行修正，型 线的修正对压缩机的性能具有重大的影响，能起到增加涡旋齿的齿合角度范围、 增强涡旋齿头强度、增大压缩比和改善涡旋压缩机的排气特性的作用。日本三菱 公司的t a k a h i s ah i r a n o 首次提出了p m p 型线修正方法【3 引，此举降低了涡旋齿端 的接触应力，使得涡旋压缩机的性能和效率进一步提高，p m p 型线修正方法的 提出是涡旋压缩机发展史上的一个重要里程碑；兰州理工大学的刘振全教授在 1 9 9 0 年首次利用图解法 3 4 1 ，简洁明了的描述了双圆弧型线修正齿形的生成过程， 随后其所领导的课题组，在双圆弧型线修正基础上提出了多种型线修正方法，包 括：圆弧加直线修正、多对圆弧修正、圆渐开线修正等；九十年代初期我国台湾 学者y i n r e nl e e 等对p m p 型线修正技术做了进一步论证及推广【3 5 j ；重庆大学 的宋立权、陈进等提出了基于三基圆的型线修正方法，并指出p m p 型线修正只 是该法的一种特殊情况，具有更广阔的通用性p 州。虽然型线修正的方法很多且 各有特点，目前，双圆弧修正理论最为成熟，直线加圆弧修正只是其的一种特殊 形式，应用最为广泛。 3 工作过程特性与模拟研究 为了深入研究涡旋压缩机的工作特点，首先要对其工作过程特性进行分析， 可以借助建立工作过程的各类数学模型来分析压缩机进排气损失、进排气容积、 泄漏损失及腔体结构等对性能的影响。另一方面，对工作过程进行研究可以采用 实验测量的方法，通过控制压缩机内气体状态参数的变化情况，寻找规律来解决 问题。对工作过程特性的研究还主要集中在工质泄漏、传热、内部流场等研究方 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 面。中国海洋工程大学的王洁莹、梅宁等利用c f d 技术对涡旋压缩机的工作过 程进行数值模拟，对涡旋压缩机的气体压缩的非稳态过程的内部流场进行了瞬时 分析【3 7 】；上海交通大学的曹霞、陈芝久分析了非整数圈的涡旋型线的几何特点， 提出了非整数圈的涡旋型线压缩机的几何模型、热力模型、动力模型瞄列；y uc h e n 等建立了完整的涡旋压缩机工作过程的数学模型，并在随后的研究过程中对模型 进行了逐步修正【3 9 】；l i a n gy a n g 等建立了涡旋压缩机的泄漏模型，并且研究了适 用于单一转速和变转速的泄漏模型【4 0 】；m a r i e e v ed u p r e z 等建立了涡旋压缩机工 作工程的简单热力学模型，通过模型可以很快计算出涡旋压缩机的泄漏量等关键 性参数【4 l 】；y a n g g u a n gl i u 等建立了背压机构的数学模型，并且证明了背压机构 在涡旋压缩机中的应用可以达到等熵效率2 5 1 0 e 4 2 1 ；韩国学者k i t a ej a n g 等 对涡旋压缩机内部传热机理进行了研究，该学者及其合作者在涡旋压缩机内1 3 个部位布置了热电偶用来监测涡旋盘及壁面附近的温度，开创了涡旋压缩机内部 传热机理实验研究的先河【4 3 】；兰州理工大学罗辉在其硕士论文中对两种不同型 线所组成的涡旋压缩腔进行了二维流场分析，得出了在不同曲轴转角下压缩腔的 温度、压力等分布图【4 4 】；兰州理工大学的强建国、刘振全建立了一种基于通用 型线的涡旋压缩腔几何模型【4 5 】。涡旋压缩机内部运动及传热机理的研究对提升 涡旋压缩机的性能有着重要的影响，各国学者也在这方面加大研究力度，相信不 久的将来会取得更大突破。 4 主要零部件的动力学特性分析 在涡旋压缩机中，动、静涡旋盘是最主要的部件，而动涡旋盘是最主要的运 动部件，其它的运动部件包括主轴、防自转机构等，这些部件的动力学特性直接 影响压缩机的平稳运行、整机振动状况及可靠性等。而对动涡旋盘的动力学特性 分析更是首当其冲，辽宁石油化工大学的赵斌利用a n s y s 对圆渐开线涡旋体的 模态进行了分析，得出了前六阶固有频率，为涡旋压缩机的制造提供参考依据 【4 6 j ；重庆大学王立存在其博士学位论文中，通过p r o e 建立动涡旋盘模型然后 导入到a n s y s 中进行分析，通过简化成为静力学分析，得到了动涡旋盘的应力 及形变位移图；重庆大学陈亚娟在其硕士论文中对一种新型的组合型线的动涡旋 体进行了应力及变形分析，该作者借助的是p r o e 自身所带的仿真功能，但是 在给出的组合型线方程表达式方面还值得商榷【47 】；天津大学的赵树峰、陈旭等 在某种实际工况下对涡旋压缩机动涡旋盘进行了应力及变形分析【4 8 j ；大连理工 大学的郎贤明在其硕士论文中对静涡旋盘进行了有限元分析，该作者改进了静涡 旋盘的结构，并在此基础上对静涡旋盘的所受应力及变形位移进行有限元分析 湃9 j ；江苏大学的张立群、兰州理工大学的刘振全对实际工况下的静涡旋盘进行 了有限元分析，得到了其在实际工况下的变形规律，为静涡旋盘的设计制造提供 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 了参考依据【5 0 j ；大连大学的胡萍等对涡旋压缩机曲轴进行了模态分析，通过模 态分析来研究曲轴的固有特性，更进一步了解涡旋压缩机的振动机理【5 1 】；刘振 全、李海生等详细的研究了s o l i d w o r k s 在涡旋压缩机动平衡计算中的应用1 5 2 1 ； 王珍、赵之海等通过锤击法对涡旋压缩机动涡盘进行了实验固有频率分析，以此 来更好的研究涡旋压缩机的振动及噪声特性等【5 3 j ；c r i s t i a nc u e v a s 等分析了在不 同工况下的静涡旋盘的受力情况【5 引。现如今，对涡旋压缩机的振动及噪声的要 求进一步提高，通过对其主要运动部件的动力学特性分析可以有效的为高品质涡 旋压缩机的设计制造提供良好的参考依据。 5 涡旋齿结构参数的优化设计 在涡旋压缩机的设计过程中，涡旋齿结构参数的优化设计是提高涡旋压缩机 性能的有效途径。对于特定使用目的的条件下，涡旋齿型线的几何参数组合有很 多种，而哪一组是最优的组合参数是人们一直在探索的课题。围绕如何提高涡旋 压缩机容积效率、稳定性、振动噪声特性、动力学特性及机械效率，在研究涡旋 齿各个参数对压缩机性能影响的基础上，采用最优化设计方法可获得最佳的涡旋 齿几何参数组合。一般涡旋齿的基本结构参数如涡旋齿高、齿厚、排气角及涡旋 圈数作为独立变量，从设计、制造加工和运行等限制条件来探讨它们对涡旋压缩 机性能的影响。兰州理工大学的刘涛等利用m a t l a b 的遗传算法工具箱对组合 涡旋型线进行了优化，建立了以组合型线行程容积为目标函数的数学模型猹5 j ； 兰州理工大学的刘兴旺等对涡旋压缩机型线几何参数的优化设计方法进行了研 究，在考虑压缩机摩擦功耗和泄漏功耗最小的基础上，提出了一种涡旋型线优化 设计的新方法【5 6 ；重庆大学张永栋在硕士论文中基于多目标遗传算法对涡旋型 线的优化设计进行了研究，采用v c + + 语言对基于w h e w e l l 方程的涡旋型线集成 形式的多目标形状优化设计过程进行了系统集成及实例计算【5 7 j ；西安交通大学 的詹振乾等详细分析了涡旋压缩机基本参数与圆弧型修正齿形结构性能之间的 变化关系，提出了合理选择参数的思路，并从理论上给出了排气孔开设的范围 【5 8 】；王立存等提出了一种涡旋压缩机型线参数偏好性优化设计方法，在对涡旋 压缩机设计变量取定为一定范围的基础上，提出以最大压缩比与最大体积利用系 数线性加权的优化设计目标函数，结合层次分析法能够统一处理定性与定量因素 的突出优点，对主因素影响程度赋予相应的权重值，通过归一化处理和线性加权 进行二次优选给出了一组优化后涡旋压缩机的几何参数掺9 j ；兰州理工大学王作 洪等应用遗传算法对动静涡旋盘进行了优化设计，给出了优化数学模型，使得涡 旋压缩机的能效比e e r 达到最大【6 0 】；辽宁工程大学的郭仁宁等以比功率为目标函 数，研究了涡旋压缩机的几个主要的结构参数优化方法，最终确定了优化后的满 意尺寸【6 1 1 。涡旋型线的优化设计对于提高涡旋压缩机的各方面效率具有深远的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 影响，目前，建立多目标优化模型是研究热点，将传统的单一目标优化方法扩展 之多目标优化，兼顾更为全面。 6 其它方面 要全面提高涡旋压缩机工作效率，还有一些其它方面的研究必须涉及，如冷 却技术、摩擦功耗、变容量调节等。作为动力用涡旋压缩机工作介质主要为空气， 而空气的绝热指数高，在涡旋压缩腔内部的积聚热量升高非常快，因此如何将热 量从工作腔中导出或者冷却对涡旋压缩机来说至关重要，一般来说普遍采用的是 内部喷液技术，包括喷油、喷水冷却。兰州理工大学李海生在其硕士论文中对无 油涡旋压缩机的冷却技术进行了具体的研究分析，详细地阐述了冷却系统的组成 6 2 1 o 摩擦功耗过大一直是阻碍涡旋压缩机机械效率提高的一个主要原因，在摩擦 功耗的研究方面，众多学者做过相关分析研究，兰州理工大学马淑霞在其学位论 文中对涡旋压缩机的摩擦与润滑进行了研究，详细地分析了涡旋压缩机各个摩擦 机构的力学特性 6 3 】；刘兴旺等分析了涡旋压缩机摩擦损耗及泄漏分析，具体研 究了具有背压结构的基圆渐开线型立式涡旋压缩机涡旋盘的摩擦损耗【6 钔。 随着能源危机的加剧，变频技术得到了飞跃发展，而变容量调节是涡旋压缩 机的一个重要的性能指标。传统的变频技术需要昂贵的变频控制器，而应用数码 涡旋压缩机于空调系统中，可使空调器不必使用变频控制器就能实现制冷量在 1 0 1 0 0 范围内调节。 1 3 2 存在的问题 虽然近年来涡旋压缩机在研究内容和研究方法方面都取得了长足的发展， 但是笔者通过总结和归纳，认为在以下几方面还存在不足，主要表现在： 1 从研究对象上看，不够全面和系统。目前只针对压缩机内部各个结构的研究， 没有将压缩机系统联合起来研究，比如说联合油冷却系统、供油系统、电机 系统等，这些压缩机的机外辅助系统配套合适与否对压缩机的影响甚大，而 就单从涡旋压缩机内部结构研究来说，也不够系统化，往往研究涡旋盘就会 忽略其他结构如防自转结构等，必须做到研究对象的全面统一才能具有更好 的发展空间。 2 从研究方法上看，研究手段过于单一及没有通用、准确性高的模型。目前绝 大多数有关于涡旋压缩机的模型都是单独建立，且对于不同参数、不同类型 的涡旋盘不能通用，造成了对涡旋压缩机的工作过程特性研究过于依赖具体 模型，与此同时，数学模型的建立都是对所选对象的假设和简化；型线优化 设计方面，同样存在不同类型线研究方法相互独立，没有相对系统的研究理 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 论。 3 从加工技术和市场应用上看，目前国内真正拥有涡旋压缩机生产加工技术并 能大批量生产的公司并不多。对简单的基圆渐开线型的涡旋压缩机生产技术 相对成熟而对其他类型型线如组合型线的涡旋压缩机生产技术掌握甚少，这 就造成了本来可以拥有多种多样涡旋压缩机的市场变得非常单一，阻碍了涡 旋压缩机的发展。涡旋压缩机相比于传统的压缩机有很多的优点，但是就目 前来看，其应用并没有达到理想效果，市场应用不够广泛。提高加工工艺， 加大研发力度，实现批量生产，降低加工成本，丰富涡旋压缩机的种类，才 能更好的发挥涡旋压缩机的长处，使之得到更为广泛的应用。 1 4 涡旋压缩机的发展趋势 综观国内外涡旋压缩机的发展历程、涡旋压缩机的研究开发现状、生产制造 水平，以及市场的需求趋势，在今后的一段时间内，笔者对涡旋压缩机的发展趋 势做如下几个方面的归纳总结： 1 降低涡旋压缩机的生产成本仍然是研究工作的首要任务，在众多适合成为 涡旋盘的型线中寻找更优性能的型线，与此同时，进一步提高涡旋盘的生 产效率、设计出更为紧凑和更加适宜于工业化生产的涡旋盘结构。 2 工作过程特性实验、模拟研究，优化涡旋压缩机的结构形式，将新的材料 与新的机构应用来减少机械摩擦损失、气体泄漏损失、气流损失、传热损 失等，提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性。 3 研究适应新的制冷工质对涡旋压缩机结构的要求，随着全球环境与能源问 题的加剧，新的制冷剂工质必将替代现行的制冷工质，在制冷工质与压缩 机结构的匹配问题上寻求突破。 4 拓宽涡旋压缩机的应用范围和使用领域，同时在研究大功率、大流量涡旋 空气压缩机方面做出努力，明了质子交换膜燃料电池技术与无油涡旋压缩 机发展相辅相成的关系等。 5 涡旋压缩机应不断与最新的工业技术相结合，促进涡旋压缩机技术水平和 制造工艺的快速提高，在数码涡旋变频领域、变容量调节方面加快发展。 1 5 课题的主要研究内容 本文的主要研究内容如下： 1 对涡旋压缩机的关键零部件动力学特性进行分析计算，同时对涡旋压缩机的 相关部件进行受力分析，主要对涡旋压缩机的动涡旋盘和防自转机构受力 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 4 分析。 利用s o l i d w o r k s 建立两种不同动涡旋盘的实体模型，通过a n s y s 的外部接 口导入模型，借助于a n s y s 的结构分析功能对模型进行了一系列的特性分 析，包括：模态分析、动力学响应分析、可靠性分析等。 对通用型线理论进行了深入解析，得出了三类常用型线的通用型线表达，借 助m a t l a b 工具对两种不同型线的涡旋压缩机的容积特性曲线进行计算。 借助a n s y s 分析两种不同型线动涡旋盘在最危险工况下的应力分析、微变 形分析等，明确了相关模拟软件在涡旋压缩机设计制造中的应用可行性。 中南大学硕士学位论文 第二章涡旋压缩机主要机构动力学特性分析 第二章涡旋压缩机关键零部件动力学特性分析 涡旋压缩机中的运动部件主要有曲轴、防自转机构、动涡旋盘，这些运动部 件的受力及运动状况是涡旋压缩机研究的重要内容，直接影响压缩机的效率和工 作的可靠性。而在所有运动部件中，动涡旋盘的受力分析及工作过程的模拟是重 中之重，通过这方面的分析改善将能发挥出涡旋型线最大的优点和提高整机的可 靠性。 2 1 涡旋压缩机的基本结构及工作原理 2 1 1 涡旋压缩机的基本结构 图2 1 为涡旋压缩机主要零件 装配关系图，从图中可以看出，涡 旋压缩机主要由动涡旋盘、静涡旋 盘、防自转机构、机架、主轴等组 成，动涡旋盘位于机架与静涡旋盘 之间，由偏心曲轴带动作平动运动。 涡旋压缩机的主要零部件有动 涡旋盘、静涡旋盘、防自转机构、 支架体和益轴、大小平衡铁块等。 如图2 - 2 - - 2 3 为曲轴及平衡铁块机 构示意简图。 2 1 3 涡旋压缩机的分类 图2 1涡旋压缩机主要零件装配图 1 曲轴2 滑动轴承 3 滑动轴承4 支架体 5 动涡旋盘6 静涡旋盘 7 端面密封面8 背压腔 9