涡旋压缩机的设计计算与试验验证

涡旋压缩机的设计计算与试验验证

0气体压缩和压力涡旋压缩机是一种新型的体积体积传递机械，主要通过改变封闭体积来实现气体压缩。在诸多增压设备种类中,涡旋式压缩机以其效率高、可靠性高、结构简单而无易损件、转矩均匀而运转平稳、低能耗、低噪音等优点而倍受重视,在制冷空调、化工行业气体压缩等领域具有广泛应用。在已有关于涡旋压缩机的研究和文献资料中多是集中于小气量和压力比较高的压缩机方面的研究,而对于大排气量和低压比涡旋压缩机的研究及应用还比较少。对于大排气量低压比的涡旋压缩机,不需要将涡旋盘中心部分的涡旋齿进行修正,依靠改变涡旋压缩机的结构参数可以实现低压比、大流量的工况,而且要求在实际的运行过程中设备的性能表现优良。目前,这方面的研究基本集中在双涡圈或多涡圈的研究上,结构比较复杂,加工困难。本文将根据涡旋压缩机的工作原理,针对大排气量、低压比涡旋压缩机的结构特点,在一定的工艺参数条件下,对单涡圈涡旋压缩机进行结构设计和试验分析,使其达到工艺条件的需求,并使结构简单化。1结构及几何参数由涡旋压缩机的工作原理可知,其结构主要由动涡旋盘、静涡旋盘、防自转构件、曲轴件、支架体及平衡机构这五部分组成,其基本结构的主要几何参数包括渐开线节距P、渐开线起始角α、涡旋体壁厚t、涡旋体高度h、涡旋线圈数N、涡旋体回转半径R、动静涡盘基圆半径r以及渐开线的展开角φ等,涡旋压缩机的涡旋型线基本参数如图1所示。1.1增压压力验算在实际的化工工艺应用中,一些工艺循环参数要求以空气为介质,循环排气量0.5m3/min≤Vs≤1m3/min,增压压力Δp=0.04MPa,且要满足空间的要求高度H<350mm等。下面针对工艺参数要求的低压比(低压差)、大排量,对单涡圈涡旋压缩机进行结构设计分析。(1)壁厚t壁厚t根据转子工作时的受力状况而定,以保证刚度和强度为前提。一般情况下,壁厚t在2～6mm范围内取值。涡旋体高度h不要过大,以降低气体力所产生的倾覆力矩,减小振动,保证涡旋压缩机的安全运行。涡旋线圈数N过多会使压缩机整体结构过大,排气压力升高。因此,要根据工艺参数选择合适的涡旋参数。(2)锚点及漏点的确定V′s=π(P-2t)(2N-1)Ph(1)式中V′s——每转速理论排气量,m3/(min·r);π——圆周率;P——涡旋体节距(可圆整),mm;N——渐开线圈数,可以是非整数;t——涡旋体厚度,mm;h——涡旋体高度,mm。这样可计算出涡旋压缩机的泄漏系数λ,即λ=V′s-VsVsλ=V′s−VsVs(2)式中Vs——每转速计算排气量,m3/(min·r)。对于涡旋压缩机,其泄漏系数λ应不大于8%。若泄漏系数过大或过小,需调整涡旋体壁厚t、涡旋体高度h、涡旋线圈数N。涡旋体节距P为Ρ=t+√4t2+4Vs(2Ν-1)πh2(3)(3)回转半径法rR=Ρ2-t(4)r=Ρ2π(5)α=t2r(6)式中R——涡旋体回转半径,mm;r——动静涡盘基圆半径,mm;α——渐开线起始角,rad。(4)气体信噪比ps根据确定的涡旋体圈数,可确定涡旋体渐开线的展开角φ:φ=2πΝ+π2(7)压缩机的理论压缩比ε为ε=psp0(9)压缩机的排气温度Ts为Τs=Τ0εk-1k(10)式中ε——气体压缩比;ps——排气压力,MPa;Ts——排气温度,K;T0——吸气温度,为293K;p0——吸气压力,MPa;k——气体绝热指数,为常数1.4。1.2测试参数针对低压比、大排量的工艺条件,确定单涡圈涡旋压缩机结构设计工况条件为:涡旋压缩机曲轴的转速n=2000r/min,吸气温度20℃,吸气压力0.1MPa(绝对压力),排气压力0.14MPa(绝对压力),循环排气量Vs=1m3/min,增压压力Δp=0.04MPa。取参数涡旋体厚度t=4mm,涡旋体高度h=50mm,涡旋线圈数N=2。涡旋压缩机参数的选取要同时考虑到尽可能使压缩机结构紧凑、体积小、满足空间需要、易加工。根据涡旋压缩机结构参数之间的关系可计算出压缩机结构设计参数,如动涡旋几何外径Dd、静涡旋的几何外径Dj等。其参数计算结果如表1所示。2测试分析过程以上根据实际的工艺参数要求,对涡旋压缩机的结构进行了设计计算,确定了压缩机的结构参数。下面通过试验对涡旋压缩机进行工作性能测试分析。试验测试工况为涡旋压缩机曲轴的转速n=2000r/min,吸气温度20℃,吸气压力0.1MPa(绝对压力),涡旋压缩机运转采用变频调节测试。从测试的数据看出压缩机的转速与流量(排气量)和压差之间的关系,其关系曲线如图2、图3所示。(1)转速不变时从图2可以看出,随着压缩机转速的提高,排气量也逐渐地升高。在转速不变时,压缩机排气量保持恒定。从测试数据也可以看出,当压缩机转速在2000r/min时的泄漏系数λ=2.5%<8%,符合设计要求,流量满足工艺指标排量的要求。(2)压缩机的运转试验从图3可以看出,随着压缩机转速的增加,压缩机出口压力(压力差)也越来越大,在转速不变时,出口压力保持恒定。从测试数据也可以看出,当压缩机转速在2000r/min时实际压力差与理论压力差相比较,前者压力损失较小,符合设计要求,也满足工艺指标的要求。经过测试可知,压缩机的整体性能满足规定工艺参数技术和工艺装置空间的要求。经过一段长时间的运转试验,各主要零部件完好。不过,在试验过程中也发现一些问题,我们进行了经验总结并及时解决了问题,从而保证了设备的良好工作状态。例如:(1)压缩机的静涡旋盘和支架体接合面处有漏气。采用在静涡盘上安装O型圈以防止和减少漏气。(2)设备整体稳定性不太好,运转噪音有点大。根据工艺参数要求采用合适的转速,因为太大的转速会使设备的稳定性减弱,并增大运转噪音。采用合适的转速和涡旋体参数(如涡旋体壁厚度、涡旋体高度、涡旋线圈数等)也同样可以达到设计目的。(3)设备运转一段时间后,涡旋体壁温会有所上升,但上升得不快。为避免温度影响工艺介质的特性,采用在静涡盘端面开设散热片,以防止温度上升。经过试验测试,可以检验设计计算的正确性,暴露不足的一面,同时可以在实践中发现新的问题。通过不断总结经验,完善和解决不足之处,可使设计研究达到最优。3工艺的验证试验根据实际工