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压缩机泵油系统 CFD 模拟计算


压缩机泵油系统 CFD 模拟计算
周易 王艳珍 刘春慧
(上海日立电器有限公司,上海,201206)

摘 要 泵油润滑系统是保证压缩机正常运转必不可少的部分。在压缩机工作过程中,润滑系统使运动零 件表面形成油膜,降低摩擦力,减少运动零件的磨损和咬合,为了满足润滑要求,必须设计合理的泵油结 构。目前在旋转压缩机的泵油系统中,由曲轴内孔位置不

同分为直孔与横孔两种结构,直孔出口在电机上 端,横孔出口在电机下端,由于孔端的压力不同,导致两种结构对泵油系统的影响也不同的。本论文应用 商用 CFD 软件,采用气、液两相分离模型对压缩机泵油系统进行数值模拟,对比分析两种曲轴结构在不同 转速下对泵油的影响,以确定两种结构的最佳适用条件。 关键词 旋转压缩机 泵油系统 CFD 模拟

NUMERICAL STUDY ON THE OIL PUMP SYSTEM OF ROTARY COMPRESSOR
Zhou Yi Wang YanZhen Liu Chunhui

(R & D Center, Shanghai Hitachi Electrical Appliance Co., Ltd., Shanghai 201206)

Abstract Lubricate system is the most critical parts in compressor. During process of running, lubricant system has below functions, form oil film on surface of motion parts to decrease friction and reduce abrasion and occlusion of parts. To match lubrication request oil system structure must be well design. In rotary compressor pump oil system exists two structures which the crankshaft bore is different position. Straight hole is in the top of the motor and horizontal hole in the bottom of the motor. The pressure difference of bore side leading to pump oil the impact of the system is different. The gas-liquid two-phase model of the compressor pumping system is used in this paper. The impact of the oil pump and the optimal conditions for two crankshaft structures at different speeds are analyzed. Keywords Rotary compressor The oil pump system CFD simulation

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前言

泵油润滑系统是保证压缩机正常运转必不可 少的部分。在压缩机工作过程中,润滑系统起如下 作用:运动零件表面形成油膜,降低摩擦力,减少 运动零件的磨损和咬合, 润滑油的循环流动带走摩 擦产生的热量和磨屑,改善摩擦表面的工作状况; 油膜有吸声作用而降低噪音。 泵油润滑循环过程是 一个复杂的物理动态过程,当压缩机电机启动后, 曲轴高速旋转,由于离心力作用,润滑油克服重力 和表面张力,沿着曲轴内孔壁面不断上升,最后达

到各轴承的高度并通过径向出油孔进入轴承, 起到 润滑的作用。油面稳定后的高度和形状是受离心 力、重力、表面张力的相互作用决定的。为了满足 润滑要求,必须设计合理的泵油结构。目前在旋转 压缩机的泵油系统中, 由曲轴内孔位置不同分为直 通孔与横孔两种结构,直孔在电机上端,横孔在电 机下端,由于孔端的压力不同,导致对泵油系统的 影响也是不同的。 但对具体结构进行泵油比较分析 的很少。本文将基于 CFD 技术,应用商用 CFD 软 件,采用气、液两相分离模型对压缩机泵油系统进 行数值模拟。 对比分析两种曲轴结构在不同转速下 对泵油的影响,以确定两种结构的最佳适用条件。

作者简介:周易,(1969- ),男,高级工程师

1

泵油数值模拟方法

曲轴旋转时,润滑油沿曲轴中心孔上升,最终 达到稳定液面,是一个自由液面形成的过程。因此 采用 VOF 方法。VOF 方法是在整个流场中定义一个 函数 C,在每个网格中,这个函数定义为一种流体 (我们称之为目标流体)的体积与网格体积的比 值。不包含这种流体的网格称为“空”网格,充满 这种流体的网格称为满网格, 包含界面的网格称为 半网格。在任意时刻,知道了这个函数在每个网格 上的值,也就可以通过某种途径构造运动界面,然 后求解物理方程时可以在界面附近作特殊的精细 处理,以提高分辨率和精度。 流场由连续方程、N-S 方程、能量方程、气体 状态方程和 Sutherland 公式描述。方程的封闭采 用 RNG k ? ε 湍流模型。 润滑油当牛顿流体来考虑。 采用有限体积法在同位网格中对控制方程进 行离散化,用 SIMPLE 方法求解离散方程,SIMPLE 基本思想是引入校正量的概念, 通过连续性方程找 出压力校正量与速度校正量的关系即压力校正方 程,进而求解。

图 2 电机上下压力计算模型

2.2 边界条件
泵油系统将曲轴端孔、 油面、 螺旋槽均设置为 压力边界。 由于直孔方案曲轴端孔在电机上部, 具 体压力值为电机上端压力, 横孔方案端孔在电机下 部,压力值为电机下端压力。根据直孔、横孔方案 不同设置不同的压力值。 计算中近似认为油面、 螺 旋槽、 电机下端压力为排气压力, 而电机上端压力 是通过压缩机动态模拟计算得到。 如图 2 所示。 通 过计算可以看到, 转速越大, 曲轴端孔与横孔处的 压力差越大,各边界的边界值如表 1 所示。
表1 各边界压力值(MPa)

2

泵油系统 CFD 模拟

2.1 泵油模型建立
以变频压缩机为例, 计算了曲轴直通孔, 横孔 两个方案,每个方案计算转速 900 rpm 和 2850 转 的情况,冷媒/润滑油:R410A/HAF68,计算条件按 排气温度 95 度,排气压力 3.1MPa 进行计算。 模型如下:

油池面 螺旋槽 900rpm 2850rpm 3.1 3.1 3.1 3.1

曲轴端孔 曲轴端孔 (横孔方案) (直孔方案) 3.1 3.1 3.09986 3.0098

3

计算结果

3.1 转速 900rpm
曲轴转速在 900 rpm 时, 曲轴直孔方案与横孔 方案的泵油过程基本一致。油面上升速度比较慢, 计算 70 个周期,即曲轴转过 70 转达到稳定。图 3 分别为曲轴横孔方案转过 1.2s、2s、2.8s、3.6s 的润滑油分布图,可以看出曲轴泵油的基本过程。 直孔方案相类似。

图 1 泵油系统模型图

3.2 转速 2850rpm
曲轴转速在 2850rpm 时,计算 50 圈,观察油 面基本达到稳定。从集尘圈入口流量来看,与 900rpm 相似,横孔和直孔波动周期相同,但从数 值上看,横孔集尘圈平均流量比直孔小 35%,对于 4 个出油孔来说,均为下偏心出油量最大,下轴承 次之。如图 6,图 7 所示。
4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 180 360 540 曲轴转角(度) 720

上轴承 上偏心 下偏心 下轴承

1.2s

2s

2.8s

3.6s

图 3 横孔方案润滑油不同时刻分布图

横孔方案与直孔方案相比, 集尘圈流量波动的 周期是一致的,但直孔集尘圈平均流量比横孔大 15%,这说明直孔方案较横孔方案润滑油能更快的 到达上轴承。对于 4 个出油孔来说,2 个方案中均 为下偏心出油量最大, 下轴承次之, 上偏心与上轴 承流量较少。如图 4,图 5 所示。
2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 180 360 540 曲轴转角(度) 720 上轴承 上偏心 下偏心 下轴承 流量Q/Q0

流量Q/Q0

图 6 横孔方案出油孔流量随转角变化(2850rpm)
6 5 流量Q/Q0 4 3 2 1 0 0 180 360 540 曲轴转角(度) 720 上轴承 上偏心 下偏心 下轴承

图 7 直孔方案出油孔流量随转角变化(2850rpm)

4

结论

图 4 横孔方案出油孔流量随转角变化(900rpm)
2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 180 360 540 曲轴转角(度) 720 上轴承 上偏心 下偏心 下轴承 流量Q/Q0

1)泵油是由 2 个因素共同决定:转速引起的 离心作用; 曲轴端孔与油面的压差作用。 由于电机 上下有压差, 所以曲轴直孔端比横孔端压力小, 即 直孔相对于油面有一定压差,对泵油有好处。 2)横孔方案与直孔方案相比较,横孔和直孔 集尘圈入口流量波动周期相同。 3) 转速不同, 横孔与直孔对泵油的影响不同。 转速 900rpm 时,直孔流量比横孔流量大 15%,泵 油速度比横孔略快。 转速 2850rpm 时, 直孔流量比 横孔流量大 35%。 4)对于 4 个出油孔来说,均为下偏心出油量 最大,下轴承次之。

图 5 直孔方案出油孔流量随转角变化(900rpm)

参 考 文 献

[1] 温诗铸, 黄平 《摩擦学原理》 清华大学出版社, 2006 , [2] 王福军 《计算流体动力学分析》,清华大学出版社, 2006 [3] 张华俊, 王俊, 李洪峻等. 滚动转子式压缩机润滑系统 计算,低温与特气,2001,19(5). [4] Michael M. CUI. Investigation on the Oil Supply System of a Scroll Rotary Compressor,Purdue [5] Wu Jianhua,Analysis of the Oil Supply System of Rotary Compressor, Purdue 08 [6] Kamal Sharma, etc. CFD Analysis of Discharge Gas flow in Rotary Compressor for OCR Reduction [J], International Compressor Engineering Conference at Purdue, July 12-15, 2010


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