雙螺桿壓縮機注油過程3D動態仿真

除潤滑齒輪外，不同類型的容積式壓縮機普遍采用噴油來冷卻壓縮氣體、密封泄漏間隙提高壓縮機氣體流量和效率。 本文將詳細介紹雙螺桿壓縮機注油過程的3D全瞬態CFD仿真，采用體積分數(VOF)法對氣液兩相流動進行模擬，通過對比有油和無油情況下的模擬結果，對注油冷卻和密封效果進行評價。 通過該算例Simerics MP+ 軟件VOF模型的有效性、強大性及計算速度得到了有效地驗證。

1

雙螺桿壓縮機基本原理

雙螺桿壓縮機是一種做回轉運動的容積式氣體壓縮機械，隨著螺桿轉子的轉動，陰陽轉子間的齒間容積沿轉子軸線從吸氣端運動到排氣端，且齒間容積由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。 除潤滑齒輪外，不同類型的容積式壓縮機普遍采用噴油來冷卻壓縮氣體、密封泄漏間隙提高壓縮機氣體流量和效率。 本文將詳細介紹雙螺桿壓縮機注油過程的3D全瞬態CFD仿真，采用體積分數(VOF)法對氣液兩相流動進行模擬，通過對比有油和無油情況下的模擬結果，對注油冷卻和密封效果進行評價。 通過該算例Simerics MP+ 軟件VOF模型的有效性、強大性及計算速度得到了有效地驗證。

1

雙螺桿壓縮機基本原理

雙螺桿壓縮機是一種做回轉運動的容積式氣體壓縮機械，隨著螺桿轉子的轉動，陰陽轉子間的齒間容積沿轉子軸線從吸氣端運動到排氣端，且齒間容積由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。

2

難點分析

• 結構復雜，泄露間隙小：雙螺桿壓縮機具有２個結構特殊的轉子，轉子與機殼構成了一個復雜的空間，且陰陽轉子間的間隙非常小，有時僅有幾十微米。

• 雙螺桿壓縮機的結構，決定了采用常規CFD軟件時，必然會存在網格劃分困難、耗時長、計算量大的問題。

• 存在兩相流動：由于液氣比高、相間相互作用復雜、界面跟蹤形狀復雜，即使是相對簡單的兩相流問題也難以解決。在PD壓縮機中求解多相流問題更為困難。在這種情況下，必須將氣相視為可壓縮的，考慮傳熱效應，在移動、變形的體積內進行界面跟蹤。CFD求解器在多相模擬中遇到的主要問題是收斂性差、模擬時間長、質量/能量守恒不理想。

SimericsMP+ 在螺桿壓縮機仿真中的優勢：

1	仿真模擬中可以包含軸向微小間隙（可以小到幾微米），并且不影響計算速度；
2	在同等網格和計算資源下，SimericsMP+ 計算速度是目前市場上其他CFD軟件計算速度的8-10倍；
3	流場和壓縮機轉子的共軛傳熱可以聯合在一起求解。

2

難點分析

• 結構復雜，泄露間隙小：雙螺桿壓縮機具有２個結構特殊的轉子，轉子與機殼構成了一個復雜的空間，且陰陽轉子間的間隙非常小，有時僅有幾十微米。

• 雙螺桿壓縮機的結構，決定了采用常規CFD軟件時，必然會存在網格劃分困難、耗時長、計算量大的問題。

• 存在兩相流動：由于液氣比高、相間相互作用復雜、界面跟蹤形狀復雜，即使是相對簡單的兩相流問題也難以解決。在PD壓縮機中求解多相流問題更為困難。在這種情況下，必須將氣相視為可壓縮的，考慮傳熱效應，在移動、變形的體積內進行界面跟蹤。CFD求解器在多相模擬中遇到的主要問題是收斂性差、模擬時間長、質量/能量守恒不理想。

SimericsMP+ 在螺桿壓縮機仿真中的優勢：

1	仿真模擬中可以包含軸向微小間隙（可以小到幾微米），并且不影響計算速度；
2	在同等網格和計算資源下，SimericsMP+ 計算速度是目前市場上其他CFD軟件計算速度的8-10倍；
3	流場和壓縮機轉子的共軛傳熱可以聯合在一起求解。

3

應用實例

壓縮機模型最初設計為無油雙螺桿壓縮機，具有3/5葉柵布置和“N”轉子廓形轉子。陽轉子的工作速度從6000到14000rpm不等，陽轉子直徑127.45 mm，陰轉子直徑為120.02 mm，兩個轉子之間的中心距為93.00 mm。轉子的長徑比為1.6，陽轉子的包角為285.0°。本研究在陽轉子和陰轉子上均加了兩根注油管。為了獲得更高的壓縮比，對出油口進行了改造，同時也使機油冷卻變得尤為重要。

采用Simerics二叉樹非結構網格對流體體積的進、出口端口進行網格劃分。所有的流體體積通過不匹配網格接口(MGI)連接在一起。網格數量約86萬個。下圖顯示了三維視圖中完整的模擬流體域。

將進氣口設置為固定總壓，固定總溫邊界條件，出口設置為固定靜壓邊界條件。流體的氣相是空氣，用理想氣體狀態方程建模。陽轉子轉速為8000 RPM。假設該油不可壓縮，密度950 Kg/m3，熱容1670 J/kgK。

為了驗證注油效果，還模擬了相同參數但不注油的類似情況進行了對比。噴油模擬每轉4小時左右，不噴油模擬每轉2小時左右。

在模擬過程中，經過6圈左右，結果呈現周期性。

上圖顯示了一個完整的齒旋轉時，在5個不同的陽轉子曲軸角處的典型壓力曲線。壓力范圍從1bar到6.5bar，洋紅色代表高壓，藍色代表低壓。在操作過程中，流體從進氣口向上移動到出氣口。由于各缸套的體積不斷減小，各缸套的壓力隨曲軸轉角的增大而增大，直至達到出口。

上圖顯示了5個曲軸角處的溫度曲線。溫度的范圍從300k到55k，洋紅色代表高溫，藍色代表低溫。pocket里的溫度也有類似的趨勢。然而，與壓力不同的是，由于注入油的冷卻作用，每個pocket內的溫度高度不均勻。靠近注油區的溫度明顯較低。

上圖為曲軸5個角處的油濃度曲線。濃度范圍從0到10%的體積分數，洋紅色代表高濃度和藍色代表低濃度。油在靠近噴油器的地方有較高的濃度，然后被pocket帶走。

上圖為5個曲軸角處的油濃度等值面，轉子表面受溫度影響而著色。注入轉子后，油與氣體不能很好地混合。相反，油仍然保持在一起，形成非常不均勻的濃度在轉子室。此外，從圖中可以清楚地看到油冷卻效果，因為周圍地區的油有明顯的較低的溫度。

對于注油工況，模擬工況下壓縮機的平均氣體質量流量為0.1794 kg/s。原油質量分數約為57%，定義為平均原油質量流量除以總質量流量。平均出口溫度約為391 K。下 表 總結了溶液變為周期性后，一次公轉子公轉的質量和能量平衡。

上圖給出了兩個陽轉子轉速為周期性后，進、出口瞬時氣體流量與陽轉子曲軸轉角的關系。結果表明，每一次轉子輪齒的旋轉都呈現出完美的周期形狀。出口流量比進口流量有較大的振蕩，且回流周期短。

為了評價注油對壓縮機性能的影響，還模擬了相同工況下不注油的類似情況。在僅氣體情況下，模擬的氣體質量流量不平衡約為0.4%，能量不平衡約為0.2%。

圖8比較了在曲軸角度相同的情況下，有油和無油情況下的壓力分布。 雖然放電壓力相同，但無油情況下的內部壓力明顯高于有油情況下的內部壓力。 圖9比較了在曲軸角度相同的情況下，有油和無油情況下的溫度分布。 無油情況下的溫度要比有油情況下的溫度高得多。

下表總結了有無注油時壓縮機性能的差異：

注油后，在相同工況下運行的壓縮機，與“干式”(不注油)運行相比，氣量流量增加23%，出口氣溫升降低74%，轉子功率降低12%。注油壓縮機性能的提高是油冷卻和油密封共同作用的結果。

上圖給出了兩種情況下一個壓縮袋的壓力歷史，包括有噴油和沒有噴油兩種情況。 歷史曲線顯示出明顯的周期規律。 不注油情況下的超壓比注油情況下的高。

上圖給出了同一pocket的溫度歷史。 由于溫度場的非均勻性，監測點的溫度結果比壓力結果具有更大的振蕩。 沒有油的箱子溫度要高得多。

利用SimericsMP軟件的VOF多相模型成功地應用于雙螺桿注油壓縮機的建模。

通過與無油運行的相似模型的比較，預測了由于注油而導致的性能改善的正確趨勢，同時顯示了良好的質量和節能效果。

SimericsMP軟件的仿真結果揭示了注油壓縮過程的詳細流動規律和熱力學過程，有助于壓縮機設計人員和分析人員更好地理解和改進設計。

總的來說，Simerics MP軟件的VOF模型具有很大的潛力，可以作為分析PD壓縮機兩相流問題的一個非常有用的工具。

1

END

1

文章來源：多相流在線