壓縮機性能的案例
陳珂，等：天然氣管道摻氫輸送對離心壓縮機氣動性能的影響
上述研究主要是采用一維簡化模型和相似理論方法對管道與壓縮機聯合工作系統建立管網模型，模型中氣體采用理想狀態氣體方程并對壓縮機模型進行簡化，忽略摻氫后壓縮機內部能量損失和性能變化。Meira等[11]擴展了美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提出的沖擊損失理論，考慮到壓縮機內部的單向可壓縮流，結合索阿韋-雷德利希-鄺氏（Soave-Redlich-Kwong，SRK）和貝內迪克特-韋德-魯賓（Benedict-Webb-Rubin，BWR）兩種狀態方程對壓縮機模型進行修正，該模型對于壓縮機摻氫后的性能預測更加準確。
綜上，目前采用 CFD 軟件研究摻氫比例對天然氣管網性能的影響已較為普遍，但天然氣管道摻氫比對壓縮機性能影響的研究主要采用相似理論，這需要壓縮機流動完全相似；而天然氣摻氫會導致壓縮機工質物性的變化，降低了摻氫后壓縮機的性能預測精度。因此，為了提高天然氣管道摻氫輸送的安全性和可靠性，深入探究天然氣摻氫后對離心壓縮機氣動性能和喘振裕度的影響尤為重要。根據現有川氣東送管道的GE PCL503 天然氣壓縮機實測工況數據[12-13]和搜集到的主要幾何尺寸，對其進行三維數學建模，利用數值模擬手段分析了不同摻氫比、環境溫度下壓縮機內部的三維流場，重點研究不同天然氣摻氫比對離心壓縮機氣動性能和喘振邊界的影響，以期為天然氣摻氫管網的安全運行、管網壓縮機的設計及選型提供理論指導。
1 模型建立
1.1
幾何模型
依據目前公開發表論文中的關于 GE PCL503 壓縮機各工況點實驗數據[12-13]和搜集到的主要幾何尺寸（表 1），采用 Concepts NREC 軟件對該壓縮機進行一維氣動設計及三維幾何建模。
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雙螺桿壓縮機大內容積比錐形轉子的設計與性能研究
任純吉１，趙 鑫１，王 君*１，武 萌１，王增麗１，耿茂飛２
（１.中國石油大學（華東）新能源學院，山東青島２６６５８０；
２.壓縮機技術國家重點實驗室，合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥２３００３１）
［摘 要］：內容積比是雙螺桿壓縮機的重要性能指標，為了最大限度地提高其內容積比，設計了交叉軸錐形螺桿轉子，實現了雙螺桿壓縮機內容積比較大程度的提高。從容積變化和泄漏通道長度方面分析了雙螺桿壓縮機錐形螺桿轉子的工作性能，并與傳統等徑螺桿轉子進行對比。結果表明：在轉子旋轉軸夾角為１０°～２０°時，內容積比的提高幅度可達２４.６％ ～４７.５％。錐形螺桿轉子對端面泄漏有較大的改善，力學性能方面有顯著優點。
［關鍵詞］：雙螺桿壓縮機；錐形轉子；內容積比；性能分析
中圖分類號：ＴＨ４５ 文獻標志碼：Ａ
文章編號：１００６－２９７１（２０２２）０２－００１５－０６
１ 引言
雙螺桿壓縮機是一種容積式壓縮機，具有內壓縮的特點，因其結構簡單、可靠性高、適應性強等優點，廣泛應用于冶金、化工、食品、制藥等行業，近年來受到越來越多的關注［１～２］。內容積比是衡量螺桿壓縮機工作性能的重要參數，雙螺桿壓縮機的增壓部件是一對相互嚙合的陰陽螺桿轉子，轉子型線和螺桿的幾何特性直接影響雙螺桿壓縮機的工作性能，因此改進螺桿轉子的結構對提升雙螺桿壓縮機的壓縮性能及改善泄漏具有重要意義。
邢子文，等［３～５］在雙螺桿壓縮機的轉子型線方面做了大量的工作，提出了計算轉子接觸線長度的方法，并研發了螺桿轉子的設計軟件。文獻［６～７］提出的變螺距螺旋線的雙螺桿壓縮機，提高了螺桿壓縮機的內容積比，增大了壓縮比。
展開 新型無油渦旋壓縮機內部熱力學特性和性能測試
（2）通過對渦旋壓縮機的數值模擬，得到了工作腔內工質物理性態的分布，通過徑向間隙產生的切向泄漏對工作腔內溫度和速度的影響較大，對壓力的影響較小；渦旋壓縮機的進、出口質量流量和流速在工作周期都呈循環變化，出口處質量流量和流速均比進口處大。
（3）通過試驗測試發現，排氣壓力較高時，渦旋壓縮機的整機性能都會有所下降。因此，在額定轉速下，如果壓縮機長期在高排氣壓力狀態下工作，會使其輸出性能嚴重降低。
文章來源：汽車CFD熱管理
三種壓縮機性能特點、優缺點比較，快收藏！
所以在離心式制冷壓縮機中，冷凝器的冷卻 水量是不宜過小的，否則會使在離心式制冷壓縮機在運轉時，發生強烈的振動，嚴重時甚至會造成對離心式制冷壓縮機的破化。
小編總結：在制冷系統中，由于三種常見的制冷壓縮機（往復式、螺桿式、離心式）具有各自不同的特點。因此，它們在性能上具有各自的優點和各自的缺點。
雙螺桿壓縮機CFD模擬，這樣做才專業！
1 背景介紹
螺桿式壓縮機具有尺寸小、重量輕、易維護等特點，是制冷壓縮機中發展較快的一種機型。隨著工作可靠性的不斷提高，螺桿式壓縮機在中等制冷量范圍內已逐漸替代往復式壓縮機，并占據了離心式壓縮機的部分市場。
壓縮機內部的溫度變化對其壓縮性能和效率有著至關重要的影響。固體受熱膨脹會導致金屬部件發生過度磨損，從而造成泄露間隙的改變，進而對產品的性能產生影響，為了準確預測壓縮機的熱力學特性，兼顧產品研發周期和經濟性，通常采用CFD技術對壓縮機的流固共軛傳熱（CHT）問題進行研究。但是，由于固體的傳熱速度要比壓縮氣體的慢得多，如果利用CFD技術直接對固體結構和氣體介質進行耦合傳熱模擬，可能需要計算足夠多的壓縮機旋轉數后才能得到一個穩定的CHT解，那么模擬的運行時間可能就變得不切實際。因此，尋求一種先進的方法解決流固共軛傳熱問題迫在眉睫。
2 難點分析
目前，利用CFD技術進行螺桿壓縮機流固共軛傳熱分析存在以下問題：
間隙設計是螺桿壓縮機中的重要問題，間隙必須足夠小以提高容積效率，同時又必須有足夠的間隙來防止轉子干涉。
展開 Simerics | 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析
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。
壓縮機內溫度的變化對壓縮性能和效率有著至關重要的影響，為了準確地預測壓縮機的熱動力學特性，在CFD模擬中需要對金屬部件與工作流體之間的傳熱進行適當的分析與評估。
本文基于Simerics-MP+軟件，利用混合時間尺度耦合法求解不同介質間耦合傳熱的問題。該方法可以解決熱傳播的時間尺度差異問題。通過比較在有和沒有考慮共軛傳熱情況下的模擬結果，評估流固共軛傳熱對雙螺桿壓縮機性能的影響。結果表明本文所使用的方法是有效、快速和友好的，可以很容易地應用于工業壓縮機系統。
展開 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析 附基于SCORG和Simerics MP 的CFD雙螺桿泵數值模
壓縮機內溫度的變化對壓縮性能和效率有著至關重要的影響。為了準確地預測壓縮機的熱動力學特性，在CFD模擬中需要對金屬部件與工作流體之間的傳熱進行適當的分析與評估。本文將詳細介紹一種基于Simerics-MP+軟件，利用混合時間尺度耦合法求解不同介質間耦合傳熱的問題。該方法可以解決熱傳播的時間尺度差異問題。通過比較在有和沒有考慮共軛傳熱情況下的模擬結果，評估了流固共軛傳熱對雙螺桿壓縮機性能的影響。該研究證明了本文所使用的方法是有效、快速和友好的，可以很容易地應用于工業壓縮機系統。
02
難點及解決方案
涉及運動部件及狹小泄漏間隙：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，網格解析及運動定義困難。
不同介質熱傳遞時間尺度差異大：通常，固體中熱傳播比氣體中的慢得多，如果將固體內部的熱傳導與氣體的熱力學溫度變化直接耦合，可能需要壓縮機轉子轉很多圈數才能達到穩定的解，模擬花費的時間很長。下面將以一個實例來說明流固傳熱時間尺度問題。
如圖1所示，以實際雙螺桿壓縮機的固體轉子作為本研究的最終測試案例，做一簡單的熱傳導模擬來演示傳熱過程中的時間尺度差異。轉子由不銹鋼材料制成。轉子初始溫度設定為300K，轉子葉片暴露在周圍流體中，溫度為400k。假設邊界面上的最大傳熱系數為1000w /m2K，通過對轉子內部瞬態熱傳導的快速模擬計算發現，經過一分鐘的熱傳導后，固體轉子的平均溫度僅從300k提高到350k。
展開 離心壓縮機防喘振條件及措施
合理控制防喘振安全裕度：根據離心壓縮機性能曲線，在喘振線右側采用了一條防喘振線作為防喘振調節器的給定值曲線，它與喘振線之間的這的區域是壓縮機的安全邊界，稱為安全裕度。它是在一定工作轉速下，正常流量與該轉速下喘振流量之比值。當壓縮機工作點到達防喘振線時，防喘振調節閥打開，以使工作點右移進入安全區，從而避免喘振的發生。
圖2
設置報警儀表：在離心壓縮機的進口安裝流量監視儀表，出口安裝壓力監視儀表，一旦壓縮機已接近喘振工況區時能及時發出報警，以提前采取措施，防患于未然。
離心壓縮機防喘振條件及措施
合理控制防喘振安全裕度：根據離心壓縮機性能曲線，在喘振線右側采用了一條防喘振線作為防喘振調節器的給定值曲線，它與喘振線之間的這的區域是壓縮機的安全邊界，稱為安全裕度。它是在一定工作轉速下，正常流量與該轉速下喘振流量之比值。當壓縮機工作點到達防喘振線時，防喘振調節閥打開，以使工作點右移進入安全區，從而避免喘振的發生。
圖2
設置報警儀表：在離心壓縮機的進口安裝流量監視儀表，出口安裝壓力監視儀表，一旦壓縮機已接近喘振工況區時能及時發出報警，以提前采取措施，防患于未然。
基于滾動轉子壓縮機微型制冷系統的研究進展分析
最后得出結論：對泵體溫度場的優化，即對泵體結構與尺寸的調節，可以大幅度提高轉子壓縮機的工作性能。
3.1.2 壓縮機輸出調節
虞中旸等對R32變頻滾動轉子式制冷系統進行模擬試驗。通過改變壓縮機運行頻率等變量探究壓縮機不同工況下的工作性能。試驗結果證明，壓縮機的容積效率與壓縮機工作頻率呈正比關系，而電效率、COP與頻率呈反比關系。不同于試驗中的工況，壓縮機在實際工作時的工作頻率會受到若干不良情況的干擾從而發生改變，使壓縮機的性能更為復雜，該試驗結論為微型變頻壓縮機實際應用中的變頻控制提供參考與經驗。
為探究壓縮機在變頻工作的條件下COP、制冷量等變化情況，沈冰潔等研究分析了變頻滾動轉子式制冷系統在不同工況下的系統性能并得到結論：系統的損失會在壓縮機處于高頻工作時超過平均值；壓縮機的工作頻率與吸氣狀態選取不當會導致蒸發器的性能變差。當效率最小時，蒸發器是制冷系統中相對薄弱的模塊，試驗發現壓縮機在高頻工作時，蒸發器與冷凝器的性能較差，損失較高，可以嘗試改變制冷劑充注量等參數提高系統性能。
為探究R32變頻滾動轉子式壓縮機制冷系統在改變壓縮機頻率與吸氣狀態等影響因素時，壓縮機工作效率的變化規律，虞中旸等建立了壓縮機電效率模型，并通過試驗得出高低頻率控制時壓縮機的電效率與容積效率的變化情況，并找到壓縮機在標準空調工況下的最佳工作過熱度。
何俊等以基于從壓縮機吸氣過熱至吸氣帶液為基礎，探究在不同工況下滾動轉子式壓縮機制冷系統的性能。研究結果表明：適當降低壓縮機工作頻率可以達到顯著的節能效果，系統排氣溫度也會隨之降低。但同時也會產生壓縮機過熱、回油困難等一系列問題。
3.1.3 噪聲處理技術
余華明對一款滾動轉子式壓縮機的噪聲特性進行了分析，并對原有的消聲器增設矩形導流孔。
展開 壓縮機仿真學習：影響離心壓縮機特性曲線的參數，你了解過嗎?
這使得當流量低于設計流量時，壓縮機的性能曲線比高于設計流量時的曲線形狀更陡峭一些。
3離心壓縮機效率
離心壓縮機效率與理想狀態下的損失與渦輪損失、回流損失及擴壓器將流體動能轉化為壓力的能力有關。
渦輪損失發生的主要原因是流體不能利用徑向動能流出擴壓器。回流損失的發生是由于壓力梯度存在于葉輪尖端區域，流體不得不重新進入葉輪，導致壓縮機對回流的流體進行重新壓縮。一般來說，對于有葉輪擴壓器的壓縮機，渦流損失會比無葉擴壓器的損失大一些，因為在有葉擴壓器的出口，有更大部分的動能是徑向的。在擴壓器中的減速升壓過程是否有效，主要取決于擴壓器的物理結構。
另外，離心壓縮機效率還要考慮運行過程中的能量傳遞。離心壓縮機的級對有效氣體所消耗的總功，可以認為是由葉輪對氣體做功，內漏氣損失，輪阻損失三部分組成。葉輪對氣體做功換成氣體的能量，應注意到能量守恒是在質量守恒的前提下得到的，即要滿足連續條件，同時，要考慮對黏性氣體都是適用的。而在離心壓縮機中，從外面加入的熱量，以及向外界放出的熱量，通常可忽略不計。
對于葉輪來說，原動機傳給葉輪的總功有理論能量頭、內漏氣損失和輪阻損失，理論能量頭主要是以機械能的形式傳給氣體的。這些能量及損失在級內不斷地進行循環運動，不斷地被壓縮和膨脹而需要一定的外功，這部分外功變成了熱量傳給氣體。
展開 
壓縮機仿真：補氣式滾動轉子壓縮機的CFD仿真及優化研究
空調、制冷行業的快速發展，極大地推動了壓縮機技術的發展，對于我國北方等低溫地區，隨著室外溫度降低，壓縮機壓縮比增大、蒸發溫度降低等，存在低溫環境下制熱能力下降的難題，其中，中間補氣技術是熱泵低溫環境有效克服低溫環境的有效措施之一；補氣技術也由此越來越引起壓縮機制造企業的重視，對提高企業壓縮機產品的綜合競爭力具有十分重要的意義。
單缸滾動轉子壓縮機的補氣是通過在壓縮腔中增加補氣口，通過引入中壓流體形成對壓縮腔進行噴射補氣。圖1為該類壓縮機的補氣增焓結構圖，滾動轉子壓縮機的工作過程中包括了吸氣和壓縮過程，而補氣是針對壓縮過程補氣，將補氣孔設置在與壓縮腔連通的排氣孔附近，而為了防止補氣流體回流，可以設置簧 片閥等止回閥結構，當補氣流體壓力大于壓縮腔內的流體壓力時打開補氣孔進行補氣，稱為準二級壓縮形式。準二級壓縮的滾動轉子壓縮可有效解決壓縮機在低溫工況下排氣溫度過高和制熱量不足等問題，已經成為解決低溫工況下空氣源熱泵性能衰減的重要技術途徑。由于補氣口開在排氣口附近的氣缸壁上，將不可避免有一段補氣口和吸氣口串通的時間，在這段時間內，補氣口噴射出來的中壓流體回流至吸氣管，導致壓縮機的容積效率下降；為了克服上述技術問題，根據滾動轉子壓縮機中設置有往復運動的滑片結構，發展出了一種將補氣通道開設在滑片上的補氣結構，如圖1（b）所示，將補氣通道直接設置在滑片上，并將補氣通道的端部距離滑片端部一定距離設置，通過該距離的設定可以實現在吸氣階段不進行補氣而在壓縮階段才開始補氣，防止了噴射氣體的回流，更好地適應滾動轉子壓縮機的工作過程，提高了補氣效果。
展開 【Simerics技術分享】雙螺桿壓縮機注油過程3D動態仿真
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。
展開 ANSYS Fluent案例｜利用Turbo流程計算壓縮機性能
本案例應用Fluent Turbo工作流設置流體流動模擬來評估1.5級壓縮機的性能。Turbo工作流可以在Fluent中很容易地進行渦輪機械分析設置，允許在其中描述渦輪機器的類型及其參數配置，導入計算網格，并定義渦輪相關的工況條件，創建渦輪機械特定拓撲和報告工具。
注意：Turbo工作流是Fluent最新版本提供的功能。
1 問題描述
本案例模擬如下圖所示的具有進口導葉、轉子和定子的壓縮機。幾何模型是4.5級軸向漢諾威壓縮機的前三排（由TFD漢諾威提供）。進口導葉有26個葉片，轉子有23個葉片，旋轉速度為17100 RPM，定子有30個葉片通道。進氣口的總壓為60000 Pa，出口的靜壓60500 Pa，指定其沿徑向均勻分布。
計算網格如下圖所示，其由三部分組成。
2 Fluent設置
以
3D、Double Precision方式啟動Fluent
2.1 Turbo流程
選擇工具欄按鈕
Domain → Turbomachinery → Turbo Workflow → Enable Workflow啟動工作流程
Turbo工作流程如下圖所示，按照流程往下擼就可以了。
點擊菜單
File → Preferences打開設置對話框，如下圖所示對Turbo Workflow參數進行設置。這里的設置只是方便后面邊界自動識別，不設置也沒有關系。同時也說明在網格邊界命名時遵循一些規則，可以省很多的事情。
展開 通過CFD改善泵和壓縮機的性能
渦旋壓縮機
降低噪音和提高效率是渦旋壓縮機的兩個主要設計重點，渦旋壓縮機通常在制冷應用中使用。
重要的是研究改變幾何形狀如何影響壓縮機效率和脈動水平。渦旋壓縮機的幾何形狀很復雜，此外，CFD模型必須考慮閥門的動態特性。
為了模擬諸如渦旋壓縮機的運動幾何形狀，某些CFD代碼依賴于隨幾何形狀運動的網格。但是，移動的網格會引入數值粘度偽影，從而降低結果的準確性。
在此示例中，使用了具有修改后的切孔策略的固定網格。固定網格具有較高的準確性和穩定性，不會引入與網格運動有關的數值擴散。此外，切割單元方法完美地表示了基礎幾何形狀，并允許邊界運動，同時保留了質量，動量，能量和種類。
圖4顯示了整體質量流量的結果，這是確定渦旋壓縮機CFD的關鍵參數，是決定壓縮機的冷卻能力和效率的關鍵參數。1CFD模型與實測數據非常吻合。
高保真的三維CFD研究對于設計和優化泵和壓縮機非常有價值。過去，運行CFD模擬需要專門的培訓和較長的等待時間才能獲得結果。
如今，CFD軟件包包括圖形用戶界面，可引導用戶完成設置仿真過程的過程，而所需的培訓最少。此外，改進的硬件和高性能計算的引入減少了仿真運行時間，為設計研究提供了快速周轉的方法。【完】
文章來源：興隆機電
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