变截面涡旋压缩机动涡盘热—结构耦合的应力和变形分析

摘要

涡旋压缩机作为一种新型节能高效的容积式压缩机，人们对其研究越来越深入，应用也越来越广泛。但是由于涡旋压缩机独特的结构及工作方式，导致准确掌握内部压缩工质及零部件特性是非常困难的。这非常不利于涡旋压缩机的实际生产与应用。
　　针对这种情况，本文首先依据涡旋型线的啮合理论和法向等距线法等，设计了变截面动涡旋盘的型线，并建立其三维模型。然后建立了变截面涡旋压缩机工作过程的数学模型，计算了月牙形的压缩腔容积的动态变化规律以及工作腔内气体压力和温度的变化规律，讨论了相邻工作腔内气体热量的传递问题。接着以这些工作为基础，利用计算流体力学(CFD)的理论方法和流体仿真软件FLUENT，对变截面涡旋压缩机的工作过程进行了瞬态模拟仿真，得到了工作腔内压缩气体的速度场，压力场和温度场。模拟结果表明，利用该方法得到的气体特征与理论计算结果相一致，且符合其实际工况。
　　对变截面动涡旋盘进行数值分析时，本文考虑到了其受到的实际载荷及简化载荷的不同工况。首先建立了基于流场分析的热载荷边界条件，并利用有限元分析软件得到了涡旋盘上的温度分布。分析结果表明，该方法得到的涡盘温度分布较线性均匀分布呈现滞后的现象。热-结构耦合分析时，涡旋盘的最大等效应力位于轴承座内孔根部，而单独气体力作用时位于涡旋齿头根部。而齿顶面的整体变形分布小于热膨胀分析，而大于只有气体力载荷作用分析。所以在涡旋压缩机工作过程中，热载荷对涡旋盘的影响，及两种载荷之间的相互影响是不能够忽略的。
　　最后通过进行静力校核及变形分析，说明本文所设计的变截面动涡旋盘在运行过程中是可靠的。本文采用的分析理论及方法，对于设计更合理、高效的涡旋压缩机提供了一种新思路。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 涡旋压缩机结构组成及特点

1．1．1 涡旋压缩机结构组成

1．1．2 涡旋压缩机特点

1．2 涡旋压缩机的工作原理

1．3 涡旋压缩机的应用与研究现状

1．3．1 涡旋压缩机应用现状概述

1．3．2 涡旋压缩机研究现状

1．4 研究主要内容与方法

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 主要研究方法

1．5 课题的来源及研究意义

1．5．1 课题来源

1．5．2 课题研究意义

第2章 变截面涡旋齿型线几何理论

2．1 涡旋齿通用型线概述

2．1．1 通用型线啮合理论

2．1．2 法向等距线法

2．2 组合型线选择及建立

2．2．1 建立母线

2．2．2 建立动涡盘内、外壁型线

2．2．3 变截面涡旋盘PMP型线修正

2．3 涡旋盘实体模型建立

2．4 涡旋型线设计参数总结

2．5 变截面涡旋压缩机腔体容积的动态计算

2．5．1 工作腔容积的计算方法

2．5．2 各工作腔容积的动态计算

2．6 小结

第3章 变截面涡旋压缩机工作过程分析

3．1 变截面涡旋压缩机热力学模型

3．1．1 热力过程基本方程

3．1．2 热力性质方程

3．2 涡旋压缩机气体理论压缩过程的计算

3．3 传热模型

3．3．1 涡旋压缩机工作腔热量传递分析

3．3．2 对流换热系数

3．4 小结

第4章 变截面涡旋压缩机流场的数值模拟

4．1 CFD的基本原理

4．2 气体流动通用控制方程

4．2．1 质量守恒方程

4．2．2 动量守恒方程

4．2．3 能量守恒方程

4．2．4 气体状态方程

4．2．5 湍流控制方程

4．2．6 壁面函数

4．2．7 通用控制方程

4．3 通用控制方程离散

4．4 控制方程组的求解算法

4．5 动网格技术

4．6 涡旋压缩机工作腔内流场的数值模拟

4．6．1 流体计算域的几何模型

4．6．2 流体域网格划分

4．6．3 流体计算域的模型设置

4．6．4 流体域边界设置

4．6．5 流体计算域求解设置

4．7 数值模拟结果及分析讨论

4．7．1 流场模拟收敛判定

4．7．2 气体速度场分析

4．7．3 气体压力场分析

4．7．4 气体温度场分析

4．8 小结

第5章 变截面动涡旋盘的应力与变形分析

5．1 动涡旋盘数值模拟前处理

5．1．1 建立动涡盘有限元模型

5．1．2 确定模型的约束与载荷

5．2 动涡旋盘热的数值分析

5．2．1 动涡旋盘的有限元模型

5．2．2 动涡旋盘温度场

5．2．3 动涡旋盘的热应力及变形

5．3 动涡旋盘受气体力载荷的数值分析

5．3．1 动涡旋盘的有限元模型

5．3．2 动涡旋盘的应力及变形

5．4 动涡旋盘热-结构耦合的数值分析

5．4．1 热-结构直接耦合

5．4．2 动涡旋盘有限元模型

5．4．3 涡旋盘应力和变形分析

5．5 涡旋盘数值分析结果综合分析

5．5．1 变截面动涡旋盘静力校核

5．5．2 变截面动涡旋盘变形综合分析

5．6 小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文