随着现代科学技术、天然气液化技术、航空航天技术和超导技术的快速发展,对低温制冷技术的需求日益迫切。近年来,由于液化天然气具有洁净、安全、体积小和运输方便等优点,我国液化天然气在能源结构中的比例逐年迅速增加,低温制冷技术在液化天然气生产工艺中的地位变得越来越重要。螺旋压缩膨胀制冷机是一种新型的制冷机,具有制冷效率高、体积小、单级压比高、压缩过程连续、工作过程简单等优点,可以替代其他制冷机应用于天然气液化过程中,不仅可以加快LNG生产速度和液化效率,而且可以大大简化LNG生产流程。开展螺旋压缩膨胀制冷机冲压压缩过程的研究可对螺旋压缩膨胀制冷机的开发和利用提供理论依据,对这种新型制冷机应用于LNG液化工艺中具有重要的推动作用,对液化天然气行业的发展具有重要意义。本文首先对螺旋压缩膨胀制冷机压缩段所采用的冲压压缩技术进行系统阐述,结合布雷顿制冷循环过程,提出了一种螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环,并对这种制冷循环与传统制冷循环进行性能计算比较分析。其次,建立三维变螺距螺旋压缩叶轮物理及数学模型,通过数值模拟方法研究特定螺旋曲面内产生冲压效应时的速度与对应压力等流场参数的三维螺旋分布规律,然后研究变径变螺距工况下不同螺旋空间流场参数的理论计算模型及特定转速工况下螺旋曲面螺距发生变化时的三维冲压效应理论模型,获得产生冲压效应时的最佳变螺距螺旋曲面物理模型,并通过曲线拟合方法研究不同参数工况下变螺距螺旋曲面冲压压缩性能参数分布规律。最后,以螺旋压缩膨胀制冷机冲压压缩最佳模型为数值计算物理模型,改变螺旋叶轮转速,在特定工况下对最佳模型进行数值理论计算,研究最佳模型螺旋叶轮冲压压缩性能参数随转速的变化规律,并改变螺旋叶轮出口背压,研究背压对螺旋叶轮冲压压缩过程性能的影响。研究表明,制冷量相同的情况下,螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环比布雷顿制冷循环节约13.4%的压缩功,螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环较布雷顿循环更接近于等温压缩过程,制冷系数更大,能效比更高,更节能。通过数值模拟研究发现,越靠近螺旋叶片外边缘部分,激波越多,冲压效应越明显,激波的存在使得气流的流场速度沿流动方向增大,流场动压沿流动方向升高,轴径为120 mm、螺旋加速度为-6.5 mm/s~2时的变螺距螺旋叶轮模型为冲压压缩最佳物理模型,气流流动损失最小,动压提高最快,冲压压缩效果明显,流场分布稳定。质量流量不变时,变螺距螺旋通道入口静压和出口动压随转速的变化符合Exponential函数规律;转速和流量一定时,入口静压和出口动压随轴径的变化分别符合Parabola函数和ExpDec1函数曲线规律,螺旋通道内压力随螺旋加速度的变化遵循Exponential函数分布规律。在入口质量流量一定的情况下,叶轮最佳模型出口动压随转速的增大呈Exponential函数规律减小,当转速为15000 r/min时,入口来流条件越易达到要求,冲压效果较明显;随着最佳模型出口背压增大,冲压压缩来流条件越不易满足,冲压效果不明显。