螺桿制冷壓縮機(jī)特性研究與優(yōu)化設(shè)計

螺桿制冷壓縮機(jī)特性研究與優(yōu)化設(shè)計

1主導(dǎo)機(jī)，主機(jī)在不同類型的壓縮機(jī)中，螺旋式壓縮機(jī)具有能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)少等優(yōu)點，能夠承擔(dān)主缸的功能，可靠性和操作方便等。為提高我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的螺桿制冷壓縮機(jī)設(shè)計和制造水平,滿足市場需要和替代進(jìn)口產(chǎn)品,改變我國螺桿壓縮機(jī)無獨立知識產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)的落后狀態(tài),從2000年開始,煙臺冰輪股份有限公司與西安交通大學(xué)合作,對螺桿制冷壓縮機(jī)的性能特性進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究,并把研究成果用于指導(dǎo)螺桿制冷壓縮機(jī)的設(shè)計和優(yōu)化,成功開發(fā)了開啟式和半封閉式兩個系列的螺桿制冷壓縮機(jī)。2對螺絲制備的性能特性的研究2.1壓力傳感器的工作原理p-V指示圖表征壓縮機(jī)內(nèi)部工作過程,是壓縮機(jī)性能微觀研究的最關(guān)鍵依據(jù)。螺桿制冷壓縮機(jī)指示圖的錄取裝置如圖1所示。所采用的微型壓力傳感器不僅響應(yīng)頻率高,而且自帶溫度補償,是錄取指示圖的關(guān)鍵元件。壓力傳感器的信號引線從陰轉(zhuǎn)子的中心孔引出,通過聯(lián)軸器與滑環(huán)連接在一起。信號通過滑環(huán)輸入信號放大器進(jìn)行放大,然后利用動態(tài)信號分析儀對信號進(jìn)行采集和處理,就可以得到壓縮機(jī)工作腔壓力隨陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化圖(p-θ圖)。利用螺桿壓縮機(jī)工作腔容積與陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間的幾何關(guān)系(V-θ)就可以把p-θ圖轉(zhuǎn)換為p-V圖。2.2壓縮機(jī)內(nèi)噴油轉(zhuǎn)子齒頂與機(jī)殼間的間隙設(shè)計是螺桿壓縮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一項關(guān)鍵技術(shù)。間隙過小有可能造成機(jī)子抱死現(xiàn)象,間隙過大則又降低了壓縮機(jī)的效率。為了尋找合適的間隙,開展了螺桿壓縮機(jī)內(nèi)噴油的可視化研究。結(jié)果表明,由于受到離心力的作用,噴入壓縮腔的潤滑油會很快運動到轉(zhuǎn)子齒頂,轉(zhuǎn)子齒頂與機(jī)殼間的間隙中始終充滿潤滑油能有效防止高壓制冷劑從高壓齒槽向低壓齒槽的泄漏。這表明為防止轉(zhuǎn)子與機(jī)殼咬傷,轉(zhuǎn)子與機(jī)殼間的間隙可以適當(dāng)增大。2.3原油噴油性能(1)噴油量與油循環(huán)量的關(guān)系在噴油螺桿壓縮機(jī)中,噴入的油與壓縮氣體直接接觸,吸收氣體的壓縮熱。油的噴入使螺桿壓縮機(jī)的特性發(fā)生了很大的變化,提高了其對壓力和壓比的適應(yīng)能力,簡化了設(shè)計結(jié)構(gòu),并使排氣溫度得到了有效的控制,還降低了噪聲。噴入壓縮機(jī)的油主要有冷卻、潤滑、密封和降噪四個功能。油壓與排氣壓力、噴油量與油壓之間的關(guān)系分別如圖2、3所示。噴油量的選擇不僅根據(jù)滿足油對氣體冷卻作用而導(dǎo)出的,而且在實際設(shè)計中,確定螺桿壓縮機(jī)的噴油量時,還要考慮一些其它因素。例如,在相同條件下,如果機(jī)體等機(jī)件的散熱條件較差,則應(yīng)相應(yīng)提高油循環(huán)量。對容積流量小的機(jī)器,容積效率較低,內(nèi)部損失效率較高,也要求適當(dāng)提高油的循環(huán)量。另外轉(zhuǎn)速高時,相對泄漏損失小,但擾動油的功率較大,所以就要求適當(dāng)減少油的循環(huán)量。一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),如果增加注油量,輸入轉(zhuǎn)矩則會減少,但超過一定值時,加大注油量,轉(zhuǎn)矩反而會增加。噴油量的多少直接影響機(jī)器的排溫、容積效率和軸功率,因而噴油量存在最佳值。在新型螺桿壓縮機(jī)試制實驗中,對于噴油量的最佳值做了大量的實驗,在各種不同的工況條件下,通過改變油壓,改變油路面積等,實驗得出各種機(jī)型在不同工況下的最佳供油量,最佳供油壓力,然后選取各油路最佳面積,最佳泄漏間隙。實驗證明:滑動軸承的間隙和平衡活塞的間隙對于潤滑油量的影響較大。(2)合理控制溫度螺桿壓縮機(jī)由于噴入大量的油,因而排溫比活塞式低。試驗證明,排氣溫度與噴油溫度是線形關(guān)系。油溫增高,排溫也相應(yīng)增高。油溫隨壓比增加而增加,故排溫也相應(yīng)提高。當(dāng)油溫高時,粘度下降,這樣潤滑、密封的作用也就降低,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩減少,耗功也少。當(dāng)油溫低時,粘度增加,潤滑、密封的作用雖好,隨著油的粘度增加,流體摩擦?xí)黾?轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩增加,耗功增大,因而噴油溫度存在著最佳值。經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn),油溫每提高10℃,制冷量減少,軸功率降低,COP變化不大。圖4給出了壓縮機(jī)效率與油溫之間的關(guān)系。2.4排氣壓力脈動的模擬結(jié)果排氣壓力脈動是引起壓縮機(jī)噪聲和振動的主要因素,對其進(jìn)行研究有助于了解雙螺桿壓縮機(jī)噪聲和振動的產(chǎn)生機(jī)理。目前對壓力脈動進(jìn)行理論分析,一般都采用平面波動理論(一般振幅小于8%就可以采用平面波動理論)。但通過試驗發(fā)現(xiàn),螺桿壓縮機(jī)的壓力脈動的幅值超過了平面波動理論的使用條件,因此本研究所在螺桿壓縮機(jī)工作過程模擬的基礎(chǔ)上采用一維非定常氣流方程組來模擬排氣壓力脈動。圖5是采用一維非定常氣流方程組,根據(jù)勻熵修正理論處理邊界節(jié)點參數(shù),利用L-W兩步法計算所得排氣壓力脈動與實測壓力脈動的比較結(jié)果。結(jié)果表明理論計算與實測結(jié)果吻合較好。圖6所示為壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速為3000r/min時,不同排氣壓力下的排氣壓力脈動變化情況。從圖中可以看出,運行工況與設(shè)計工況吻合時(設(shè)計排氣壓力為0.6MPa),排氣壓力脈動較小,而當(dāng)壓縮機(jī)運行工況背離設(shè)計工況時,無論是過壓縮還是欠壓縮,排氣壓力脈動都會明顯增大。試驗結(jié)果還表明,隨著轉(zhuǎn)速的升高,壓力脈動也隨著增強。3螺桿制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)在對螺桿制冷壓縮機(jī)性能進(jìn)行更系統(tǒng)深入的理論分析和試驗研究的基礎(chǔ)上,項目組充分利用了列入‘十五’期間國家科技成果重點推廣項目的“螺桿壓縮機(jī)設(shè)計計算軟件SCCAD”,進(jìn)行了開啟式和半封閉式兩個系列的螺桿制冷壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計。首先設(shè)計了能降低噪聲和提高COP的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)子型線。然后,以設(shè)計的新型線為核心,在解決了樣機(jī)試制過程中的一系列工藝問題后,最終取得了滿意的結(jié)果。3.1型線結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)子型線對螺桿壓縮機(jī)的噪聲和COP具有決定性的影響,原來國內(nèi)聯(lián)合設(shè)計的開啟式螺桿壓縮機(jī),采用的轉(zhuǎn)子型線為圖7所示的單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線。由于單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的組成齒曲線中含有點、直線及其共軛擺線,導(dǎo)致型線中有多個尖點。這些尖點的存在,會引起較大的氣流擾動損失,并誘發(fā)較高的噪聲。另外,組成齒曲線中含有直線段,轉(zhuǎn)子也不適合采用磨削的方法加工。因此在本項目的型線設(shè)計中,首先要求組成齒曲線中不采用點和直線,經(jīng)過SCCAD軟件對型線性能分析,針對開啟式螺桿制冷壓縮機(jī)設(shè)計了如圖8所示的雙邊不對稱全圓弧型線。而對于半封閉式系列,則設(shè)計了由圓弧和橢圓形成的雙邊不對稱型線,如圖9所示。由于在本項目的轉(zhuǎn)子型線設(shè)計中采用了一系列新穎的方法和準(zhǔn)則,得到了全新的型線設(shè)計結(jié)果,本項目所設(shè)計的開啟式和半封閉式螺桿制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線均已獲得中國專利。3.2陰轉(zhuǎn)子汽體合力分配組成齒曲線確定后,螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計的關(guān)鍵是優(yōu)選各組成齒曲線參數(shù)的范圍。傳統(tǒng)的型線設(shè)計方法,僅從影響熱力性能的泄漏對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。利用改變組成齒曲線參數(shù),使通過轉(zhuǎn)子間接觸線和泄漏三角形的高壓制冷劑泄漏量盡可能小。在本項目的型線設(shè)計中,不僅注意了從減小泄漏的角度優(yōu)選參數(shù),還更進(jìn)一步地注意到了有關(guān)參數(shù)對轉(zhuǎn)子間力矩分配的影響。在螺桿壓縮機(jī)工作時,陰轉(zhuǎn)子齒面被接觸線分成作用有高、低壓制冷劑汽體壓力的兩部分。隨著轉(zhuǎn)子型線采用的組成齒曲線種類及其參數(shù)變化范圍的不同,其汽體合力矩有可能為正(即阻礙陰轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)),也有可能為負(fù)(即驅(qū)動陰轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn))。這說明在螺桿壓縮機(jī)中,雖然陽轉(zhuǎn)子與原動機(jī)相聯(lián),但在壓縮機(jī)工作時,有可能是陽轉(zhuǎn)子驅(qū)動陰轉(zhuǎn)子,也有可能是陰轉(zhuǎn)子驅(qū)動陽轉(zhuǎn)子。顯然,這種轉(zhuǎn)子間的力矩分配對壓縮機(jī)的噪聲和COP均有重要影響,且轉(zhuǎn)子間傳遞的力矩越小,壓縮機(jī)性能就越好。圖10示出了某種型線的陰轉(zhuǎn)子齒頂高對陰轉(zhuǎn)子汽體合力矩的影響。SCCAD軟件的計算結(jié)果表明,國內(nèi)原來聯(lián)合設(shè)計的單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的陰轉(zhuǎn)子汽體合力矩為負(fù),其大小是壓縮機(jī)輸入力矩的15%左右。在國內(nèi)也有應(yīng)用的SRM-D型線的陰轉(zhuǎn)子汽體合力矩為正,其大小為壓縮機(jī)輸入力矩的10%~15%。在本項目的型線設(shè)計中,則有意識地將陰轉(zhuǎn)子上的汽體合力矩接近零。這樣,在壓縮機(jī)工作時,陽轉(zhuǎn)子只需克服作用在陰轉(zhuǎn)子上的摩擦阻力矩,即可驅(qū)動陰轉(zhuǎn)子,十分有助于降低噪聲和提高COP。3.3型線本構(gòu)模型轉(zhuǎn)子型線設(shè)計中的另一項關(guān)鍵技術(shù)是轉(zhuǎn)子間嚙合間隙的設(shè)定。為了補償加工誤差和轉(zhuǎn)子工作時的受力變形及受熱膨脹,需要在理論型線的基礎(chǔ)上,設(shè)定各點的間隙,并根據(jù)由此得到的實際型線進(jìn)行轉(zhuǎn)子的加工。傳統(tǒng)的間隙設(shè)定方法是等距型線法和等距型面法,兩種方法都沒有考慮型線各部分變形量的不同。在本項目的型線嚙合間隙設(shè)定中,則利用有限元方法對型線各部分的變形進(jìn)行了具體的分析和計算,形成了設(shè)定嚙合間隙的“不等距法”。另外,由于在節(jié)圓上,陰、陽轉(zhuǎn)子是純滾動,轉(zhuǎn)子間沒有相對滑動速度,在本項目的嚙合間隙設(shè)定中,又在節(jié)圓附近的驅(qū)動側(cè)和非驅(qū)動側(cè),均有意識地進(jìn)一步減小間隙,設(shè)置了長度為2~4mm的驅(qū)動帶,從而保證了在壓縮機(jī)工作時,陰、陽轉(zhuǎn)子僅在節(jié)圓附近以純滾動的方式接觸和傳遞力矩,對進(jìn)一步降低噪聲和提高COP起到了幫助作用。4壓縮機(jī)的設(shè)計所開發(fā)的開啟式和半封閉式螺桿制冷壓縮機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作是在轉(zhuǎn)子型線設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行。在設(shè)計過程中,也充分利用了SCCAD設(shè)計計算軟件,并針對螺桿壓縮機(jī)的工作過程,進(jìn)一步深入開展了試驗研究,錄取了這種壓縮機(jī)在變工況及部分負(fù)荷時的p-V圖,從而使所設(shè)計壓縮機(jī)的吸排氣、噴油和補氣等孔口都具有最優(yōu)化的位置和大小。在整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,還設(shè)計了一種新穎的冷量和內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。通過控制相關(guān)油路上的電磁閥,即可同時調(diào)節(jié)冷量和內(nèi)容積比,簡單可靠,已獲得國家專利。4.1孔口設(shè)計(1)降低系統(tǒng)噴入位置在螺桿制冷壓縮機(jī)中,還可以采用另一種冷卻方式,即向壓縮機(jī)機(jī)體內(nèi)噴入制冷劑液體。制冷劑液體被噴入壓縮機(jī)后,由于吸收了壓縮過程所產(chǎn)生的能量而很快被氣化,氣化過程中所吸收的氣化潛熱,可使油、氣混合物的溫度降到所規(guī)定的數(shù)值。這種冷卻方式使從氣體中分離出來的潤滑油可直接供給壓縮機(jī),而不需進(jìn)一步冷卻。噴液制冷循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是:油冷卻器及所有的閥、冷卻介質(zhì)、流動管道及控制部分均可以省去,從而節(jié)省了大量的費用。當(dāng)然,在這種系統(tǒng)中,原來的油冷卻器傳走的熱量被轉(zhuǎn)移到了冷凝器,因而冷凝器的熱負(fù)荷將變大。在噴液制冷循環(huán)系統(tǒng)中,噴入的制冷劑液體量由恒溫控制閥來調(diào)節(jié)。這種控制閥通過檢測壓縮機(jī)的排氣溫度,來調(diào)節(jié)噴入的液體量,從而使排氣溫度控制在所設(shè)定的范圍內(nèi)。在有些工況下,當(dāng)壓縮機(jī)的油氣混合物離開壓縮機(jī)時,尚有部分制冷液體正在蒸發(fā),這將影響到油分離器的工作,導(dǎo)致過多的潤滑油隨氣體一起進(jìn)入冷凝器。所以在允許的條件下,盡量提高壓縮機(jī)排氣溫度的設(shè)定值。制冷劑液體噴入壓縮機(jī)的位置在壓縮過程后期,以減少對壓縮機(jī)性能的影響。若在吸氣結(jié)束后立即噴入,則蒸發(fā)出的氣體的壓力將接近于吸氣壓力,在被壓縮至排氣的過程中,消耗的功會相應(yīng)增加。另一方面,由于制冷系統(tǒng)的冷凝溫度及由此決定的壓縮機(jī)排氣壓力隨季節(jié)和時間而變,因而會使供噴入的制冷劑液體壓力也隨之改變。在有些情況下,可能出現(xiàn)壓縮機(jī)的內(nèi)壓比大于外壓比的現(xiàn)象,從而影響到制冷劑液體的正常噴入。所以,在設(shè)計制冷劑的噴入位置時,應(yīng)考慮這一因素,以保證在最惡劣的工況下,也有足夠的制冷劑來進(jìn)行冷卻。在一些系統(tǒng)中,可采用多路供液管線,這樣在特定工況下,就可以選擇最合適的一條路。(2)提前排氣的原因螺桿壓縮機(jī)的吸排氣口的位置和大小設(shè)計的合理性,是實現(xiàn)氣體內(nèi)壓縮的必要條件,從而確定壓縮機(jī)的吸排氣壓力和內(nèi)壓比,是影響壓縮機(jī)的效率的重要因素。保證壓縮機(jī)吸氣充分可減少流動損失,保證內(nèi)壓比。但是一旦型線設(shè)計完成后,理想的吸排氣口可以確定,但是受壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和工藝性的影響,理想的吸排氣口位置和形狀是難以保證的。通過大量的實驗,我們在吸排氣口的設(shè)計上建立了對COP和噪聲影響的關(guān)鍵點,比如:過壓縮和欠壓縮的影響程度;徑向孔口和軸向孔口的影響程度,吸氣不足與外泄漏的影響程度,提前排氣降壓的設(shè)計;排氣孔口的形狀等。(3)cop和噪音的具體位置同樣,噴油孔口與補氣孔口一樣,理論計算位置受結(jié)構(gòu)和工藝的影響,再者,不同的工況也不可能多處開孔,所以,最合理的位置還是要通過實驗確定,其具體位置對于COP和噪音的影響有多大。4.2壓縮機(jī)內(nèi)噴油壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子齒頂與機(jī)殼間的間隙、排氣端間隙設(shè)計是螺桿壓縮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一項關(guān)鍵技術(shù),它體現(xiàn)了追求性能與可靠性的矛盾。為此,我們開展了螺桿壓縮機(jī)內(nèi)噴油的可視化研究。壓縮機(jī)各間隙泄漏如圖11所示。壓縮機(jī)容積效率與間隙泄漏的關(guān)系如圖12所示。(1)防高壓漏壓器特性由于受到離心力的作用,噴入壓縮腔的潤滑油會很快運動到轉(zhuǎn)子齒頂,轉(zhuǎn)子齒頂與機(jī)殼間的間隙中,始終充滿潤滑油,能有效防止高壓制冷劑從高壓齒槽向低壓齒槽的泄漏。這表明為防止轉(zhuǎn)子與機(jī)殼咬傷,轉(zhuǎn)子與機(jī)殼間的間隙可以適當(dāng)增大。但是對于不同長徑比的轉(zhuǎn)子,同樣的外徑尺寸,同樣的間隙對性能的影響各不相同,再者,間隙的大小還取決于轉(zhuǎn)子材料和殼體材料的熱膨脹性。(2)排氣端間隙的確定通過可視化試驗,排氣端間隙的密封較差,而排氣端各齒槽間又存在高低壓差,所以,排氣端間隙越小越好,通過實驗,只要在制造環(huán)節(jié)控制好零部件的行為公差,加上選用日本NSK高精度小游隙軸承,將轉(zhuǎn)子的工作伸縮量在吸氣端間隙考慮,在壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)保護(hù)中建立防反轉(zhuǎn)保護(hù),排氣端間隙完全可以實現(xiàn)最小值,而對可靠性沒有影響。4.3轉(zhuǎn)子受軸向力的狀況在螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子上作用有軸向力和徑向力。徑向力是由于轉(zhuǎn)子兩側(cè)所受壓力不同而產(chǎn)生的,其大小與轉(zhuǎn)子直徑、長徑比、內(nèi)壓比及運行工況有關(guān)。由于轉(zhuǎn)子一端是吸氣壓力,另一端是排氣壓力,再加上內(nèi)壓縮過程的影響,以及一個轉(zhuǎn)子驅(qū)動另一個轉(zhuǎn)子等因素,便產(chǎn)生了軸向力。另外,由于內(nèi)壓縮的存在,排氣端的徑向力要比吸氣端大。由于轉(zhuǎn)子形狀及壓力的作用面積不同,兩轉(zhuǎn)子的所受的徑向力大小也不一樣,實際上陰轉(zhuǎn)子的徑向力較大。因此承受徑向力的軸承負(fù)荷由大到小依次是:陰轉(zhuǎn)子排氣端軸承、陽轉(zhuǎn)子排氣端軸承、陰轉(zhuǎn)子吸氣端軸承、陽轉(zhuǎn)子吸氣端軸承。同樣,兩轉(zhuǎn)子所受軸向力的大小也不同,陽轉(zhuǎn)子受力較大。軸向力之間的差別比徑向力差別大得多,陽轉(zhuǎn)子所受的軸向力大約是陰轉(zhuǎn)子的四倍。螺桿壓縮機(jī)所用的軸承有滾動軸承和滑動軸承兩種。(1)軸承工作壽命的測定向心軸承分為球軸承和滾子軸承,滾動軸承游隙小,摩擦損耗小,維護(hù)比較簡單,有利于提高壓縮機(jī)的效率。但這些軸承都有一個工作壽命,它是根據(jù)軸承的負(fù)荷、速度、結(jié)構(gòu)材料、溫度和潤滑狀況而計算出來的數(shù)值。滾動軸承的承載能力隨著軸承直徑的增大而增大,但是它沒有軸向載荷隨轉(zhuǎn)子直徑的增大速度快,這意味著在中小型壓縮機(jī)中,滾動軸承的壽命較長。在大型螺桿壓縮機(jī)中,滾動軸承由于壽命太短,有時很難采用。(2)好的過濾能力和油滑動軸承又稱為流體動力軸承,是指軸被油膜支撐起來。軸承內(nèi)油膜的形成取決于軸承的結(jié)構(gòu)形狀。既然軸運行在油膜上,因而也就不存在機(jī)械磨損部件,也無所謂軸承壽命。所以,只要軸承被充以適當(dāng)粘度和品質(zhì)的潤滑油,工作在適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟认?并且油被很好的過濾,滑動軸承將永遠(yuǎn)工作下去。在大載荷的螺桿制冷壓縮機(jī)中,由于使用滾動軸承壽命太短,往往采用滑動軸承,值得指出的是,螺桿壓縮機(jī)的徑向力無法消除,必須全部由軸承來承擔(dān)。在小載荷的螺桿制冷,特別是半封螺桿制冷壓縮機(jī)和普通的螺桿制冷壓縮機(jī)