渦旋壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

渦旋壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1905年，法國(guó)工程師克拉斯（cruex）發(fā)明了渦旋壓縮機(jī)的原理，并在美國(guó)申請(qǐng)了專利。之后近70年都沒(méi)有得到更深入的研究和發(fā)展。其原因在于其重要性未被充分認(rèn)識(shí),客觀上則由于尚沒(méi)有高精度的渦旋型線加工設(shè)備。70年代的能源危機(jī)和數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展給渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。1981年日本三菱重工推出了汽車空調(diào)渦旋壓縮機(jī)工業(yè)性樣機(jī),隨后日本國(guó)日立、松下;美國(guó)Carrier、Copeland都加入到渦旋壓縮機(jī)研究、開發(fā)及工業(yè)化生產(chǎn)的行列,主導(dǎo)產(chǎn)品為柜式空調(diào)渦旋壓縮機(jī)。美國(guó)Copeland公司是目前全球渦旋壓縮機(jī)生產(chǎn)規(guī)模最大的廠家之一,現(xiàn)在它已經(jīng)生產(chǎn)了超過(guò)1800萬(wàn)臺(tái)渦旋壓縮機(jī)。在國(guó)內(nèi),渦旋壓縮機(jī)的研發(fā)工作開始于1986年,目前廣州萬(wàn)寶電器集團(tuán)公司、廣州渦旋壓縮機(jī)實(shí)業(yè)有限公司、西安大金、西安泰德壓縮機(jī)有限公司、大連三洋和美國(guó)Copeland公司在蘇州建立的工廠等幾家企業(yè)都在批量生產(chǎn)渦旋壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)具有高效率、轉(zhuǎn)距變化小、對(duì)制冷液滴(即液擊)的容許度大、可靠性高,噪聲低,重量輕和尺寸小等特點(diǎn),即兼有容積式和回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)。目前渦旋壓縮機(jī)的功率范圍是0.746～18.642kW,美國(guó)Copeland已經(jīng)生產(chǎn)出目前全球最大的渦旋壓縮機(jī)(18.642kW,可能由幾臺(tái)功率小的壓縮機(jī)并聯(lián))。渦旋壓縮機(jī)以其自身的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)領(lǐng)域和其它特殊領(lǐng)域(如渦旋增壓機(jī))。本文就最近幾年國(guó)內(nèi)外有關(guān)渦旋壓縮機(jī)方面的研究作一總結(jié),并預(yù)測(cè)渦旋壓縮機(jī)今后的發(fā)展方向。1指數(shù)化的評(píng)價(jià)線渦旋壓縮機(jī)能夠正常工作的條件就是動(dòng)渦盤與靜渦盤在壓縮腔內(nèi)能夠嚙合。而基于渦旋體直壁等高的形狀特性,在幾何計(jì)算時(shí)完全可以僅討論其投影的渦線,即把空間嚙合問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面嚙合問(wèn)題。常見(jiàn)的渦旋型線有基圓漸開線、正多邊形漸開線、線段漸開線、半圓漸開線、阿基米德螺旋線、代數(shù)螺旋線、變徑基圓漸開線、包絡(luò)型線、以及通用型線等。由于圓的漸開線容易加工,并且該型線的壓縮機(jī)有良好的工作性能,所以目前應(yīng)用的型線以圓漸開線為主。1.1縮腔的裝配評(píng)判一般型線的標(biāo)準(zhǔn)有如下準(zhǔn)則:(1)從小型化來(lái)考慮,應(yīng)采用吸氣容積大的型線。(2)從容積效率考慮,為了減少泄漏,型線的泄漏線長(zhǎng)度要短,相鄰壓縮腔的壓差之間要小。(3)從平衡性來(lái)考慮,各零件間的作用力及其變化幅度要小,尤其是氣體阻力矩、傾覆力矩和往復(fù)慣性力(對(duì)十字滑環(huán))。(4)從流動(dòng)阻力來(lái)考慮,吸排氣孔口要大。(5)從加工和檢測(cè)的角度考慮,應(yīng)該易于加工和檢測(cè)以降低成本。(6)從提高效率考慮,應(yīng)減少摩擦功耗,減少各種相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間的相互接觸力。(7)從運(yùn)行的精度考慮,各作用力方向的符號(hào)應(yīng)避免變化,且保證合適的嚙合間隙。文獻(xiàn)對(duì)幾種常見(jiàn)渦旋型線的各種工作性能作了比較。1.2錨點(diǎn)初始端的修正在用單刀雙面切削方法加工時(shí),刀具圓和渦圈始端常發(fā)生干涉,會(huì)使渦旋始端形成尖角,易于變形損壞,另一方面余隙容積會(huì)使排氣過(guò)程穩(wěn)定性降低,增加功耗,產(chǎn)生氣流脈動(dòng)和噪聲。所以常常對(duì)渦旋始端進(jìn)行修正,從而改善型線的加工特性、壓縮機(jī)的熱力性能和力學(xué)性能。對(duì)渦旋型線始端進(jìn)行修正設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意以下原則:(1)被修正后的動(dòng)靜渦盤始端型線應(yīng)該是互相嚙合的,修正段與非修正段的連接應(yīng)是光滑連續(xù)的。(2)應(yīng)增加起始端型線的壁厚,并考慮熱膨脹的影響。(3)當(dāng)渦旋型線始端處在壓縮過(guò)程時(shí),不得導(dǎo)致壓縮腔與排氣孔的任何連通現(xiàn)象。目前常采用始端經(jīng)過(guò)修正的完全嚙合型線(PMP)。修正的方法有:圓弧修正、直線圓弧修正、多段圓弧修正、二次曲線修正和三角函數(shù)修正等。當(dāng)渦旋壓縮機(jī)用于制冷系統(tǒng)或用于壓縮空氣時(shí),往往需要滿足較大壓力比要求,此時(shí)若采用傳統(tǒng)的圓漸開線及其修正線型線,就需要較多的渦旋圈數(shù),從而使泄漏長(zhǎng)度增加,壓縮機(jī)尺寸增大。為了解決這一問(wèn)題,已經(jīng)開發(fā)出了組合曲線型線,該類型的型線可以在較少的渦旋圈數(shù)的情況下達(dá)到較高的壓力比。目前的難度在于組合型線的加工特性,如果能夠解決該類型型線的加工,就有望被廣泛應(yīng)用。2軸及防偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)渦旋壓縮機(jī)的主要零件包括動(dòng)渦盤、靜渦盤、支架、偏心軸及防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)研究的目的在于使壓縮機(jī)獲得較高的性能和可靠性。目前的研究有背壓腔及背壓孔的研究、防自傳機(jī)構(gòu)的研究、排氣孔口的研究、偏心主軸的平衡研究等。2.1調(diào)整排氣孔的面積和高度文獻(xiàn)指出排氣孔的開設(shè)要遵循以下原則:轉(zhuǎn)角為θ*(開始排氣角)時(shí)壓縮終了的氣體與排氣孔(即中心壓縮腔)貫通,以免附加功耗損失;任何時(shí)刻排氣孔不能與中心壓縮腔以外的腔相連;排氣孔應(yīng)始終與中心壓縮腔相連,以免導(dǎo)致腔內(nèi)壓力急劇上升;排氣孔的面積應(yīng)盡可能大,以減少排氣損失;追求較高的排氣孔口截面積和小的面積變化率。文獻(xiàn)同時(shí)分析了排氣孔為圓孔的實(shí)際排氣過(guò)程,指出排氣損失主要出現(xiàn)在排氣開始和終了階段,并給出了對(duì)稱圓弧和對(duì)稱圓弧加直線修正的壓縮機(jī)的排氣孔設(shè)計(jì)的具體方法。2.2動(dòng)潮盤和背壓盤平衡的方法更有利于渦旋壓縮機(jī)的各同名壓縮腔都是對(duì)稱的,所以動(dòng)、靜渦旋盤上承受著相同的氣體力。作用在靜渦旋盤上的氣體力最終傳遞到殼體上,引起壓縮機(jī)的振動(dòng)和噪聲,作用在動(dòng)渦旋盤上的氣體力直接影響著壓縮機(jī)的容積效率和機(jī)械效率。所以說(shuō)渦旋壓縮機(jī)一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)就是氣體力的平衡。軸向氣體力平衡是渦旋壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一。動(dòng)渦盤在靜渦盤和支架之間沿軸向浮動(dòng)并且承受很大的軸向氣體力作用,力的大小是隨主軸轉(zhuǎn)角和工況變化的。由于軸向氣體力的存在,不僅引起壓縮腔軸向間隙的擴(kuò)大,而且產(chǎn)生很大的摩擦功耗。一種平衡軸向氣體力的方法就是采用雙作用渦旋盤,動(dòng)渦盤的兩面有完全對(duì)稱的型線,分別與兩側(cè)的靜渦旋盤型線嚙合。這種結(jié)構(gòu)的兩側(cè)氣體力完全平衡,可以減少軸向磨損、氣體泄漏,同時(shí)有利于尺寸的利用,適合于較大排氣量的壓縮機(jī),但這種方法實(shí)施起來(lái)比較困難,原因是加工精度難以保證。另一種平衡軸向氣體力的方法就是采用背壓機(jī)構(gòu),包括背壓孔和背壓腔。文獻(xiàn)詳細(xì)研究了背壓孔的開設(shè)區(qū)域,提供了背壓孔位置的準(zhǔn)確計(jì)算式和簡(jiǎn)化計(jì)算式,并且與實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比,證實(shí)了公式的正確性。還有一種方法是動(dòng)渦盤上承受的軸向氣體力通過(guò)背面直接傳遞給支架,動(dòng)渦盤背面與支架之間可以是滑動(dòng)軸承(由表面直接形成)或平面推力軸承,或類似于滾動(dòng)軸承的特殊結(jié)構(gòu)。對(duì)于徑向氣體力的平衡,可以采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。雙轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)的渦旋壓縮機(jī)也稱作自傳型壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的一個(gè)渦旋盤由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn),另一個(gè)渦旋盤由保持相對(duì)角度180°的十字連軸節(jié)帶動(dòng)且沿相同的角度旋轉(zhuǎn)。雙轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的渦旋壓縮機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中徑向嚙合的密封線位置和方向不變。因此通過(guò)調(diào)節(jié)加在被動(dòng)渦旋盤上的徑向外力就很容易密封其徑向泄漏,同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的對(duì)稱性,其動(dòng)力平衡性能也得到了改善。由于徑向氣體力相對(duì)較小且?guī)缀鯖](méi)有變化,一般不做特別考慮。3對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片的操作過(guò)程進(jìn)行模擬和力學(xué)分析對(duì)渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)分析的目的在于降低各種損失,提高壓縮機(jī)的工作效率和可靠性。3.1空氣壓縮和煙氣回收通常分析渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程時(shí)把吸氣過(guò)程假設(shè)為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,即從工質(zhì)開始進(jìn)入吸氣腔到吸氣腔封閉形成行程容積為止,其狀態(tài)保持不變,但實(shí)際吸氣過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的熱力過(guò)程。吸氣時(shí),在工作容積擴(kuò)張階段,由于吸氣背壓力的作用,工質(zhì)氣體可以迅速充滿吸氣腔空間,并保持狀態(tài)一致,當(dāng)工作容積達(dá)到最大限度后開始收縮,出現(xiàn)預(yù)壓縮現(xiàn)象。文獻(xiàn)對(duì)吸氣過(guò)程進(jìn)行分析及實(shí)驗(yàn)研究,指出渦旋壓縮機(jī)在行程容積封閉前存在預(yù)壓縮現(xiàn)象,由預(yù)壓縮而引起的吸入氣體回流對(duì)壓縮機(jī)吸氣量的影響可以忽略不計(jì),所以渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程中的實(shí)際吸氣量大于理論行程容積,有利于改善壓縮機(jī)的容積效率,提高空間利用率。吸氣過(guò)程的另一個(gè)問(wèn)題就是吸氣加熱的問(wèn)題,低壓氣體往往在進(jìn)入壓縮腔以前被排出的較高溫度的氣體或電機(jī)散發(fā)的熱量加熱,其結(jié)果將導(dǎo)致吸氣量的減少及制冷系統(tǒng)COP值的降低。文獻(xiàn)對(duì)于吸氣加熱對(duì)吸氣量的影響進(jìn)行了分析。3.2壓縮腔噴液的使用渦旋壓縮機(jī)的壓比在一定程度上受渦旋盤工作溫度的制約,特別是在無(wú)油的壓縮機(jī)中,噴液冷卻更是保證型線和軸承可靠工作的重要手段。噴進(jìn)工作腔的液體經(jīng)由分離器或凈化器后循環(huán)使用。噴液可以是潤(rùn)滑油、水、制冷劑等。當(dāng)向壓縮腔噴制冷劑時(shí),會(huì)增加壓縮功,壓縮機(jī)的排氣溫度隨著制冷劑的噴入比的增大而降低,制冷劑的噴入會(huì)降低潤(rùn)滑油的溫度,從而抑制壓縮功的增加。但當(dāng)噴入比過(guò)大時(shí),將引起潤(rùn)滑油粘性降低過(guò)大,同時(shí)由于制冷劑的過(guò)度溶解,潤(rùn)滑油將生成泡沫從殼體流出。噴液的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以減少泄漏。當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),將具有一定壓力的液體噴入工作腔,利用附著在工作腔壁上的液膜層減少其工作介質(zhì)泄漏通道的實(shí)際間隙,從而達(dá)到減少介質(zhì)泄漏量的目的。4其他研究4.1標(biāo)準(zhǔn)曲線質(zhì)壓的容積效率目前渦旋壓縮機(jī)在制冷空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛,而制冷空調(diào)行業(yè)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是工質(zhì)的替代問(wèn)題。替代工質(zhì)主要有R134a,R407c,R410a和自然工質(zhì)CO2(R744)。文獻(xiàn)介紹了CO2渦旋壓縮機(jī)的數(shù)值模擬及詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)果表明渦旋壓縮機(jī)的容積效率隨轉(zhuǎn)速的增加而增大;雖然CO2做工質(zhì)時(shí)壓縮機(jī)的吸排氣壓差比R410a大得多,但容積效率差別并不是很大;對(duì)損失進(jìn)行理論分析,認(rèn)為推力軸承的損失占總損失的比重很大,所以推力軸承損失的降低是CO2渦旋壓縮機(jī)改進(jìn)的一個(gè)重要方面,另一個(gè)方面則是由于較大的吸排氣壓差,需對(duì)渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的再設(shè)計(jì)。4.2盤加工方法的選擇渦旋盤是渦旋壓縮機(jī)的核心零件,具有較高的形位精度和尺寸精度要求。實(shí)際使用中的渦旋盤加工方法有展成法和數(shù)值逼近法。展成法雖加工簡(jiǎn)單,但只可以加工漸開線,不適用于近年開發(fā)出的修正型線和別的復(fù)雜型線。數(shù)值逼近法可以加工任意形狀的型線。文獻(xiàn)研究表明,采用阿基米德螺線逼近的方法進(jìn)行數(shù)值逼近具有高的逼近精度、少的逼近程序段的特點(diǎn)。5錨點(diǎn)壓縮機(jī)的改進(jìn)綜觀目前渦旋壓縮機(jī)