三維渦旋式壓縮機開發(fā)

1、三維渦旋式壓縮機的發(fā)展H 佐藤1，M 藤谷2，H 小林2，H 水野2，和T 伊藤1 1名古屋研究與發(fā)展中心，日本三菱重工業(yè)株式會社，日本名古屋 2空調(diào)和制冷系統(tǒng)的總部，三菱重工有限公司， 3-1朝日西枇杷島町清須市，愛知縣452-8561，日本 這份手稿收到62007年12月修訂后接受出版于2008年9月16日 DOI：10.1243/09544089JPME189摘要：渦旋式壓縮機由于其高效率，低振動等優(yōu)點已應用于各種機械。為進一步改善渦旋式壓縮機的性能。作者已經(jīng)開發(fā)出一種新的概念三維壓縮機構（三維渦盤）。其原理是在原有的常規(guī)徑向壓縮上增加一個軸向壓縮。通過實現(xiàn)三維壓縮，原有的傳統(tǒng)渦旋式壓縮

2、機所不能達到的高效率，高可靠性和較小的尺寸將得以實現(xiàn)。由于三維渦旋壓縮在渦旋頂端和底端有階梯，所以改善三維渦旋壓縮效率的關鍵點就是盡量減少在階梯處的氣體泄漏。通過氣缸的壓力測量和可視化測試，可以觀測出這些階梯中的泄漏特征，并且確定最佳的間隙范圍。在此基礎上，作者已經(jīng)開發(fā)出效率高，體積小，重量輕的三維渦旋壓縮機商用空調(diào)。這種三維渦旋壓縮機縮小了35的尺寸， 減輕了26 的重量，而且與現(xiàn)有渦旋式壓縮機增加了5.5的效率。關鍵詞：壓縮機設計，制冷，監(jiān)控，性能，開發(fā)，仿真1. 簡介為了應對全球氣候變暖，從環(huán)境保護的角度出發(fā)，節(jié)能的需求已得到了普遍的認可。由于制冷和空調(diào)裝置的大部分能耗在壓縮機造成的，所

3、以提高壓縮機的效率是很有效的節(jié)能方法。此外，這些設備的安裝空間往往很有限。因此，包括壓縮機在內(nèi)，每個部件的微型化是很有必要的，這樣可以加強機器安裝的適應性。如今，渦旋式壓縮機由于其高效率，低振動等優(yōu)點開始越來越多地應用于各種設備，滿足了許多節(jié)能需求。為了進一步提高渦旋式壓縮機的性能，作者開發(fā)了一種新概念的三維渦旋式壓縮機（三維渦盤），該壓縮機的原理是在常規(guī)的渦旋式壓縮機的徑向壓縮上增加了一個軸向壓縮。本文介紹了三維渦盤中提高效率的技術以及商用空調(diào)中三維渦旋壓縮機的發(fā)展和應用。2. 三維渦旋壓縮機的結構2.1 三維渦旋壓縮機的特性圖1顯示了作者開發(fā)的用于商用空調(diào)的三維渦旋式壓縮機以及其動渦旋盤的

4、照片。制冷劑氣體通過放置在壓縮機側(cè)面的吸入管流入。然后，到達壓縮腔，沿外側(cè)移動到到內(nèi)側(cè)并且被壓縮。被壓縮的制冷劑從靜渦旋盤的中央排出。圖1 三維渦旋式壓縮機圖2 常規(guī)渦旋式壓縮機與三位渦旋式壓縮機的剖視圖圖2表示的是傳統(tǒng)渦旋式壓縮機和三維渦旋式壓縮機截面的示意圖。傳統(tǒng)渦旋盤的渦旋齒的高度在整個壓縮過程中恒定的，并且制冷劑從外側(cè)到內(nèi)側(cè)由于二維面積不斷減小，腔室也不斷地被壓縮。對于三維渦旋式壓縮機，相比之下，通過設計增加階梯來增加渦旋頂端和底端之間的距離，使得壓縮腔的外側(cè)比內(nèi)側(cè)高。因此，三維渦旋式壓縮，即在徑向和軸向上同時壓縮成為可能。三維渦旋式壓縮機具有以下特征：（1） 徑向和軸向的同時壓縮能夠

5、為壓縮機提供更高的壓縮比。（2） 內(nèi)側(cè)的渦旋齒承受著高負荷，通過減小它們的高度可以提高渦旋齒的強度和可靠性。（3） 增加外側(cè)渦旋齒高度不僅提供了更大的壓縮容量，而且避免了增加渦旋齒的外圓直徑，因此，三維渦旋式壓縮機具有更小的尺寸和更輕的重量。2.2 三維渦旋式壓縮機的壓縮原理和間隙泄漏圖3表示的是三維渦旋式壓縮機的壓縮原理。三維渦旋式壓縮機的頂端和底端設有階梯（頂端階梯和底端階梯）。當頂端階梯和底端階梯沒有銜接時（如圖3的（b）和（d）所示），壓縮腔通過階梯處的側(cè)面縫隙相連，壓力相等。因此，階梯處不會產(chǎn)生泄漏。另一方面，當頂端階梯和底端階梯結合時（如圖3的（a）和（c）所示），密封線由兩個階梯

6、公同結合形成。圖3 三維渦旋式壓縮機的原理圖3還給出了階梯的放大圖以及動盤沿渦旋方向的剖視圖。位于階梯的泄漏間隙（以下簡稱階梯間隙）可大致分為軸向間隙和徑向間隙，氣體從高壓腔到低壓腔的主要泄漏途徑就是這些泄漏間隙。因此，改進三維渦旋式壓縮機的關鍵點在于通過優(yōu)化階梯間隙來減小氣體泄漏。3. 三維渦旋式壓縮機效率的提高3.1 階梯間隙的優(yōu)化綜上所述，對于三維渦旋式壓縮機，減小階梯處的氣體泄漏十分重要。為了研究階梯間隙的泄漏特性，需要進行氣缸壓力測量，并從P-V圖中得出指示效率。圖4給出了一個測量例子的P-V圖。從圖中 可以得出：當階梯間隙較小，壓力曲線重疊為理想曲線。然而，當階梯間隙較大時，由于氣

7、體泄漏增大，壓力曲線偏離理想曲線。圖4 P-V圖圖5表示了從P-V圖中得到的階梯間隙對指示效率i變化的影響。圖5（a）表示的是當徑向間隙是固定的，而軸向間隙是變化時的圖像。而圖5（b）表示的是當軸向間隙是固定的而徑向間隙是變化時的圖像。指示效率比的定義是當/0=1時，指示效率的比值即為指示效率比。從圖5（a）可以看出，隨著軸向間隙的減小，指示效率升高。然而，當軸向間隙較小時指示效率存在峰值是因為，間隙小的情況下，間隙中會填充有油，因此，氣體的泄露得以減小。從圖5（b）也可以看出當徑向間隙變化的時候，指示效率也存在同樣的變化趨勢。結果表明，可以通過設定階梯間隙來減小泄漏損失。其設定范圍的最小值由

8、型線、熱變形和壓力變形的公差來確定，最大值由指示效率所允許的極限值來決定。圖5 不同階梯間隙對應的指示效率的變化3.2 階梯間隙泄漏的靈敏度下一步需要考慮的是階梯間隙泄漏的靈敏度。軸向間隙和徑向間隙的泄漏流量將分別通過實驗和分析方法得出。每處間隙的泄漏的靈敏度將通過下面的步驟得出：（1） 由容器壓力測試根據(jù)軸向間隙或徑向間隙的變化分別繪制出兩張P-V圖。（2） 泄漏分析需要考慮到質(zhì)量和熱量的平衡。在此假設泄漏流量G可以等同于噴管流量的計算方法，如下：其中C是流量系數(shù)，A為間隙的面積， P1和P2分別為在入口和出口處的壓力，1是流體的入口的密度，為比熱。（3） 流量系數(shù)Ctip和Cside由前面

9、容器壓力測試繪制的P-V圖比較分析得出。在這次試驗中，共有45種不同的溶劑壓力測試情況（軸向間隙3種，徑向間隙3種以及操作條件5種），我們針對不同的情況作了相應的分析。結果表明，流量系數(shù)Ctip和Cside之間關系如下：Cside = 1.7 Ctip這表明在相同的面積下徑向間隙的泄漏比軸向間隙的泄漏大。其原因在于徑向間隙和軸向間隙的縱向形狀有差異。徑向間隙是由兩個圓形墻壁（頂端階梯和底端階梯）組成。因此，徑向間隙在泄漏流量方向上的長度比外圍短，而軸向間隙的長度等于外圍長度。3.3 階梯間隙泄漏流量的可視化可視化測試是用來檢驗階梯間隙處的泄露問題。因此，我們制造了一部可以觀察泄露流量的原型機。

10、這種壓縮機在定盤的端板處裝配了一個特殊的視鏡。并對動渦旋盤的公轉(zhuǎn)運動以及泄漏流量的表現(xiàn)用高速攝像頭進行可視化處理。圖6為流量泄露的照片。每張照片的左側(cè)為低壓腔，右側(cè)為高壓腔。圖6（a），（b）和（c）表示出了油循環(huán)率（OCR）的變化。圖中畫圈處為徑向間隙。可以看出間隙中無油，當OCR很小時間隙處發(fā)生泄露（參照圖6（a）。另一方面，當OCR增大如圖6中（b）和（c）所示，間隙中填充有油且可以觀察到油隨著底端間隙流動。圖6中（d）和（e）顯示的是將OCR設定為一定值時間隙的變化量。當間隙較小時間隙中充滿了油，如圖6（d）。但是，當間隙較大時，如圖6（e）所示，間隙中不再填充有油導致泄漏發(fā)生。這表明

11、間隙的大小決定了密封階梯間隙的OCR值，同時將容器中的含油量設定成最佳值也十分重要。圖6 階梯間隙泄漏的可視化通過上述方法對開發(fā)的三維渦旋式壓縮機的階梯間隙進行優(yōu)化，使其能保證OCR維持在同一水平線上。3.4 推力軸承機械損失的減小在渦旋式壓縮機中，由于潤滑條件的差異，推力軸承的摩擦系數(shù)通常比軸頸軸承的摩擦系數(shù)高。因此推力軸承的機械損失占總的機械損失的很大一部分。因此，有必要對其作出改進，以減小推力軸承的損耗。推力軸承損失W推：W推=推F推（2N）其中推是推力軸承的摩擦系數(shù)，F(xiàn)推是推力，為軌道半徑，N為轉(zhuǎn)速。假設推力軸承的潤滑狀態(tài)和操作條件恒定，則推力軸承的虧損僅取決于推力和軌道半徑。圖7為常

12、規(guī)渦旋式壓縮機和三維渦旋式壓縮機的推力軸承的示意圖。在介紹三維渦旋式壓縮機的時候我們知道，外圍渦旋齒的高度可以設定為一個較高的值，并且與同等容量的常規(guī)渦旋式壓縮機相比，外廓直徑可以縮小。因此，承受容器壓力的端板面積可以減小，以減小推力。此外，回轉(zhuǎn)半徑也可以設為一較小值，以減小滑動距離。圖7 推力軸承示意圖在下一節(jié)描述的所開發(fā)的三維渦旋式壓縮機，渦旋外廓直徑和回轉(zhuǎn)半徑比前面分別減小了9和20個百分點。大幅減小了推力軸承的損耗。4. 開發(fā)中的三維渦旋式壓縮機的特點與常規(guī)的三維渦旋壓縮機相比主要的變化如下：（1） 應用了最新開發(fā)的三維渦旋盤。（2） 泄壓閥的安裝，避免了過度壓縮。（3） 應用了更高效

13、率的馬達。表一和圖8表示的是用于制成10PS商用空調(diào)的三維渦旋式壓縮機與同等容量的常規(guī)渦旋式壓縮機的比較。三維渦旋式壓縮機常規(guī)渦旋式壓縮機制冷量28KW28KW回轉(zhuǎn)半徑比3D/conv0.81.0外圍高度比L3D/Lconv1.241.0外直徑之比D3D/Dconv0.911.0表1 常規(guī)渦旋式壓縮機和三維渦旋式壓縮機的尺寸比較圖8 三維渦旋式壓縮機與常規(guī)渦旋式壓縮機的外形尺寸圖9顯示了三維渦旋壓縮機效率的提高。圖9（a）表示了運行壓力比隨著效率的變化。在該圖中，電動機在機械部件的性能上的效率從總的效率中消除了。三維渦旋式壓縮機的壓縮比可設定為比常規(guī)渦旋式壓縮機更高的值，并且因壓縮比不足而導致

14、的在壓縮損失會得到減小。進而高壓縮比條件下的效率得到顯著提升。這表明三維渦旋式壓縮機在諸如應用于寒冷地區(qū)和除氣體壓縮之外的制冷等高壓縮比運行環(huán)境時具有獨特的優(yōu)勢。另一方面，通過安裝泄壓閥避免抵押條件下的過度壓縮損失。泄壓閥的工作機理由圖9（b）所示。如果運轉(zhuǎn)壓力比比內(nèi)部壓力比低時，中間的壓縮腔中的壓力超過排出壓力，并產(chǎn)生壓力損失。通過在中間壓縮腔安裝泄壓閥，到達排出壓力的制冷劑通過泄壓閥被排放到排出室，使得中間壓縮腔以及泄壓閥的壓力保持在排放壓力。圖9 三維渦旋式壓縮機效率的提高圖10 損失的分類比較圖10分別給出了在額定條件（PD/PS=3.4）和高壓縮比條件（PD/PS=6.3）的容器壓力

15、測試。其損失率定義為與常規(guī)壓縮機總損耗的百分比值。下述為針對三維渦旋式壓縮機的改進措施：（1） 通過應用三維渦旋壓縮機以及階梯處泄漏損失（額定工況為12%，高壓力比工況為26%）的最小化等壓縮比的優(yōu)化措施減小指示損耗。（2） 通過三維渦旋式壓縮機機械零件的微型化減小機械損失（額定工況為15%，高壓力比工況為12%）（3） 通過應用高效率馬達，減少馬達的損失（15%）通過上述的改進措施，額定工況和高壓力比工況下的總效率分別提高了12.5%和5.5%。5. 總結通過研究三維渦旋式壓縮機效率提高的技術可以得出以下結論：（1） 當階梯間隙中有油封，間隙較小時，指示效率將會處在峰值。（2） 徑向間隙的流

16、動系數(shù)為軸向間隙的1.7倍。（3） 可視化試驗證明了階梯間隙中注油可以減小泄漏。（4） 減小外廓直徑和渦旋盤的回轉(zhuǎn)半徑可以減小推力軸承的損耗?；谏鲜鼋Y論，作者開發(fā)出了用于商業(yè)空調(diào)機的高效，小巧且輕便的三維渦旋式壓縮機。與常規(guī)渦旋式壓縮機相比具有以下優(yōu)點：（1） 相比之下，體積減小了35%，質(zhì)量減小了26%。（2） 額定工況下效率提高了5.5%，高壓縮比工況下效率提高了12.5%正如文中所描述的，作者已經(jīng)制作了應用三維渦旋式壓縮機的商用空調(diào)，燃氣泵，以及冷藏車的制冷機組，并計劃擴大三維渦旋式壓縮機在制冷機組、熱泵和汽車空調(diào)的應用。參考文獻1佐藤， H.，伊藤， T.和小林，H.摩擦特性推力軸承

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