渦旋壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

渦旋壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1905年，法國工程師克拉斯（cruex）發(fā)明了渦旋壓縮機(jī)的原理，并在美國申請了專利。之后近70年都沒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,客觀上則由于尚沒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),隨后日本國日立、松下;美國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1800萬臺渦旋壓縮機(jī)。在國內(nèi),渦旋壓縮機(jī)的研發(fā)工作開始于1986年,目前廣州萬寶電器集團(tuán)公司、廣州渦旋壓縮機(jī)實業(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,即兼有容積式和回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的優(yōu)勢。目前渦旋壓縮機(jī)的功率范圍是0.746～18.642kW,美國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)測渦旋壓縮機(jī)今后的發(fā)展方向。1指數(shù)化的評價線渦旋壓縮機(jī)能夠正常工作的條件就是動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,在幾何計算時完全可以僅討論其投影的渦線,即把空間嚙合問題轉(zhuǎn)化為平面嚙合問題。常見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縮腔的裝配評判一般型線的標(biāo)準(zhǔn)有如下準(zhǔn)則:(1)從小型化來考慮,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,型線的泄漏線長度要短,相鄰壓縮腔的壓差之間要小。(3)從平衡性來考慮,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(對十字滑環(huán))。(4)從流動阻力來考慮,吸排氣孔口要大。(5)從加工和檢測的角度考慮,應(yīng)該易于加工和檢測以降低成本。(6)從提高效率考慮,應(yīng)減少摩擦功耗,減少各種相對運動件之間的相互接觸力。(7)從運行的精度考慮,各作用力方向的符號應(yīng)避免變化,且保證合適的嚙合間隙。文獻(xiàn)對幾種常見渦旋型線的各種工作性能作了比較。1.2錨點初始端的修正在用單刀雙面切削方法加工時,刀具圓和渦圈始端常發(fā)生干涉,會使渦旋始端形成尖角,易于變形損壞,另一方面余隙容積會使排氣過程穩(wěn)定性降低,增加功耗,產(chǎn)生氣流脈動和噪聲。所以常常對渦旋始端進(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。對渦旋型線始端進(jìn)行修正設(shè)計時,應(yīng)注意以下原則:(1)被修正后的動靜渦盤始端型線應(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程時,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,往往需要滿足較大壓力比要求,此時若采用傳統(tǒng)的圓漸開線及其修正線型線,就需要較多的渦旋圈數(shù),從而使泄漏長度增加,壓縮機(jī)尺寸增大。為了解決這一問題,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)同時分析了排氣孔為圓孔的實際排氣過程,指出排氣損失主要出現(xiàn)在排氣開始和終了階段,并給出了對稱圓弧和對稱圓弧加直線修正的壓縮機(jī)的排氣孔設(shè)計的具體方法。2.2動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稱的,所以動、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)的振動和噪聲,作用在動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。所以說渦旋壓縮機(jī)一個關(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。動渦盤在靜渦盤和支架之間沿軸向浮動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,動渦盤的兩面有完全對稱的型線,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),但這種方法實施起來比較困難,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)確計算式和簡化計算式,并且與實際產(chǎn)品進(jìn)行了對比,證實了公式的正確性。還有一種方法是動渦盤上承受的軸向氣體力通過背面直接傳遞給支架,動渦盤背面與支架之間可以是滑動軸承(由表面直接形成)或平面推力軸承,或類似于滾動軸承的特殊結(jié)構(gòu)。對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)的一個渦旋盤由電機(jī)直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn),另一個渦旋盤由保持相對角度180°的十字連軸節(jié)帶動且沿相同的角度旋轉(zhuǎn)。雙轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的渦旋壓縮機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中徑向嚙合的密封線位置和方向不變。因此通過調(diào)節(jié)加在被動渦旋盤上的徑向外力就很容易密封其徑向泄漏,同時由于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的對稱性,其動力平衡性能也得到了改善。由于徑向氣體力相對較小且?guī)缀鯖]有變化,一般不做特別考慮。3對旋轉(zhuǎn)葉片的操作過程進(jìn)行模擬和力學(xué)分析對渦旋壓縮機(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)工作過程時把吸氣過程假設(shè)為準(zhǔn)靜態(tài)過程,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,但實際吸氣過程是一個動態(tài)的熱力過程。吸氣時,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)對吸氣過程進(jìn)行分析及實驗研究,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壓縮機(jī)吸氣量的影響可以忽略不計,所以渦旋壓縮機(jī)工作過程中的實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。吸氣過程的另一個問題就是吸氣加熱的問題,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)對于吸氣加熱對吸氣量的影響進(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。噴液可以是潤滑油、水、制冷劑等。當(dāng)向壓縮腔噴制冷劑時,會增加壓縮功,壓縮機(jī)的排氣溫度隨著制冷劑的噴入比的增大而降低,制冷劑的噴入會降低潤滑油的溫度,從而抑制壓縮功的增加。但當(dāng)噴入比過大時,將引起潤滑油粘性降低過大,同時由于制冷劑的過度溶解,潤滑油將生成泡沫從殼體流出。噴液的另一個優(yōu)點是可以減少泄漏。當(dāng)機(jī)器運轉(zhuǎn)時,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)面臨的一個重要問題是工質(zhì)的替代問題。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)的實驗研究,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)的一個重要方面,另一個方面則是由于較大的吸排氣壓差,需對渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的再設(shè)計。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。5錨點壓縮機(jī)的改進(jìn)綜觀目前渦旋壓縮機(jī)