三維渦旋式壓縮機(jī)開發(fā)

1、三維渦旋式壓縮機(jī)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(jī)由于其高效率，低振動等優(yōu)點(diǎn)已應(yīng)用于各種機(jī)械。為進(jìn)一步改善渦旋式壓縮機(jī)的性能。作者已經(jīng)開發(fā)出一種新的概念三維壓縮機(jī)構(gòu)（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(shí)現(xiàn)三維壓縮，原有的傳統(tǒng)渦旋式壓縮

2、機(jī)所不能達(dá)到的高效率，高可靠性和較小的尺寸將得以實(shí)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(guān)鍵點(diǎn)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(chǔ)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(jī)商用空調(diào)。這種三維渦旋壓縮機(jī)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(jī)增加了5.5的效率。關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)設(shè)計(jì)，制冷，監(jiān)控，性能，開發(fā)，仿真1. 簡介為了應(yīng)對全球氣候變暖，從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，節(jié)能的需求已得到了普遍的認(rèn)可。由于制冷和空調(diào)裝置的大部分能耗在壓縮機(jī)造成的，所

3、以提高壓縮機(jī)的效率是很有效的節(jié)能方法。此外，這些設(shè)備的安裝空間往往很有限。因此，包括壓縮機(jī)在內(nèi)，每個部件的微型化是很有必要的，這樣可以加強(qiáng)機(jī)器安裝的適應(yīng)性。如今，渦旋式壓縮機(jī)由于其高效率，低振動等優(yōu)點(diǎn)開始越來越多地應(yīng)用于各種設(shè)備，滿足了許多節(jié)能需求。為了進(jìn)一步提高渦旋式壓縮機(jī)的性能，作者開發(fā)了一種新概念的三維渦旋式壓縮機(jī)（三維渦盤），該壓縮機(jī)的原理是在常規(guī)的渦旋式壓縮機(jī)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(shù)以及商用空調(diào)中三維渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。2. 三維渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)2.1 三維渦旋壓縮機(jī)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(jī)以及其動渦旋盤的

4、照片。制冷劑氣體通過放置在壓縮機(jī)側(cè)面的吸入管流入。然后，到達(dá)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(jī)圖2 常規(guī)渦旋式壓縮機(jī)與三位渦旋式壓縮機(jī)的剖視圖圖2表示的是傳統(tǒng)渦旋式壓縮機(jī)和三維渦旋式壓縮機(jī)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(jī)，相比之下，通過設(shè)計(jì)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(jī)具有以下特征：（1） 徑向和軸向的同時壓縮能夠

5、為壓縮機(jī)提供更高的壓縮比。（2） 內(nèi)側(cè)的渦旋齒承受著高負(fù)荷，通過減小它們的高度可以提高渦旋齒的強(qiáng)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(jī)具有更小的尺寸和更輕的重量。2.2 三維渦旋式壓縮機(jī)的壓縮原理和間隙泄漏圖3表示的是三維渦旋式壓縮機(jī)的壓縮原理。三維渦旋式壓縮機(jī)的頂端和底端設(shè)有階梯（頂端階梯和底端階梯）。當(dāng)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(dāng)頂端階梯和底端階梯結(jié)合時（如圖3的（a）和（c）所示），密封線由兩個階梯

6、公同結(jié)合形成。圖3 三維渦旋式壓縮機(jī)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(jìn)三維渦旋式壓縮機(jī)的關(guān)鍵點(diǎn)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(jī)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(jī)，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(jìn)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(dāng)階梯間隙較小，壓力曲線重疊為理想曲線。然而，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)/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(dāng)軸向間隙較小時指示效率存在峰值是因?yàn)?，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(dāng)徑向間隙變化的時候，指示效率也存在同樣的變化趨勢。結(jié)果表明，可以通過設(shè)定階梯間隙來減小泄漏損失。其設(shè)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(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shè)泄漏流量G可以等同于噴管流量的計(jì)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?yán)L制的P-V圖比較分析得出。在這次試驗(yàn)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(yīng)的分析。結(jié)果表明，流量系數(shù)Ctip和Cside之間關(guān)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(yàn)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(jī)。

10、這種壓縮機(jī)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(yùn)動以及泄漏流量的表現(xiàn)用高速攝像頭進(jìn)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?？梢钥闯鲩g隙中無油，當(dāng)OCR很小時間隙處發(fā)生泄露（參照圖6（a）。另一方面，當(dāng)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(shè)定為一定值時間隙的變化量。當(dāng)間隙較小時間隙中充滿了油，如圖6（d）。但是，當(dāng)間隙較大時，如圖6（e）所示，間隙中不再填充有油導(dǎo)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(shè)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(jī)的階梯間隙進(jìn)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(jī)械損失的減小在渦旋式壓縮機(jī)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(jī)械損失占總的機(jī)械損失的很大一部分。因此，有必要對其作出改進(jìn)，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(shè)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(jī)和三維渦旋式壓縮機(jī)的推力軸承的示意圖。在介紹三維渦旋式壓縮機(jī)的時候我們知道，外圍渦旋齒的高度可以設(shè)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(jī)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(shè)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(jī)，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(diǎn)。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(jī)的特點(diǎn)與常規(guī)的三維渦旋壓縮機(jī)相比主要的變化如下：（1） 應(yīng)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(yīng)用了更高效

13、率的馬達(dá)。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(jī)與同等容量的常規(guī)渦旋式壓縮機(jī)的比較。三維渦旋式壓縮機(jī)常規(guī)渦旋式壓縮機(jī)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(jī)和三維渦旋式壓縮機(jī)的尺寸比較圖8 三維渦旋式壓縮機(jī)與常規(guī)渦旋式壓縮機(jī)的外形尺寸圖9顯示了三維渦旋壓縮機(jī)效率的提高。圖9（a）表示了運(yùn)行壓力比隨著效率的變化。在該圖中，電動機(jī)在機(jī)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(jī)的壓縮比可設(shè)定為比常規(guī)渦旋式壓縮機(jī)更高的值，并且因壓縮比不足而導(dǎo)致

14、的在壓縮損失會得到減小。進(jìn)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(jī)在諸如應(yīng)用于寒冷地區(qū)和除氣體壓縮之外的制冷等高壓縮比運(yùn)行環(huán)境時具有獨(dú)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(jī)理由圖9（b）所示。如果運(yùn)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(dá)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(jī)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(jī)總損耗的百分比值。下述為針對三維渦旋式壓縮機(jī)的改進(jìn)措施：（1） 通過應(yīng)用三維渦旋壓縮機(jī)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(jī)機(jī)械零件的微型化減小機(jī)械損失（額定工況為15%，高壓力比工況為12%）（3） 通過應(yīng)用高效率馬達(dá)，減少馬達(dá)的損失（15%）通過上述的改進(jìn)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(jié)通過研究三維渦旋式壓縮機(jī)效率提高的技術(shù)可以得出以下結(jié)論：（1） 當(dāng)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(yàn)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。基于上述結(jié)論，作者開發(fā)出了用于商業(yè)空調(diào)機(jī)的高效，小巧且輕便的三維渦旋式壓縮機(jī)。與常規(guī)渦旋式壓縮機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（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(yīng)用三維渦旋式壓縮機(jī)的商用空調(diào)，燃?xì)獗?，以及冷藏車的制冷機(jī)組，并計(jì)劃擴(kuò)大三維渦旋式壓縮機(jī)在制冷機(jī)組、熱泵和汽車空調(diào)的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1佐藤， H.，伊藤， T.和小林，H.摩擦特性推力軸承

17、的渦旋式壓縮機(jī). 第十七屆國際壓縮機(jī)工程會議，美國普渡，普渡大學(xué)，印地安那，美國， 7月11日至15日2004年，紙C027/2004 。2 木全，Y.，藤，米，小林，H.，宮本，Y.， 松田，S.和山崎，H。燃?xì)鉄岜玫母咝阅躌410A渦旋式壓縮機(jī)的發(fā)展。第十七屆國際壓縮機(jī)工程會議，美國普渡，普渡大學(xué)，印地安那，美國， 2004年7月11-15紙C027/2004 。3藤，米，小林， H.，美津濃， H.，伊藤， T.，Maruiwa ， Y.，鹿內(nèi)， T.，后藤， T.和松岡， S。卡車冰箱的環(huán)保渦旋式壓縮機(jī)的發(fā)展。 JSRAE年會，東京，日本，2007年10月22-25日，紙E315/2007 。4田中， T.