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涡旋压缩机设计原则与要求

创作时间:

作者:

@小白创作中心

涡旋压缩机设计原则与要求

引用

来源

http://www.360doc.com/content/24/0530/11/72828568_1124729529.shtml

涡旋压缩机以其高效、可靠、振动小等优点，在制冷空调领域得到广泛应用。本文在简要介绍涡旋压缩机工作原理的基础上，重点对比分析了高压腔和低压腔两类涡旋压缩机的结构特点和性能差异，并从理论设计、零部件优化、系统匹配、可靠性提升等方面，详细讨论了涡旋压缩机的设计原则和注意事项，以期为涡旋压缩机的研发设计提供参考。

（示意图，不对应文中任何具体信息）

一、引言

涡旋压缩机自20世纪80年代投入商业化应用以来，凭借高效节能、运行平稳、噪音低等优势，迅速在家用空调、商用冷冻、热泵热水器等领域占据了主导地位[1]。与传统活塞式、螺杆式压缩机相比，涡旋压缩机具有压缩腔封闭、无气阀损失、体积小等特点，其容积效率可达95%以上，而机械效率也在80%以上，整机绝热效率可达70%左右[2]。

涡旋压缩机的性能主要取决于其结构设计是否合理。基于压缩腔压力的不同，涡旋压缩机可分为高压腔型和低压腔型两大类，其结构布置和受力特性差异显著[3]。近年来，随着制冷空调行业节能环保要求的日益提高，如何进一步优化涡旋压缩机设计，最大限度地挖掘其节能潜力，成为业界普遍关注的焦点。

二、涡旋压缩机的工作原理

涡旋压缩机主要由固定涡旋、旋转涡旋、主轴、轴承等部件组成，其工作原理如图1所示。固定涡旋和旋转涡旋分别装配在前后端板上，两个涡旋在偏心距处相互啮合。旋转涡旋在主轴的带动下作旋转运动，同时固定涡旋保持静止。随着旋转涡旋的公转，吸气口处的低压制冷剂气体不断进入涡旋盘之间的新月形压缩腔，并随着压缩腔体积的减小而被连续压缩，最终通过排气口进入高压腔排出[4]。整个压缩过程中，一对涡旋盘会同时形成多个压缩腔，因此涡旋压缩机具有压缩效率高、脉动小等特点。

图1 涡旋压缩机工作原理图[4]

涡旋压缩机的理论压缩过程可用P-V图来描述，如图2所示。

过程1-2为吸气过程，此时吸气口打开，低压气体进入压缩腔。过程2-3为压缩过程，涡旋转子带动压缩腔容积减小，气体被持续压缩，压力和温度逐渐升高。过程3-4为排气过程，高压气体经排气口排出，完成整个压缩循环。值得注意的是，由于涡旋压缩机吸排气过程存在泄漏损失，因此实际指示功图与理论指示功图存在一定偏差[5]。

涡旋压缩机的容积效率ηv可用式(1)计算：

ηv=V1/Vt (1)

式中，V1为压缩腔单位时间内的实际吸气体积，Vt为理论排气量。ηv越大，表明压缩腔泄漏越小，容积利用率越高。因此，如何减小涡旋压缩机的泄漏损失，提高其容积效率，是设计中应重点考虑的问题。

三、高压腔与低压腔涡旋压缩机的设计区别

根据压缩腔与壳体内部空间的相对压力关系，涡旋压缩机可分为高压腔型和低压腔型两类。两者在结构布置、受力特性等方面存在显著差异，因此在设计时需分别考虑。

(一)高压腔涡旋压缩机

高压腔涡旋压缩机的固定涡旋和旋转涡旋均与高压腔相通，如图3所示。吸气口位于涡旋盘的外缘，低压气体经吸气口进入压缩腔后被连续压缩，最终通过位于涡旋盘中心的排气口排入高压腔。高压腔内压力远大于压缩腔内压力，在压力差作用下，高压气体会通过涡旋盘端面间隙和涡旋齿顶侧隙泄漏回压缩腔，形成显著的泄漏损失[6]。

图3 高压腔涡旋压缩机结构示意图[6]

同时，由于高压腔对整个涡旋盘产生较大的轴向力，使涡旋盘产生变形，加剧了端面泄漏。因此，高压腔涡旋压缩机设计的重点是采取有效措施减小泄漏损失。主要方法包括：

优化涡旋齿型，减小涡旋齿顶侧隙。

涡旋压缩机的齿型参数如齿高、齿厚、压缩角等对泄漏损失有显著影响。苗立春等[7]采用正交试验优化了涡旋压缩机的齿型参数，发现齿顶圆弧半径和齿型角对泄漏影响最大，优化后可使泄漏面积减小12.5%。

采用背压平衡技术，降低轴向力

在旋转涡旋背面设置背压腔，利用系统中间压力平衡高压气体对涡旋盘的轴向力，可有效减小涡旋盘变形，降低端面泄漏。宋健等[8]研究表明，背压腔压力为系统压力的0.3~0.5倍时，轴向力降低效果最佳。

应用涡旋盘烧结工艺，提高加工精度

采用粉末冶金烧结工艺制造复杂形状的涡旋盘，可显著提高涡旋齿型的加工精度和表面质量，从而减小泄漏间隙。李进等[9]将烧结涡旋盘应用于某涡旋压缩机，容积效率提高了5%以上。

优化排气口位置，减小过压缩损失

高压腔涡旋压缩机排气口一般位于涡旋中心，存在一定的过压缩损失。适当将排气口前移，可在保证压缩比的同时减小过压缩，提高指示效率。张建宏等[10]优化了某涡旋压缩机的排气口位置，使其绝热效率提高了2.1%。

(二)低压腔涡旋压缩机

与高压腔型相反，低压腔涡旋压缩机的压缩腔与壳体低压腔相通，吸排气口布置也有所不同，如图4所示。低压气体从壳体吸气口进入低压腔，再经吸气管分配到各压缩腔，经压缩后的高压气体直接从涡旋中心排出。由于低压腔内压力与压缩腔压力基本相当，因此端面泄漏较小，但涡旋齿顶侧隙泄漏依然不可忽视[11]。

与高压腔型相比，低压腔涡旋压缩机轴向力较小，但涡旋转子所受的径向力和切向力较大，因此其关注重点是降低旋转部件的摩擦磨损。主要措施包括：

合理设置轴承间距，减小转子悬臂效应

涡旋转子两端通过主轴承和偏心轴承支撑，轴承间距过大会加剧转子的径向变形，而间距过小又会增大轴承负荷。优化轴承布置，可有效降低转子变形和轴承磨损。程晓明等[12]研究了低压腔涡旋压缩机的轴承间距，发现存在一个最佳值使径向变形最小。

优化主轴和偏心轴的配合间隙

主轴和偏心轴与轴承的配合间隙直接影响涡旋转子的运动精度。间隙过大会增加吸气脉动和噪声，而间隙过小又会导致卡涩和烧蚀。龚俊等[13]采用试验设计法优化了某低压腔涡旋压缩机的轴承间隙，噪声降低了3dB，机械效率提高了1.5%。

改善涡旋盘材料的耐磨性

在涡旋盘表面采用高频淬火、等离子喷涂等表面强化处理技术，可显著提高其耐磨损性能，延长使用寿命。王强等[14]在低压腔涡旋压缩机旋转涡旋表面喷涂AlSi涂层，使其硬度提高3倍，使用寿命延长25%。

采用无油润滑技术，降低摩擦功耗

传统涡旋压缩机多采用润滑油润滑，而油的粘度随温度升高而下降，在高温下易引起烧蚀。采用无油润滑设计，以固体自润滑材料取代油润滑，可在高温下保持良好的减摩效果，显著降低摩擦损失[15]。

四、涡旋压缩机的系统设计要点

涡旋压缩机只是制冷空调系统的"心脏"，其性能发挥还取决于与系统其他部件的匹配优化。因此，在涡旋压缩机设计时，还需统筹兼顾系统层面的性能要求。主要考虑以下几点：

(一)压缩比匹配

涡旋压缩机的设计压缩比要与系统实际工况相匹配。设计压缩比偏高会增大泄漏损失，而偏低又会降低制冷量。一般来说，空调系统的设计压缩比在2.5~4.0之间，而冷冻系统则在4.0以上[16]。不同压缩比需选用不同规格的涡旋压缩机，以实现最佳匹配。崔恒等[17]通过理论分析和试验测试，优选出了R290冷冻系统的最佳压缩比，使机组能效提高6.2%。

(二)转速适配

涡旋压缩机转速的选择要兼顾制冷量需求和噪声水平。转速提高可增大压缩机排量，提高制冷量，但同时也会加大振动和噪声。家用空调涡旋压缩机的转速一般控制在3000rpm以下，而商用机型可达6000rpm以上。合理匹配电机转速，可在满足制冷量的同时控制噪声水平[18]。

(三)吸气过热度控制

涡旋压缩机吸气过热度过高会降低制冷量，而过热度过低又易引起液击。一般要求吸气过热度控制在5~15K之间。可通过调节膨胀阀开度、优化蒸发器回路等方式实现[19]。吸气过热度的合理控制可有效发挥涡旋压缩机性能，提高系统能效。

(四)润滑油选型

润滑油的选择要综合考虑涡旋压缩机的工况条件和制冷剂类型。对于R22等传统制冷剂，一般采用矿物油或烷基苯油。而对于R410A、R32等新型制冷剂，则需选用 POE 油以保证互溶性。润滑油的粘度要与压缩机转速和轴承负荷相匹配，既要保证充分的油膜强度，又要降低摩擦功耗。优选润滑油型号和用量，可显著提高压缩机可靠性和能效水平[20]。