螺杆制冷压缩机特性研究与优化设计

螺杆制冷压缩机特性研究与优化设计

1主导机，主机在不同类型的压缩机中，螺旋式压缩机具有能耗低、结构简单、易维护少等优点，能够承担主缸的功能，可靠性和操作方便等。为提高我国具有自主知识产权的螺杆制冷压缩机设计和制造水平,满足市场需要和替代进口产品,改变我国螺杆压缩机无独立知识产权和核心技术的落后状态,从2000年开始,烟台冰轮股份有限公司与西安交通大学合作,对螺杆制冷压缩机的性能特性进行了全面、系统的研究,并把研究成果用于指导螺杆制冷压缩机的设计和优化,成功开发了开启式和半封闭式两个系列的螺杆制冷压缩机。2对螺丝制备的性能特性的研究2.1压力传感器的工作原理p-V指示图表征压缩机内部工作过程,是压缩机性能微观研究的最关键依据。螺杆制冷压缩机指示图的录取装置如图1所示。所采用的微型压力传感器不仅响应频率高,而且自带温度补偿,是录取指示图的关键元件。压力传感器的信号引线从阴转子的中心孔引出,通过联轴器与滑环连接在一起。信号通过滑环输入信号放大器进行放大,然后利用动态信号分析仪对信号进行采集和处理,就可以得到压缩机工作腔压力随阳转子转角变化图(p-θ图)。利用螺杆压缩机工作腔容积与阳转子转角之间的几何关系(V-θ)就可以把p-θ图转换为p-V图。2.2压缩机内喷油转子齿顶与机壳间的间隙设计是螺杆压缩机整机结构设计中的一项关键技术。间隙过小有可能造成机子抱死现象,间隙过大则又降低了压缩机的效率。为了寻找合适的间隙,开展了螺杆压缩机内喷油的可视化研究。结果表明,由于受到离心力的作用,喷入压缩腔的润滑油会很快运动到转子齿顶,转子齿顶与机壳间的间隙中始终充满润滑油能有效防止高压制冷剂从高压齿槽向低压齿槽的泄漏。这表明为防止转子与机壳咬伤,转子与机壳间的间隙可以适当增大。2.3原油喷油性能(1)喷油量与油循环量的关系在喷油螺杆压缩机中,喷入的油与压缩气体直接接触,吸收气体的压缩热。油的喷入使螺杆压缩机的特性发生了很大的变化,提高了其对压力和压比的适应能力,简化了设计结构,并使排气温度得到了有效的控制,还降低了噪声。喷入压缩机的油主要有冷却、润滑、密封和降噪四个功能。油压与排气压力、喷油量与油压之间的关系分别如图2、3所示。喷油量的选择不仅根据满足油对气体冷却作用而导出的,而且在实际设计中,确定螺杆压缩机的喷油量时,还要考虑一些其它因素。例如,在相同条件下,如果机体等机件的散热条件较差,则应相应提高油循环量。对容积流量小的机器,容积效率较低,内部损失效率较高,也要求适当提高油的循环量。另外转速高时,相对泄漏损失小,但扰动油的功率较大,所以就要求适当减少油的循环量。一定转速范围内,如果增加注油量,输入转矩则会减少,但超过一定值时,加大注油量,转矩反而会增加。喷油量的多少直接影响机器的排温、容积效率和轴功率,因而喷油量存在最佳值。在新型螺杆压缩机试制实验中,对于喷油量的最佳值做了大量的实验,在各种不同的工况条件下,通过改变油压,改变油路面积等,实验得出各种机型在不同工况下的最佳供油量,最佳供油压力,然后选取各油路最佳面积,最佳泄漏间隙。实验证明:滑动轴承的间隙和平衡活塞的间隙对于润滑油量的影响较大。(2)合理控制温度螺杆压缩机由于喷入大量的油,因而排温比活塞式低。试验证明,排气温度与喷油温度是线形关系。油温增高,排温也相应增高。油温随压比增加而增加,故排温也相应提高。当油温高时,粘度下降,这样润滑、密封的作用也就降低,转子转矩减少,耗功也少。当油温低时,粘度增加,润滑、密封的作用虽好,随着油的粘度增加,流体摩擦会增加,转子转矩增加,耗功增大,因而喷油温度存在着最佳值。经试验研究发现,油温每提高10℃,制冷量减少,轴功率降低,COP变化不大。图4给出了压缩机效率与油温之间的关系。2.4排气压力脉动的模拟结果排气压力脉动是引起压缩机噪声和振动的主要因素,对其进行研究有助于了解双螺杆压缩机噪声和振动的产生机理。目前对压力脉动进行理论分析,一般都采用平面波动理论(一般振幅小于8%就可以采用平面波动理论)。但通过试验发现,螺杆压缩机的压力脉动的幅值超过了平面波动理论的使用条件,因此本研究所在螺杆压缩机工作过程模拟的基础上采用一维非定常气流方程组来模拟排气压力脉动。图5是采用一维非定常气流方程组,根据匀熵修正理论处理边界节点参数,利用L-W两步法计算所得排气压力脉动与实测压力脉动的比较结果。结果表明理论计算与实测结果吻合较好。图6所示为压缩机在转速为3000r/min时,不同排气压力下的排气压力脉动变化情况。从图中可以看出,运行工况与设计工况吻合时(设计排气压力为0.6MPa),排气压力脉动较小,而当压缩机运行工况背离设计工况时,无论是过压缩还是欠压缩,排气压力脉动都会明显增大。试验结果还表明,随着转速的升高,压力脉动也随着增强。3螺杆制冷压缩机系统的开发在对螺杆制冷压缩机性能进行更系统深入的理论分析和试验研究的基础上,项目组充分利用了列入‘十五’期间国家科技成果重点推广项目的“螺杆压缩机设计计算软件SCCAD”,进行了开启式和半封闭式两个系列的螺杆制冷压缩机优化设计。首先设计了能降低噪声和提高COP的具有自主知识产权的转子型线。然后,以设计的新型线为核心,在解决了样机试制过程中的一系列工艺问题后,最终取得了满意的结果。3.1型线结构设计转子型线对螺杆压缩机的噪声和COP具有决定性的影响,原来国内联合设计的开启式螺杆压缩机,采用的转子型线为图7所示的单边不对称摆线-销齿圆弧型线。由于单边不对称摆线-销齿圆弧型线的组成齿曲线中含有点、直线及其共轭摆线,导致型线中有多个尖点。这些尖点的存在,会引起较大的气流扰动损失,并诱发较高的噪声。另外,组成齿曲线中含有直线段,转子也不适合采用磨削的方法加工。因此在本项目的型线设计中,首先要求组成齿曲线中不采用点和直线,经过SCCAD软件对型线性能分析,针对开启式螺杆制冷压缩机设计了如图8所示的双边不对称全圆弧型线。而对于半封闭式系列,则设计了由圆弧和椭圆形成的双边不对称型线,如图9所示。由于在本项目的转子型线设计中采用了一系列新颖的方法和准则,得到了全新的型线设计结果,本项目所设计的开启式和半封闭式螺杆制冷压缩机转子型线均已获得中国专利。3.2阴转子汽体合力分配组成齿曲线确定后,螺杆压缩机转子型线设计的关键是优选各组成齿曲线参数的范围。传统的型线设计方法,仅从影响热力性能的泄漏对参数进行优选。利用改变组成齿曲线参数,使通过转子间接触线和泄漏三角形的高压制冷剂泄漏量尽可能小。在本项目的型线设计中,不仅注意了从减小泄漏的角度优选参数,还更进一步地注意到了有关参数对转子间力矩分配的影响。在螺杆压缩机工作时,阴转子齿面被接触线分成作用有高、低压制冷剂汽体压力的两部分。随着转子型线采用的组成齿曲线种类及其参数变化范围的不同,其汽体合力矩有可能为正(即阻碍阴转子旋转),也有可能为负(即驱动阴转子旋转)。这说明在螺杆压缩机中,虽然阳转子与原动机相联,但在压缩机工作时,有可能是阳转子驱动阴转子,也有可能是阴转子驱动阳转子。显然,这种转子间的力矩分配对压缩机的噪声和COP均有重要影响,且转子间传递的力矩越小,压缩机性能就越好。图10示出了某种型线的阴转子齿顶高对阴转子汽体合力矩的影响。SCCAD软件的计算结果表明,国内原来联合设计的单边不对称摆线-销齿圆弧型线的阴转子汽体合力矩为负,其大小是压缩机输入力矩的15%左右。在国内也有应用的SRM-D型线的阴转子汽体合力矩为正,其大小为压缩机输入力矩的10%~15%。在本项目的型线设计中,则有意识地将阴转子上的汽体合力矩接近零。这样,在压缩机工作时,阳转子只需克服作用在阴转子上的摩擦阻力矩,即可驱动阴转子,十分有助于降低噪声和提高COP。3.3型线本构模型转子型线设计中的另一项关键技术是转子间啮合间隙的设定。为了补偿加工误差和转子工作时的受力变形及受热膨胀,需要在理论型线的基础上,设定各点的间隙,并根据由此得到的实际型线进行转子的加工。传统的间隙设定方法是等距型线法和等距型面法,两种方法都没有考虑型线各部分变形量的不同。在本项目的型线啮合间隙设定中,则利用有限元方法对型线各部分的变形进行了具体的分析和计算,形成了设定啮合间隙的“不等距法”。另外,由于在节圆上,阴、阳转子是纯滚动,转子间没有相对滑动速度,在本项目的啮合间隙设定中,又在节圆附近的驱动侧和非驱动侧,均有意识地进一步减小间隙,设置了长度为2~4mm的驱动带,从而保证了在压缩机工作时,阴、阳转子仅在节圆附近以纯滚动的方式接触和传递力矩,对进一步降低噪声和提高COP起到了帮助作用。4压缩机的设计所开发的开启式和半封闭式螺杆制冷压缩机的整机结构设计工作是在转子型线设计的基础上进行。在设计过程中,也充分利用了SCCAD设计计算软件,并针对螺杆压缩机的工作过程,进一步深入开展了试验研究,录取了这种压缩机在变工况及部分负荷时的p-V图,从而使所设计压缩机的吸排气、喷油和补气等孔口都具有最优化的位置和大小。在整机结构设计过程中,还设计了一种新颖的冷量和内容积比调节机构。通过控制相关油路上的电磁阀,即可同时调节冷量和内容积比,简单可靠,已获得国家专利。4.1孔口设计(1)降低系统喷入位置在螺杆制冷压缩机中,还可以采用另一种冷却方式,即向压缩机机体内喷入制冷剂液体。制冷剂液体被喷入压缩机后,由于吸收了压缩过程所产生的能量而很快被气化,气化过程中所吸收的气化潜热,可使油、气混合物的温度降到所规定的数值。这种冷却方式使从气体中分离出来的润滑油可直接供给压缩机,而不需进一步冷却。喷液制冷循环系统的优点是:油冷却器及所有的阀、冷却介质、流动管道及控制部分均可以省去,从而节省了大量的费用。当然,在这种系统中,原来的油冷却器传走的热量被转移到了冷凝器,因而冷凝器的热负荷将变大。在喷液制冷循环系统中,喷入的制冷剂液体量由恒温控制阀来调节。这种控制阀通过检测压缩机的排气温度,来调节喷入的液体量,从而使排气温度控制在所设定的范围内。在有些工况下,当压缩机的油气混合物离开压缩机时,尚有部分制冷液体正在蒸发,这将影响到油分离器的工作,导致过多的润滑油随气体一起进入冷凝器。所以在允许的条件下,尽量提高压缩机排气温度的设定值。制冷剂液体喷入压缩机的位置在压缩过程后期,以减少对压缩机性能的影响。若在吸气结束后立即喷入,则蒸发出的气体的压力将接近于吸气压力,在被压缩至排气的过程中,消耗的功会相应增加。另一方面,由于制冷系统的冷凝温度及由此决定的压缩机排气压力随季节和时间而变,因而会使供喷入的制冷剂液体压力也随之改变。在有些情况下,可能出现压缩机的内压比大于外压比的现象,从而影响到制冷剂液体的正常喷入。所以,在设计制冷剂的喷入位置时,应考虑这一因素,以保证在最恶劣的工况下,也有足够的制冷剂来进行冷却。在一些系统中,可采用多路供液管线,这样在特定工况下,就可以选择最合适的一条路。(2)提前排气的原因螺杆压缩机的吸排气口的位置和大小设计的合理性,是实现气体内压缩的必要条件,从而确定压缩机的吸排气压力和内压比,是影响压缩机的效率的重要因素。保证压缩机吸气充分可减少流动损失,保证内压比。但是一旦型线设计完成后,理想的吸排气口可以确定,但是受压缩机结构和工艺性的影响,理想的吸排气口位置和形状是难以保证的。通过大量的实验,我们在吸排气口的设计上建立了对COP和噪声影响的关键点,比如:过压缩和欠压缩的影响程度;径向孔口和轴向孔口的影响程度,吸气不足与外泄漏的影响程度,提前排气降压的设计;排气孔口的形状等。(3)cop和噪音的具体位置同样,喷油孔口与补气孔口一样,理论计算位置受结构和工艺的影响,再者,不同的工况也不可能多处开孔,所以,最合理的位置还是要通过实验确定,其具体位置对于COP和噪音的影响有多大。4.2压缩机内喷油压缩机转子齿顶与机壳间的间隙、排气端间隙设计是螺杆压缩机整机结构设计中的一项关键技术,它体现了追求性能与可靠性的矛盾。为此,我们开展了螺杆压缩机内喷油的可视化研究。压缩机各间隙泄漏如图11所示。压缩机容积效率与间隙泄漏的关系如图12所示。(1)防高压漏压器特性由于受到离心力的作用,喷入压缩腔的润滑油会很快运动到转子齿顶,转子齿顶与机壳间的间隙中,始终充满润滑油,能有效防止高压制冷剂从高压齿槽向低压齿槽的泄漏。这表明为防止转子与机壳咬伤,转子与机壳间的间隙可以适当增大。但是对于不同长径比的转子,同样的外径尺寸,同样的间隙对性能的影响各不相同,再者,间隙的大小还取决于转子材料和壳体材料的热膨胀性。(2)排气端间隙的确定通过可视化试验,排气端间隙的密封较差,而排气端各齿槽间又存在高低压差,所以,排气端间隙越小越好,通过实验,只要在制造环节控制好零部件的行为公差,加上选用日本NSK高精度小游隙轴承,将转子的工作伸缩量在吸气端间隙考虑,在压缩机运转保护中建立防反转保护,排气端间隙完全可以实现最小值,而对可靠性没有影响。4.3转子受轴向力的状况在螺杆压缩机的转子上作用有轴向力和径向力。径向力是由于转子两侧所受压力不同而产生的,其大小与转子直径、长径比、内压比及运行工况有关。由于转子一端是吸气压力,另一端是排气压力,再加上内压缩过程的影响,以及一个转子驱动另一个转子等因素,便产生了轴向力。另外,由于内压缩的存在,排气端的径向力要比吸气端大。由于转子形状及压力的作用面积不同,两转子的所受的径向力大小也不一样,实际上阴转子的径向力较大。因此承受径向力的轴承负荷由大到小依次是:阴转子排气端轴承、阳转子排气端轴承、阴转子吸气端轴承、阳转子吸气端轴承。同样,两转子所受轴向力的大小也不同,阳转子受力较大。轴向力之间的差别比径向力差别大得多,阳转子所受的轴向力大约是阴转子的四倍。螺杆压缩机所用的轴承有滚动轴承和滑动轴承两种。(1)轴承工作寿命的测定向心轴承分为球轴承和滚子轴承,滚动轴承游隙小,摩擦损耗小,维护比较简单,有利于提高压缩机的效率。但这些轴承都有一个工作寿命,它是根据轴承的负荷、速度、结构材料、温度和润滑状况而计算出来的数值。滚动轴承的承载能力随着轴承直径的增大而增大,但是它没有轴向载荷随转子直径的增大速度快,这意味着在中小型压缩机中,滚动轴承的寿命较长。在大型螺杆压缩机中,滚动轴承由于寿命太短,有时很难采用。(2)好的过滤能力和油滑动轴承又称为流体动力轴承,是指轴被油膜支撑起来。轴承内油膜的形成取决于轴承的结构形状。既然轴运行在油膜上,因而也就不存在机械磨损部件,也无所谓轴承寿命。所以,只要轴承被充以适当粘度和品质的润滑油,工作在适当的压力和温度下,并且油被很好的过滤,滑动轴承将永远工作下去。在大载荷的螺杆制冷压缩机中,由于使用滚动轴承寿命太短,往往采用滑动轴承,值得指出的是,螺杆压缩机的径向力无法消除,必须全部由轴承来承担。在小载荷的螺杆制冷,特别是半封螺杆制冷压缩机和普通的螺杆制冷压缩机