適用于7.2kW空調(diào)機(jī)的高效節(jié)能壓縮機(jī)

0 引 言

為促進(jìn)節(jié)能降耗，擴(kuò)大綠色節(jié)能家電消費(fèi)，鞏固家電以舊換新政策實(shí)施以來(lái)所取得的擴(kuò)大消費(fèi)的成果，這幾年國(guó)家陸續(xù)開(kāi)展了幾次綠色消費(fèi)計(jì)劃，向購(gòu)買(mǎi)部分能效標(biāo)識(shí)為一級(jí)或二級(jí)家電產(chǎn)品的單位和個(gè)人給予財(cái)政補(bǔ)貼。

該政策的推出，促進(jìn)了制冷行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和能效升級(jí)。我們也在原來(lái)的高效壓縮機(jī)上進(jìn)行了能效比COP的再次提升，從原來(lái)的3.25提升到3.35。一方面為了今后國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)提升做好準(zhǔn)備，另一方面也是為了后續(xù)空調(diào)廠(chǎng)商降本計(jì)劃做好預(yù)備。

本文將著重從泵體改善，電機(jī)新槽型設(shè)計(jì)優(yōu)化這兩個(gè)方面進(jìn)行探討。

1 壓縮機(jī)效率分析

壓縮機(jī)的效率一般由電機(jī)效率和泵體效率所決定，而泵體效率又是由機(jī)械效率、圖示效率和容積效率組成的。因此想要提升壓縮機(jī)的能效，就必須從這4個(gè)效率去考慮。

影響壓縮機(jī)效率的因素可以參考圖1。

圖1 壓縮機(jī)能效比COP組成

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)影響壓縮機(jī)性能的因素有很多，能夠針對(duì)性地進(jìn)行改善。本文著重從吸排氣損失、摩擦損失和電機(jī)的鐵損、銅損方向?qū)ふ腋纳扑悸贰?/p>

2 泵體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中，我們通常從吸氣、壓縮、排氣這三個(gè)過(guò)程中尋找泵體改善的方向。本次改善主要從吸氣、排氣以及摩擦損失三個(gè)方向進(jìn)行泵體優(yōu)化。

2.1 氣缸吸氣口優(yōu)化

氣缸吸氣結(jié)構(gòu)通?？梢圆捎脭U(kuò)大吸氣孔徑和縮小吸氣孔與彈簧孔的夾角來(lái)進(jìn)行改善。因?yàn)槲鼩饪着c彈簧孔的角度受結(jié)構(gòu)的限制，已經(jīng)沒(méi)有余度再進(jìn)行調(diào)整，如果要改善吸氣孔與彈簧孔的角度，那么需要重新設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，這樣不利于共線(xiàn)生產(chǎn)。所以還是從擴(kuò)大吸氣孔徑這個(gè)角度去改善。

正常的氣缸吸氣孔如圖2所示，單純地將吸氣孔徑擴(kuò)大，會(huì)造成壓縮起始角度偏大，從而影響到后續(xù)的壓縮和排氣角度，最終會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的性能有一定的負(fù)面影響。我們可以考慮縱向增大吸氣口孔徑，如圖3所示。

圖2 正常氣缸吸氣孔

圖3 氣缸吸氣擴(kuò)壓孔

將圓形的吸氣孔改為腰形孔，可以增大吸氣通流面積近20%。這樣可以增大壓縮機(jī)的吸氣量，一方面可以提升壓縮機(jī)的冷量，另一方面也可以減小吸氣阻力。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，汽缸吸氣口擴(kuò)口后，壓縮機(jī)的能效大約能提升0.5%。

2.2 排氣口優(yōu)化

排氣優(yōu)化可以從排氣通道、DV（稀釋容積）孔、排氣座圈以及通道的其他尺寸進(jìn)行改善。這里主要是從DV口的改善進(jìn)行探討。

最早的DV口中心設(shè)計(jì)都是經(jīng)過(guò)氣缸中心的，但考慮到排氣角度方向?qū)嶋H并不是沿著氣缸中心線(xiàn)排出，而是和中心線(xiàn)成一個(gè)角度。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了非對(duì)心的DV口，使排氣斜切口方向更符合排氣過(guò)程流體流動(dòng)方向，這樣改善了排氣流動(dòng)，減少流動(dòng)阻力，降低了排氣過(guò)程的壓縮功率。將兩種情況進(jìn)行模擬計(jì)算對(duì)比，如圖4所示。

圖4 DV口排氣流速分布

圖4 是通過(guò)模擬計(jì)算得出的DV口排氣流速的分布。從圖4來(lái)看，排氣孔出口的周?chē)咚賲^(qū)的流速似乎變得密集了一點(diǎn)。從流速上看，兩者區(qū)別不是很明顯，因此還要從PV曲線(xiàn)進(jìn)行分析，如圖5、圖6所示。對(duì)PV曲線(xiàn)積分可得到圖5及圖6（把余隙腔一并考慮在內(nèi)）。

圖5 壓縮過(guò)程PV曲線(xiàn)對(duì)比

圖6 壓縮過(guò)程局部PV曲線(xiàn)對(duì)比

圖5 為斜切口變更前后的吸氣、壓縮過(guò)程的PV曲線(xiàn)對(duì)比。可以發(fā)現(xiàn)，PV曲線(xiàn)的最大變化在于整個(gè)循環(huán)的終了階段，即葉片到達(dá)上止點(diǎn)前的較小范圍之內(nèi)。出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因是斜切口變更后增大了壓縮腔殘留容積與吸氣腔之間的通流面積，其間的壓力能夠更快地得到平衡，降低了壓縮損失。

圖6為排氣過(guò)程PV曲線(xiàn)的局部放大?？梢钥吹?，由于斜切口方向的改變使排氣流動(dòng)得到了一定程度的改善，變更后的PV曲線(xiàn)得到了一定程度的降低，從而降低了壓縮機(jī)的功率。采用非對(duì)心斜切口氣缸，能效提升0.3%左右。

2.3 下排氣通路改善

通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)CFD的計(jì)算，現(xiàn)有壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的下排氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上排氣量，僅為0.665倍，說(shuō)明下排氣阻力較大，過(guò)壓縮損失較大，有改善的空間（見(jiàn)圖7）。

圖7 現(xiàn)有壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的上下閥片位移對(duì)比

目前壓縮機(jī)的下排氣通道只有一個(gè)孔（圖8），不經(jīng)過(guò)上消聲器直接排到泵體外?，F(xiàn)需要另外再增加一條通道（圖9），讓下排氣的通道更通暢，減小下排氣的阻力。

圖8 改善前缸蓋

圖9 改善后缸蓋

附表 壓縮機(jī)性能的變化

再次通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)CFD計(jì)算驗(yàn)證（圖10），壓縮機(jī)性能可以提升0.8%左右（見(jiàn)附表）。

圖10 結(jié)構(gòu)改善后的上下排氣量對(duì)比

2.4 機(jī)械摩擦損失

壓縮機(jī)的機(jī)械效率包含兩部分，一部分是機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)效率，即電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)曲軸向泵體傳動(dòng)的有效功率與電機(jī)輸出功率之比；另一部分是各機(jī)械零部件之間和各摩擦副之間的運(yùn)動(dòng)損耗。

機(jī)械效率的剛性比較大，一般認(rèn)為在轉(zhuǎn)速不變的前提下，機(jī)械損失隨功率的變化不明顯，因此壓縮機(jī)高效工況下機(jī)械效率的占比會(huì)增加。

從傳動(dòng)損失分析，這部分損失受動(dòng)力傳遞途徑的影響較大，一方面需要減小傳遞鏈和縮短傳遞路徑，另一方面可從減小傳遞阻力上考慮。

轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，其電機(jī)帶動(dòng)泵體轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞鏈相對(duì)比較簡(jiǎn)單和固定，但縮短電機(jī)與泵體之間的距離，一定程度上減小了傳遞路徑，因此降低熱套高度是提升機(jī)械傳動(dòng)效率的手段之一。

在減小傳遞阻力上，可以考慮的方法有：

(1)曲軸軸徑優(yōu)化設(shè)計(jì)，軸與軸承的間隙、活塞端面間隙及葉片端面和寬度間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)，可減小曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，提高傳遞效率；

(2)用滾動(dòng)軸承替代現(xiàn)有曲軸長(zhǎng)短軸處的徑向軸承，減小曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力；

(3)曲軸上端用滾動(dòng)軸承支撐，可減小曲軸撓度，減小其轉(zhuǎn)動(dòng)阻力；

(4)用高速鋼止推板結(jié)構(gòu)替代現(xiàn)在的曲軸止推面，止推結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)小，減小轉(zhuǎn)動(dòng)阻力；

(5)雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。相比單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的力矩更加平衡，波動(dòng)小，曲軸動(dòng)力傳遞更加平穩(wěn)，效率更高。

其次，各零部件和摩擦副之間的運(yùn)動(dòng)損失。這部分損失的減小可依托現(xiàn)有技術(shù)，如部件進(jìn)行表面處理、減小摩擦系數(shù)、對(duì)曲軸進(jìn)行具有固體潤(rùn)滑作用的二硫化鉬處理；提高運(yùn)動(dòng)摩擦面的加工精度，改善工件表面粗糙度，也可減小摩擦系數(shù)。

因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)在保證最小油膜厚度的前提下，油的粘度越低越好，油膜厚度比較小，供油越充分，越不容易發(fā)生干摩擦。另外，部件表面粗糙度的選擇應(yīng)與潤(rùn)滑油粘度、載荷下油膜厚度一起考慮選擇。

考慮到批量的可行性，此次從曲軸軸徑上進(jìn)行改善，在保證整體剛度滿(mǎn)足要求的前提下，縮小曲軸的短軸軸徑，這樣可以減少曲軸與下缸蓋的機(jī)械摩擦損失。軸徑優(yōu)化方案對(duì)能效提升的綜合效果在0.5%左右。

通過(guò)泵體的改善：（1）氣缸吸氣口擴(kuò)口；（2）氣缸非對(duì)心斜切口；（3）下排氣通道改善；（4）曲軸軸徑優(yōu)化改善。將4種改善方案綜合，由于方案間可能存在部分的相互影響，所以泵體的綜合能效設(shè)計(jì)提升了1.5%。

3 電機(jī)優(yōu)化

原有的電機(jī)沖片形式已經(jīng)不能滿(mǎn)足壓縮機(jī)能效提升的需求，因此需要對(duì)電機(jī)沖片形式進(jìn)行全面優(yōu)化，我們需要重新設(shè)計(jì)電機(jī)的槽型。這次的槽型設(shè)計(jì)是從以下四個(gè)方面考慮設(shè)計(jì)改善的：

切邊切換變更：切邊的變更可以減小沖模步距，降低鋼材的廢料，可以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的；

降低定子的鐵損：重新布置大小槽，小槽布置于切邊處，使電機(jī)磁密均勻，降低定子鐵損；

啟動(dòng)改善：定子繞線(xiàn)優(yōu)化，主線(xiàn)圈獨(dú)立槽放置于小槽，公共槽放置于大槽，平均線(xiàn)圈分布，降低電機(jī)諧波，改善起動(dòng)；

提升效率：增大轉(zhuǎn)子槽面積，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小轉(zhuǎn)子銅損，這樣能提高效率。

改善后的電機(jī)效率提升明顯，加上出力點(diǎn)的調(diào)整設(shè)計(jì)，如圖11所示，電機(jī)效率提升了1.5%。

圖11 電機(jī)效率對(duì)比

4 小 結(jié)

通過(guò)泵體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)改善，包括吸氣通道、排氣通道以及機(jī)械摩擦損失優(yōu)化，進(jìn)一步降低了壓縮機(jī)的功率，壓縮機(jī)能效提升了1.5%；同時(shí)對(duì)電機(jī)槽型進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，在兼顧電機(jī)材料成本的同時(shí)，使得改善的電機(jī)效率提升了1.5%；因此壓縮機(jī)整機(jī)的能效水平從原來(lái)的3.25提升到了3.35。正是我們一直不斷的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)更高效的壓縮機(jī)，使得我們公司的壓縮機(jī)能效一直保持在行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。