間隙對(duì)雙螺桿制冷壓縮機(jī)性能的影響

吳華根,唐昊,王養(yǎng)浩,邢子文

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

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間隙對(duì)雙螺桿制冷壓縮機(jī)性能的影響

吳華根,唐昊,王養(yǎng)浩,邢子文

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

為清楚解析間隙對(duì)螺桿制冷壓縮機(jī)性能的影響及提高壓縮機(jī)性能,針對(duì)雙螺桿制冷壓縮機(jī)中的嚙合間隙和排氣端面間隙對(duì)壓縮機(jī)性能的影響程度進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:在相同間隙值下,嚙合間隙對(duì)螺桿制冷壓縮機(jī)的容積效率和絕熱效率等的影響數(shù)倍于排氣端面間隙的影響,每增加0.01 mm的嚙合間隙,會(huì)減少0.4%左右的容積效率,而每增加0.01 mm的排氣端面間隙,會(huì)減少0.13%左右的容積效率;在較大嚙合間隙工況下,排氣端面間隙的改變基本不影響壓縮機(jī)的容積效率、絕熱效率以及系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)等,但是同時(shí)增加嚙合間隙和排氣端面間隙,會(huì)引起壓縮機(jī)性能參數(shù)、制冷量及系統(tǒng)性能系數(shù)的下降。因此,在螺桿制冷壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)中更應(yīng)注重嚙合間隙分布設(shè)計(jì),從而有效提高雙螺桿制冷壓縮機(jī)的性能。

雙螺桿壓縮機(jī);嚙合間隙;排氣端面間隙;性能

螺桿制冷壓縮機(jī)作為冷水機(jī)組的主機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,如食品、醫(yī)藥、石化等行業(yè)。尤其是近年來,隨著節(jié)能減排要求的提高,螺桿制冷壓縮機(jī)也應(yīng)用于冰蓄冷、熱泵系統(tǒng)等能效比要求較高的場(chǎng)合,以達(dá)到國(guó)家節(jié)能的要求,因此對(duì)螺桿制冷壓縮機(jī)的性能要求也越來越高。

目前,對(duì)于提高雙螺桿制冷壓縮機(jī)的性能研究主要集中于如下幾個(gè)方面。①在轉(zhuǎn)子型線方面,主要集中于新型的轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)方法,以利于尋求提高壓縮機(jī)效率的轉(zhuǎn)子型線。文獻(xiàn)[1-2]采用轉(zhuǎn)子型線的法線法結(jié)合解析包絡(luò)法對(duì)轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,并且還利用量轉(zhuǎn)子的任意嚙合線重新生成轉(zhuǎn)子型線,以期提高轉(zhuǎn)子型線的性能。文獻(xiàn)[3]對(duì)以嚙合線為基礎(chǔ)進(jìn)而設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子型線的方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]通過解析包絡(luò)法開發(fā)的轉(zhuǎn)子型線得到了廣泛的工程應(yīng)用,而且開發(fā)了一套螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)軟件。②對(duì)螺桿制冷壓縮機(jī)工作過程特性的研究也是重要的一方面。文獻(xiàn)[5-6]對(duì)螺桿制冷壓縮機(jī)和空氣壓縮機(jī)的工作過程包括指示圖的錄取等都有深入的研究。文獻(xiàn)[7]指出,螺桿壓縮機(jī)中的噴油可有效改善泄漏和提高壓縮過程中的熱交換,從而提高壓縮機(jī)效率和性能。文獻(xiàn)[8]利用計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)對(duì)螺桿壓縮機(jī)工作腔進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分,進(jìn)而計(jì)算工作腔在壓縮過程中的壓力和溫度變化情況,為螺桿壓縮機(jī)的工作過程中流場(chǎng)的深入研究提供了思路和基礎(chǔ)。雖然對(duì)螺桿壓縮機(jī)性能的研究中都認(rèn)為泄漏是非常重要的影響因素之一,在研究中都考慮了它的影響,但泄漏影響性能的研究結(jié)果仍然鮮見發(fā)表。

本文主要針對(duì)雙螺桿制冷壓縮機(jī)中的泄漏通道間隙對(duì)壓縮機(jī)性能的影響程度進(jìn)行研究和分析,定量地描述嚙合間隙和排氣端面間隙對(duì)壓縮機(jī)容積效率、絕熱效率等性能參數(shù)的影響,以期為雙螺桿制冷壓縮機(jī)在間隙方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù),提升螺桿壓縮機(jī)的性能。

1 理論分析

雙螺桿制冷壓縮機(jī)中泄漏間隙主要有嚙合間隙、端面間隙和齒頂間隙3種。嚙合間隙主要影響的是接觸線和泄漏三角形兩類泄漏通道;端面間隙影響的是吸氣端面和排氣端面泄漏通道;齒頂間隙影響的是陰、陽轉(zhuǎn)子的齒頂泄漏通道。雙螺桿制冷壓縮機(jī)運(yùn)行過程中對(duì)工作腔噴油,受離心力影響,齒頂間隙中會(huì)有較多潤(rùn)滑油進(jìn)行密封[5],另外工作齒槽兩側(cè)的齒頂間隙同時(shí)承受著泄出和泄入的共同作用,且本文試驗(yàn)中不改變齒頂間隙,因此在理論分析中也不單獨(dú)考慮齒頂間隙的影響。由于吸氣端面間隙所處的壓力基本為吸氣壓力,認(rèn)為該處間隙對(duì)性能的影響較為微弱,僅在壓縮開始階段有所泄漏,因而也不考慮吸氣端面的間隙影響。所以,本文主要討論嚙合間隙和排氣端面間隙對(duì)壓縮機(jī)性能的影響。

本文建立的模型描述了制冷劑氣體、油混合物通過嚙合間隙和排氣端面間隙時(shí),對(duì)壓縮機(jī)容積效率和絕熱效率的影響,表達(dá)式如下

式中:α為空泡率;A為泄漏間隙橫截面積隨轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系;S為滑移系數(shù);x為氣液質(zhì)量比(干度);h1、h2分別為泄漏通道兩側(cè)的氣體焓;C為流量系數(shù)。

利用雙螺桿制冷壓縮機(jī)工作過程的數(shù)學(xué)模型[9],對(duì)LG20型的雙螺桿氨制冷壓縮機(jī)的工作過程進(jìn)行理論研究,得到了嚙合間隙(0.06 mm)和排氣端面間隙(0.06 mm)對(duì)壓縮機(jī)容積效率和絕熱效率的影響程度,分別如圖1和圖2所示。

圖1 間隙對(duì)容積效率的影響情況(冷凝溫度為35 ℃)

從圖1可以看出,隨著蒸發(fā)溫度的上升,即壓縮機(jī)壓力比的下降,嚙合、排氣端面間隙對(duì)容積效率的影響程度都在下降,下降趨勢(shì)逐漸減小,這主要是壓力差減小導(dǎo)致了泄漏量的減少造成的。另外,從圖1中可以得知,嚙合間隙對(duì)于容積效率的影響要遠(yuǎn)大于排氣端面間隙的影響,約是排氣端面間隙的4倍多。在冷凝溫度為35 ℃、蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí),嚙合間隙和排氣端面間隙泄漏使壓縮機(jī)的容積效率下降了6.8%。

圖2所示為嚙合間隙、排氣端面間隙對(duì)壓縮機(jī)絕熱效率的影響程度。從圖中可以看出,隨著蒸發(fā)溫度的下降,即壓力比上升,兩類間隙對(duì)絕熱效率的影響上升,但是其增長(zhǎng)率逐漸下降,而且其中嚙合間隙對(duì)絕熱效率的影響所占比重較大。在冷凝溫度為35 ℃、蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí),嚙合間隙和排氣端面間隙對(duì)壓縮機(jī)的絕熱效率的影響程度為9.48%。

圖2 間隙對(duì)絕熱效率的影響情況(冷凝溫度為35 ℃)

壓縮機(jī)容積效率和絕熱效率隨著嚙合間隙和排氣端面間隙的變化情況如圖3所示。從圖中可以看出,隨著間隙的增加,壓縮機(jī)的容積效率和絕熱效率基本呈線性下降。理論計(jì)算表明,每增加0.01 mm的間隙,由嚙合間隙導(dǎo)致的容積效率下降平均為0.368%,而由排氣端面間隙導(dǎo)致的下降為0.132%。

圖3 效率隨間隙變化的情況

從上述理論分析可以看出,嚙合間隙對(duì)于壓縮機(jī)容積效率的影響是排氣端面間隙的3～4倍,而對(duì)絕熱效率的影響是排氣端面間隙的2～3倍,由此可以看出,嚙合間隙對(duì)于壓縮機(jī)的性能影響更為重要。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5773—2004《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》以及GB/T 19410—2003《螺桿式制冷劑壓縮機(jī)》,在蒸發(fā)溫度為5 ℃和冷凝溫度為35 ℃的工況下,對(duì)LG20型氨螺桿制冷壓縮機(jī)性能與間隙的關(guān)系,以及改變油溫時(shí)壓縮機(jī)性能的變化情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

間隙分布情況分別如下。

A:嚙合間隙為0.06 mm,排氣端面間隙為0.06 mm。

B:嚙合間隙為0.06 mm,排氣端面間隙為0.12 mm。

C:嚙合間隙為0.14 mm,排氣端面間隙為0.06 mm。

D:嚙合間隙為0.14 mm,排氣端面間隙為0.14 mm。

2.1 排氣端面間隙對(duì)性能的影響

當(dāng)排氣端面間隙分別為0.06 mm和0.12 mm時(shí),壓縮機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出,當(dāng)嚙合間隙較小(0.06 mm)時(shí),隨著排氣端面間隙的增加,其容積效率和絕熱效率都有所下降,但下降值較小,驗(yàn)證了理論研究所得,排氣端面間隙對(duì)效率影響的權(quán)重較小。隨著排氣端面間隙的增加,壓縮機(jī)的制冷量下降了0.83%,這是壓縮機(jī)泄漏增大、排氣量減少的緣故,同時(shí)壓縮機(jī)的軸功率會(huì)有所上升,這是因?yàn)閺呐艢舛嗣嫘孤┑臍怏w有部分仍然回到了轉(zhuǎn)子的壓縮腔進(jìn)行重復(fù)壓縮所致。制冷量和功率的這種變化,導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)下降了1.55%。

從表1中可以看出,在A間隙分布情況下,因壓縮機(jī)間隙泄漏造成的容積效率下降為8.8%,而圖1所示因嚙合間隙和排氣端面間隙引起的容積效率下降為6.8%,從而說明了理論分析的準(zhǔn)確性。

2.2 嚙合間隙對(duì)性能的影響

嚙合間隙對(duì)于壓縮機(jī)性能的影響如表2所示,排氣端面間隙不變?yōu)?.06 mm,嚙合間隙從0.06 mm增加至0.14 mm。

從表2可以得出,當(dāng)嚙合間隙增加時(shí),由于泄漏面積的擴(kuò)大,導(dǎo)致壓縮機(jī)的容積效率下降了3.2%,平均下來相當(dāng)于每增加0.01 mm的嚙合間隙,容積效率下降0.4%。從表1可知,每增加0.01 mm的排氣端面間隙,容積效率只下降0.13%。由此可見,在此工況下,嚙合間隙對(duì)于容積效率的影響程度大概是排氣端面間隙的3倍,因此在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候,更應(yīng)關(guān)注嚙合間隙分布,以利于螺桿壓縮機(jī)效率

表1 排氣端面間隙對(duì)性能的影響

表2 嚙合間隙對(duì)性能的影響

的提升。壓縮機(jī)的絕熱效率也隨著嚙合間隙的增加而有所下降,略大于表1中排氣端面間隙的增加引起的對(duì)絕熱效率的影響程度。

隨著嚙合間隙的增加,壓縮機(jī)的功率有所下降,這主要是由于通過嚙合間隙泄漏的制冷劑氣體直接進(jìn)入了吸氣齒槽,因此參與壓縮的制冷劑氣體質(zhì)量流量下降,從而導(dǎo)致了功率的輕微下降。由于質(zhì)量流量的下降,

導(dǎo)致了壓縮機(jī)制冷量的較大幅度的下

降,達(dá)到了3.47%,從而使系統(tǒng)性能系數(shù)也有了2.47%的降幅。從表1和表2可知,嚙合間隙增加導(dǎo)致性能系數(shù)下降的影響要大于排氣端面間隙。

為了更加清楚了解嚙合間隙的影響,本文還針對(duì)在大嚙合間隙下改變排氣端面間隙時(shí)壓縮機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表3所示。嚙合間隙為0.14 mm,排氣端面間隙分別為0.06 mm和0.14 mm。

表3 大嚙合間隙對(duì)性能的影響

從表3中得知,當(dāng)嚙合間隙較大(0.14 mm)時(shí),排氣端面間隙的變化(從0.06 mm增為0.14 mm)對(duì)壓縮機(jī)的整體性能的影響都十分微弱,可見對(duì)于螺桿制冷壓縮機(jī)而言,嚙合間隙的影響權(quán)重要大于排氣端面間隙的影響權(quán)重。

從4種間隙分布的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較來看:壓縮機(jī)容積和絕熱效率的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的最大誤差為3.68%,而增加單位間隙導(dǎo)致容積效率下降幅度的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的最大誤差為8%,從而可以看出理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。

2.3 不同嚙合間隙下油溫對(duì)性能的影響

在不同噴油溫度下,不同的嚙合間隙對(duì)于壓縮機(jī)性能的影響如圖4所示。

圖4 噴油溫度對(duì)效率的影響

隨著嚙合間隙的增加,壓縮機(jī)的絕熱效率和容積效率都有所下降;隨著噴油溫度的升高,壓縮機(jī)的容積效率和絕熱效率都隨之降低。這是因?yàn)楫?dāng)噴油的溫度升高時(shí),油的黏性下降,因而在泄漏間隙處氣體的密封性能會(huì)降低,導(dǎo)致泄漏增加,而且溫度升高引起了油和制冷劑氣體間的換熱作用(即油的冷卻作用)下降,進(jìn)一步影響了絕熱效率。在大嚙合間隙下,隨著噴油溫度的升高,壓縮機(jī)效率的下降速度要略微高于小嚙合間隙時(shí)的情況。

3 結(jié) 論

本文對(duì)嚙合間隙和排氣端面間隙對(duì)雙螺桿制冷壓縮機(jī)的性能影響進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)嚙合間隙對(duì)壓縮機(jī)性能影響高于排氣端面間隙的影響,而且每增加0.01 mm嚙合間隙會(huì)導(dǎo)致理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的容積效率減少率分別為0.368%和0.4%,而增加0.01 mm排氣端面間隙引起的容積效率下降分別為0.132%和0.13%。在大嚙合間隙下,排氣端面間隙的改變幾乎不影響壓縮機(jī)的性能。因此,要提高螺桿壓縮機(jī)的性能,更應(yīng)關(guān)注嚙合間隙的分布,在滿足因受熱、受力產(chǎn)生變形的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡量減小嚙合間隙。

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(編輯 杜秀杰)

Clearance Effects on Performance of Twin Screw Refrigeration Compressor

WU Huagen,TANG Hao,WANG Yanghao,XING Ziwen

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The effects of meshing clearance and discharge end clearance on the performance of twin screw refrigeration compressor are investigated theoretically and experimentally. The theoretical analysis shows that the influence of the meshing clearance on the volumetric efficiency and the adiabatic efficiency of compressor is several-fold greater than the discharge end clearance under the same gap value which is verified by the experimental measure data. The volumetric efficiency of compressor decreases by 0.4% for every 0.01 mm of increasing meshing clearance and drops 0.13% for 0.01 mm of increasing discharge end clearance. The experiments indicate that the change of the discharge end clearance value slightly affects the compressor performance, such as the volumetric efficiency, adiabatic efficiency and COP, when the meshing clearance increases greatly. Moreover, if the gap is enlarged, the volumetric efficiency, adiabatic efficiency, refrigeration capacity and COP all drop. Thus the meshing clearance ought to be paid more attention than the discharged end clearance in the design of twin screw refrigeration compressor.

twin screw compressor; meshing clearance; discharged end clearance; performance

2014-06-08。

吳華根(1977—),男,副教授。

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-08-0439)。

時(shí)間:2014-09-26

10.7652/xjtuxb201502022

TB456

A

0253-987X(2015)02-0130-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140926.1339.005.html