大功率滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)開發(fā)

王樹鵬

摘要：近年多聯(lián)機(jī)市場(chǎng)及低溫?zé)岜檬袌?chǎng)發(fā)展迅速，大功率滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)較渦旋壓縮機(jī)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯，占比越來(lái)越大，市場(chǎng)前景廣闊。本文主要介紹了大功率DC轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。首先，高可靠性的轉(zhuǎn)動(dòng)系結(jié)構(gòu)，保證運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低曲軸負(fù)載，確保電機(jī)氣隙均勻；其次，保證安裝狀態(tài)下油循環(huán)量抑制；再次，保證有效的噪聲抑制和高可靠的排氣結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：輕商；大功率轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)；轉(zhuǎn)動(dòng)系穩(wěn)定；油平衡；降噪

現(xiàn)在，多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品價(jià)格逐步下降，消費(fèi)者對(duì)多聯(lián)機(jī)的接受程度逐年增加，同時(shí)，各企業(yè)的資源及研發(fā)投入加大、終端大力推廣等推動(dòng)了國(guó)內(nèi)多聯(lián)機(jī)市場(chǎng)迅速發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)加入多聯(lián)機(jī)的開發(fā)，競(jìng)爭(zhēng)越演越烈，不斷提高推動(dòng)著多聯(lián)機(jī)市場(chǎng)的繁榮和發(fā)展。目前市場(chǎng)上的多聯(lián)機(jī)主要以渦旋壓縮機(jī)為主。

此外，近年來(lái)空氣源熱泵發(fā)展迅速，受到采暖用產(chǎn)品快速發(fā)展的影響，商用機(jī)產(chǎn)品的占比大幅增長(zhǎng)。其中，2017年上半年商用機(jī)所占比例達(dá)到50%以上，而在2016年同時(shí)期商用機(jī)所占比例如僅有35%。

在2017年上半年空氣源熱泵在熱水、采暖領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)上升。2017年空氣源熱泵采暖占據(jù)采暖市場(chǎng)領(lǐng)域的40%以上的份額，與壁掛爐50%的市場(chǎng)份額相比幾乎持平。所以，無(wú)論是在多聯(lián)機(jī)領(lǐng)域還是熱泵采暖領(lǐng)域，近幾年都迅猛發(fā)展，

相對(duì)于渦旋式壓縮機(jī)，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)變工況條件下性能占有很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)成本低廉，隨著技術(shù)水平的持續(xù)提升，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越受到重視，向大型化發(fā)展的趨勢(shì)明顯。

大功率轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)作為在多聯(lián)機(jī)和低溫?zé)岜妙I(lǐng)域的新生力量，發(fā)展迅速，因此開發(fā)高效、高可靠性、低噪音的大功率壓縮機(jī)非常重要。

1渦旋式壓縮機(jī)與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)比較

渦旋式壓縮機(jī)是由一個(gè)固定的漸開線渦旋盤和一個(gè)呈偏心回旋平動(dòng)的漸開線運(yùn)動(dòng)渦旋盤組成可壓縮容積的壓縮機(jī)。渦旋式壓縮機(jī)是有兩個(gè)雙函數(shù)方程型線的動(dòng)、靜渦盤相互咬合而成。在吸氣、壓縮、排氣的工作過(guò)程中，靜盤固定在機(jī)架上，動(dòng)盤由偏心軸驅(qū)動(dòng)并由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制約，圍繞靜盤基圓中心，作很小半徑的平面轉(zhuǎn)動(dòng)。

滾動(dòng)動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)是一種容積型回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，氣缸工作容積的變化，是依靠一個(gè)套在曲軸偏心部位的滾套在氣缸內(nèi)的滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。滾套回轉(zhuǎn)一周，將完成一個(gè)工作循環(huán)的壓縮和排氣過(guò)程及下一工作循環(huán)的吸氣過(guò)程；由于不設(shè)吸氣閥，吸氣開始的時(shí)機(jī)和氣缸吸氣孔口位置有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不隨工況的變化而變動(dòng)；由于設(shè)置了排氣閥，壓縮結(jié)束的時(shí)機(jī)將隨系統(tǒng)中壓力的變化而變動(dòng)。

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，同活塞式壓縮機(jī)比較，體積可減小40% ～50%，重量也可減輕40% ～ 50%；零部件少，特別是易損件少，同時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦損失少，因而可靠性較高；僅葉片有較小的往復(fù)慣性力，旋轉(zhuǎn)慣性力基本完全平衡，轉(zhuǎn)速可以較高，并且振動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；沒(méi)有吸氣閥，吸氣時(shí)間長(zhǎng)，余隙容積小，并且直接吸氣，吸氣過(guò)熱小，所以其效率高。

2大功率滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)技術(shù)要點(diǎn)

2.1轉(zhuǎn)動(dòng)系的可靠性設(shè)計(jì)

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)主要由泵體、電機(jī)、外殼組件、上蓋組件和氣液分離器構(gòu)成。壓縮機(jī)泵體位于電機(jī)的下方，泵體的氣缸或軸承通過(guò)三個(gè)或多個(gè)焊點(diǎn)與外殼連接，定子組件通過(guò)熱裝工藝與外殼組件過(guò)盈配合固定，我公司既有產(chǎn)品功率范圍從1HP到4HP，相對(duì)比較成熟。但目前要開發(fā)大功率的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)功率區(qū)間定義為5HP到8HP，相比已經(jīng)進(jìn)行批量生產(chǎn)的機(jī)型，在排氣量、制冷能力、機(jī)械負(fù)荷上均大幅增加，因此原有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足新的要求，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行突破創(chuàng)新。

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的泵體和電機(jī)都裝配于外組件內(nèi)，轉(zhuǎn)子組件熱裝于泵體的曲軸上面，轉(zhuǎn)子組件和曲軸滾套的組合體構(gòu)成了滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)系，裝配后電機(jī)的定子組件和轉(zhuǎn)子組件存在不同軸的問(wèn)題，由于滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)系近似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，曲軸會(huì)受到偏心質(zhì)量的離心力和電機(jī)的單邊電磁拉力的作用，會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，此時(shí)可能會(huì)造電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間氣隙過(guò)小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子外徑會(huì)和定子內(nèi)徑出現(xiàn)異常接觸，即所謂的“掃膛”現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象出現(xiàn)，我們可以采取提高曲軸材料強(qiáng)度：高牌號(hào)球鐵、鍛造鋼等材料來(lái)增強(qiáng)曲軸的抗彎特性；提供結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，增大曲軸直徑，提高抗彎能力；降低轉(zhuǎn)子組件熱裝高度，減小懸臂作用長(zhǎng)度；增加曲軸脖頸直徑等方案來(lái)改善抗彎特性。此外也可采用在曲軸長(zhǎng)軸末端增加一個(gè)輔助軸承的方式，使曲軸的受力結(jié)構(gòu)由懸臂梁結(jié)構(gòu)變?yōu)閮牲c(diǎn)支撐的梁結(jié)構(gòu)，從而降低曲軸的撓曲變形，從而保證定轉(zhuǎn)子之間的氣隙更加均勻，由此來(lái)保證轉(zhuǎn)動(dòng)系的可靠性。

2.2工作狀態(tài)下的油循環(huán)量抑制

空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，冷凍機(jī)油油會(huì)隨著制冷劑的循環(huán)被帶到空調(diào)系統(tǒng)中去，進(jìn)入到系統(tǒng)配管、冷凝器和蒸發(fā)器中，所以需要保證壓縮機(jī)內(nèi)冷凍機(jī)油的量，才能確保壓縮機(jī)能夠良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，確保機(jī)械部件的磨損不出現(xiàn)異常。特別是對(duì)于配管較長(zhǎng)的系統(tǒng)，控制冷凍機(jī)油的循環(huán)量顯得更加重要。我公司開發(fā)的大功率轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)在控制油循環(huán)量方面做了諸多工作，控制壓縮機(jī)壓縮機(jī)內(nèi)一次、二次腔比例，降低壓縮機(jī)一、二次腔的壓力脈動(dòng)，優(yōu)化電機(jī)沖片結(jié)構(gòu)，調(diào)整冷媒流動(dòng)的有效截面積，減小流動(dòng)阻力，優(yōu)化排氣管的結(jié)構(gòu)，調(diào)整消音蓋排氣孔結(jié)構(gòu)尺寸和位置，降低排氣壓力脈動(dòng)等方式進(jìn)行油循環(huán)量抑制。

2.3噪音抑制

大功率轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是渦旋式壓縮機(jī)，在噪音方面通過(guò)設(shè)計(jì)改善較渦旋式有優(yōu)勢(shì)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)系的剛性增加，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)軸系的穩(wěn)定性，減少因?yàn)槎ㄞD(zhuǎn)子間氣隙不均勻帶來(lái)的電磁噪聲，通過(guò)流體和聲學(xué)的CAE仿真，設(shè)計(jì)新規(guī)格的排氣消音蓋結(jié)構(gòu)。

2.4排氣閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)

大功率轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，排氣量大，對(duì)排氣結(jié)構(gòu)可靠性要求很高。可能的失效模式有：

（1）排氣閥片彎曲應(yīng)力過(guò)大，疲勞失效造成頸部斷裂。

（2）排氣閥片的沖擊狀態(tài)下，接觸應(yīng)力過(guò)大，達(dá)到一定周期后頭部破裂。

通過(guò)對(duì)閥片、閥被板的CAE分析，提高排氣閥的可靠性是十分必要的，通常通過(guò)采用高強(qiáng)度、高彈性閥片材料；優(yōu)化閥背板結(jié)構(gòu)形狀，改變閥座材料、優(yōu)化閥片開啟高度等來(lái)進(jìn)行改善。

3總結(jié)

近幾年多聯(lián)機(jī)市場(chǎng)及低溫采暖市場(chǎng)均發(fā)展迅速，大功率轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)較渦旋式壓縮機(jī)競(jìng)爭(zhēng)還是有明顯優(yōu)勢(shì)的，開發(fā)高效率、高可靠性、低噪音的大功率轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)是非常必要的，需要在上述關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]繆道平，吳業(yè)正.《制冷壓縮機(jī)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2008年第一版.

[2]馬國(guó)遠(yuǎn)，李紅旗.《旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2003年第一版.

（作者單位：沈陽(yáng)中航三洋制冷設(shè)備有限公司）