滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)氣缸優(yōu)化分析與驗(yàn)證

張執(zhí)，張一

(1.沈陽(yáng)中航機(jī)電三洋制冷設(shè)備有限公司 研發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110044；2.遼寧城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 設(shè)備系，遼寧 沈陽(yáng) 110122)

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，小排量制冷設(shè)備需求迅猛增長(zhǎng)，使全滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)行業(yè)快速發(fā)展。在世界能源危機(jī)的大環(huán)境下，提高壓縮機(jī)效率成為了擺在制冷壓縮機(jī)科研人員面前的重要課題。

為提高壓縮機(jī)效率，實(shí)現(xiàn)更高的能效比，各大制造商開(kāi)始愈發(fā)重視對(duì)變頻控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)技術(shù)采用變頻電動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來(lái)提高負(fù)載效率，增大運(yùn)行范圍。由于變頻壓縮機(jī)的容量可調(diào)比遠(yuǎn)大于原機(jī)型，從而極大程度上減少了耗能，降低了壓縮機(jī)的噪聲與振動(dòng)，提高了制冷產(chǎn)品的舒適度。然而，采用變頻技術(shù)制造壓縮機(jī)的成本遠(yuǎn)高于定頻產(chǎn)品，因此并不能滿足工薪階層消費(fèi)者的需求。

采用高導(dǎo)磁、低損耗的硅鋼片材料制造壓縮機(jī)電機(jī)是提高壓縮機(jī)電機(jī)效率的途徑之一。硅鋼片的磁化曲線的飽和點(diǎn)較高，可降低壓縮機(jī)電機(jī)的銅耗，同時(shí)由于硅鋼片的鐵耗低，因此壓縮機(jī)電機(jī)的效率可得到提高。然而此項(xiàng)技術(shù)同樣存在著制造成本高的問(wèn)題。

通過(guò)增加鐵芯尺寸（增大電機(jī)直徑、提高疊片高度）的方式降低鐵損，增大導(dǎo)磁性能，也是提高電機(jī)效率的方法之一。然而這種提高效率的方法耗材很多，并不值得提倡。此外，一些壓縮機(jī)制造商將電機(jī)硅鋼片做得很薄，也可獲得較高的電機(jī)效率，但會(huì)大幅增加電機(jī)成本。

采用高剛性磨頭，提高葉片槽的加工精度，進(jìn)而降低滑動(dòng)摩擦損失，是提升壓縮機(jī)機(jī)械效率的方法之一。壓縮機(jī)葉片安裝在氣缸葉片槽中，其內(nèi)端面與滾套外徑相接觸，將壓縮機(jī)的工作腔分為低壓吸氣腔與高壓壓縮排氣腔。過(guò)去氣缸葉片槽采用切削加工，加工出的葉片槽形狀精度并不高，改用磨削加工可使精度得以提高，從而提升壓縮機(jī)效率。從切削加工與磨削加工后葉片槽的斷面形狀觀察，磨削件整體平面度較切削有很大的改善。但制造加工費(fèi)用的增加，同樣有礙于此項(xiàng)技術(shù)的普及。

通過(guò)壓縮機(jī)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，降低氣缸高度是目前提升壓縮機(jī)效率較為有效的方式之一，具有良好的經(jīng)濟(jì)性且易于實(shí)現(xiàn)。

1 理論分析

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)制冷性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠，因此被國(guó)內(nèi)外的房間空調(diào)器大量采用。但是由于壓縮機(jī)泵體的吸氣腔與壓縮排氣腔是同時(shí)工作的，因此影響壓縮機(jī)效率的因素較多。業(yè)內(nèi)通常將壓縮機(jī)效率分解為電機(jī)效率、容積效率、機(jī)械效率及壓縮效率。由于提升電機(jī)效率多采用增加電機(jī)材料成本的方式實(shí)現(xiàn)，考慮到壓縮機(jī)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，通常情況下壓縮機(jī)廠商主要通過(guò)提升容積效率、機(jī)械效率或壓縮效率以達(dá)到壓縮機(jī)高效化目的。壓縮機(jī)的壓縮效率受到壓縮機(jī)本身結(jié)構(gòu)的限制，提升的空間有限。壓縮機(jī)機(jī)械效率與其零部件的加工及裝配精度有關(guān)，若要提高零部件的加工及裝配水平需要較大的設(shè)備投入。因此提高容積效率就成為了提升壓縮機(jī)效率的最有效途徑。

影響容積效率的主要因素有氣體泄漏、余隙容積（即排氣過(guò)程結(jié)束后仍殘留有高壓氣體的空間）、制冷劑種類等。因壓縮機(jī)廠商對(duì)于零部件結(jié)構(gòu)的通用性考慮，空調(diào)廠商對(duì)于產(chǎn)品適用性的限定等，通過(guò)改變壓縮機(jī)余隙容積或制冷劑種類以提升壓縮機(jī)容積效率的可行性很小。由于滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)泵體內(nèi)部的泄漏通道較多，間隙的相對(duì)長(zhǎng)度較大，故氣體泄漏是影響容積效率的重要因素，減小氣體泄漏就成為提升壓縮機(jī)容積效率的主要手段。

在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的泵體內(nèi)，滾套與氣缸及上、下軸承間、葉片與氣缸及上、下軸承間均采用間隙密封，因此制冷劑氣體通過(guò)這些間隙從壓縮排氣腔向吸氣腔泄漏是不可避免的。過(guò)多的泄漏會(huì)降低制冷劑的壓縮與循環(huán)量，進(jìn)而嚴(yán)重影響泵體的容積效率，導(dǎo)致壓縮機(jī)效率的降低。

利用流動(dòng)模型模擬計(jì)算制冷劑的泄漏量可知，在泵體內(nèi)部的各種制冷劑泄露中，通過(guò)滾套徑向間隙的泄漏量最大，約占總泄漏量的一半。由于受生產(chǎn)條件所限，各壓縮機(jī)制造商所生產(chǎn)的泵體零部件結(jié)構(gòu)形式較為固定。若要達(dá)到減小滾套徑向間隙，從而減少制冷劑氣體泄漏的目的，最直接的方式就是降低工作腔腔體高度，也就是降低壓縮機(jī)的氣缸高度。

綜上，通過(guò)理論分析可知，降低壓縮機(jī)的氣缸高度是目前提升壓縮機(jī)效率較為經(jīng)濟(jì)且易于實(shí)現(xiàn)的方式之一。

2 壓縮機(jī)性能對(duì)比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)氣缸高度降低前后兩方案壓縮機(jī)的性能測(cè)試對(duì)比，判斷氣缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的可行性。

2.2 試驗(yàn)對(duì)象

測(cè)試對(duì)比兩方案壓縮機(jī)的性能指標(biāo)，包括制冷量、輸入功率、電流、溫度等。兩方案樣本差異說(shuō)明如表1。

表1 樣本方案

2.3 試驗(yàn)裝置

采用第二制冷劑量熱計(jì)卡路里試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行壓縮機(jī)性能測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)示意如圖1。

圖1 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)示意圖

2.4 試驗(yàn)條件

針對(duì)本次制作的壓縮機(jī)樣本的應(yīng)用環(huán)境，選擇泰康工況作為試驗(yàn)測(cè)試條件。該工況各關(guān)鍵溫度點(diǎn)具體如表2。

表2 泰康工況測(cè)試條件 ℃

備注：（1）冷凝溫度：冷凝器內(nèi)制冷劑蒸汽在一定壓力下凝結(jié)時(shí)的飽和溫度。（2）蒸發(fā)溫度：制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)氣化時(shí)，對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)壓力下的飽和溫度。（3）閥前溫度：膨脹閥前的溫度。

2.5 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

對(duì)兩方案壓縮機(jī)樣本的性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總對(duì)比，如圖2～4所示。

圖2 制冷量對(duì)比

圖3 輸入功率對(duì)比

圖4 電流對(duì)比

圖5 能效比對(duì)比

通過(guò)壓縮機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比不難看出，降低氣缸高度取得了預(yù)期的效果。氣缸高度降低使壓縮機(jī)的制冷量得到了提高，同時(shí)減少了功率的消耗（壓縮機(jī)電流與輸入功率正相關(guān)），提升了壓縮機(jī)的整機(jī)能效比。

3 結(jié)語(yǔ)

減小壓縮機(jī)泵體的氣體泄漏，特別是滾套徑向間隙的泄漏，對(duì)于提升壓縮機(jī)效率有著重要的意義。而降低壓縮機(jī)的氣缸高度則是減小滾套徑向間隙泄漏的最直接有效方式。