旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)軸向間隙對(duì)性能影響的研究

應(yīng)必業(yè)，孫瑞松，顏景旭

（奧克斯空調(diào)股份有限公司，浙江寧波 315100）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)對(duì)空調(diào)需求量和空調(diào)能效要求的日益增長，提高空調(diào)能效的技術(shù)研究成為空調(diào)行業(yè)的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。空調(diào)行業(yè)十三五規(guī)劃提出節(jié)能是空調(diào)發(fā)展的主要方向之一[3]，提高空調(diào)能效仍是未來的發(fā)展趨勢(shì)[4]。

空調(diào)制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥4個(gè)基本部件組成，其中壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，在空調(diào)制冷循環(huán)中起到將制冷劑壓縮并循環(huán)的作用，其功耗占空調(diào)功耗的80%以上，因而對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的能效有著至關(guān)重要的影響，因此已有許多關(guān)于提高壓縮機(jī)能效方法的研究[5-8]。

按機(jī)械結(jié)構(gòu)，壓縮機(jī)可分為往復(fù)活塞式、渦旋式、旋轉(zhuǎn)式等，目前家用空調(diào)大多采用旋轉(zhuǎn)式和渦旋式，而往復(fù)式壓縮機(jī)由于機(jī)器大而重不適用于家用空調(diào)[9-10]。相比于往復(fù)式和渦旋式壓縮機(jī)，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、零件少、質(zhì)量輕、體積小、運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)噪聲小、流動(dòng)阻力小等優(yōu)點(diǎn)，主要用在小型家用空調(diào)上。單缸壓縮機(jī)一般適用于1 HP～2 HP，雙缸壓縮機(jī)一般適用于3 HP～6 HP。但結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)帶來的是對(duì)壓縮機(jī)氣缸密封性的高要求，密封間隙基本小于30 μm，對(duì)壓縮機(jī)零件的制造精度和裝配精度有很高的要求。縮小壓縮機(jī)零件的配合間隙，可有效減少壓縮機(jī)的泄漏損失，配合間隙中的油膜更為穩(wěn)定，以此來提高壓縮機(jī)的能效[5,11]。

在空調(diào)新品試制過程中出現(xiàn)壓縮機(jī)過流保護(hù)故障，故障率2‰。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)[12]，由于壓縮機(jī)工作時(shí)高溫致使壓縮機(jī)內(nèi)部零件膨脹，轉(zhuǎn)子和氣缸的材料不同，因而熱脹系數(shù)不同，升溫后軸向間隙有所減小，若轉(zhuǎn)子與氣缸的軸向配合間隙過小，將導(dǎo)致間隙內(nèi)油膜變薄，內(nèi)摩擦增大，壓縮機(jī)泵體運(yùn)轉(zhuǎn)不暢而停機(jī)。因此需要適當(dāng)增加軸向間隙以提高壓縮機(jī)的可靠性，但軸向間隙增大后必然出現(xiàn)制冷劑密封性不足的問題，制冷劑泄漏量增加，壓縮機(jī)性能降低?；趬嚎s機(jī)性能和可靠性，為探究旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)軸向間隙的最優(yōu)值，本研究建立了不同軸向間隙的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行了壓縮機(jī)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可作為旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)改進(jìn)方案的數(shù)據(jù)參考。

1 旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)間隙泄漏模型

影響旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)性能的主要因素為壓縮機(jī)的指示效率、機(jī)械效率和電機(jī)效率。指示效率包括排氣阻力損失、泄漏損失、傳熱損失、余隙容積損失和吸氣阻力損失，其中泄漏損失約占總損失的25%[13]。制冷劑泄漏降低了壓縮機(jī)的容積效率，增加了功耗，嚴(yán)重影響了壓縮機(jī)的性能。

目前關(guān)于壓縮機(jī)間隙泄漏的研究已有很多，并建立了不同的泄漏模型，如一維有摩擦變截面模型[14]、噴嘴模型、范諾流模型[15]，為間隙泄漏的實(shí)驗(yàn)研究提供了理論分析的基礎(chǔ)。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，間隙泄漏的通道分為5個(gè)部分，如圖1所示。圖中1為氣缸內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子外表面的徑向間隙，2為氣缸端面與轉(zhuǎn)子端面的軸向間隙，3為氣缸端面與滑片端面的間隙，4、5為滑片的兩側(cè)面與滑片槽的間隙。其中，軸向間隙導(dǎo)致制冷劑泄漏的泄漏量占總泄漏量的20%左右[16]。

2 壓縮機(jī)性能測(cè)試

2.1 壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性實(shí)驗(yàn)

壓縮機(jī)泵升溫實(shí)驗(yàn)是壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過程中必需的環(huán)節(jié)，主要測(cè)試壓縮機(jī)泵體在工作溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)的流暢性，以此檢驗(yàn)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。壓縮機(jī)工作時(shí)泵體溫度升高主要影響內(nèi)部零件配合間隙，當(dāng)泵體溫度升高后，各零件膨脹，配合間隙發(fā)生變化。如果間隙過小，引起油膜變薄甚至油膜不連續(xù)，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)摩擦力增大，甚至磨損[17]，熱量難以被帶走，最終發(fā)生故障停機(jī)。如果間隙過大，在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)潤滑油粘度下降[18-19]、運(yùn)行電流下降、吸排氣壓力下降、吸排氣溫度升高、制冷能力下降、壓縮比增大等問題，甚至造成壓縮機(jī)干壓縮而導(dǎo)致故障[20-21]。

在空調(diào)新品試制階段所用的壓縮機(jī)出現(xiàn)了故障問題，先驗(yàn)證所用壓縮機(jī)的可靠性。由于所用壓縮機(jī)軸向間隙設(shè)計(jì)值為8 μm～11 μm，且實(shí)際裝配間隙值服從正態(tài)分布，因此實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了軸向間隙為7.5 μm和8.5 μm的壓縮機(jī)各3臺(tái)進(jìn)行壓縮機(jī)升溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度設(shè)置為130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃和180 ℃，在各溫度下保溫30 min后測(cè)試各臺(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示軸向間隙為7.5 μm的壓縮機(jī)在130 ℃溫度下出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢問題，溫度超過140 ℃時(shí)壓縮機(jī)出現(xiàn)卡缸。軸向間隙為8.5 μm的壓縮機(jī)在各溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)正常。因此壓縮機(jī)軸向間隙較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)可靠性問題，軸向間隙的設(shè)計(jì)值應(yīng)適當(dāng)增大。

2.2 壓縮機(jī)性能測(cè)試

為尋求軸向間隙的合理性，在確保性能不下降的前提下提高可靠性，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的軸向間隙，裝配了軸向間隙分別為8.5 μm、10 μm、12 μm、13.5 μm、15 μm、16.5 μm和18 μm的試驗(yàn)壓縮機(jī)各3臺(tái)，進(jìn)行額定制冷性能測(cè)試，測(cè)試所用的壓縮機(jī)規(guī)格見表1，測(cè)試工況見表2。

表1 壓縮機(jī)規(guī)格

表2 壓縮機(jī)制冷性能測(cè)試工況

3 結(jié)果與分析

壓縮機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果見圖2、圖3，圖中各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為各軸向間隙下的性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值?？梢钥闯鰤嚎s機(jī)軸向間隙對(duì)壓縮機(jī)制冷量、功率和COP等參數(shù)并不是線性關(guān)系。在13.5 μm～15 μm間隙范圍內(nèi)制冷量明顯下降，超過15 μm后制冷量急劇下降。軸向間隙超過13.5 μm后，壓縮機(jī)功率顯著增大。隨著軸向間隙增加、制冷量的降低與功率的增加，壓縮機(jī)的COP在13.5 μm處出現(xiàn)拐點(diǎn)，COP顯著下降。

當(dāng)軸向間隙小于13.5 μm時(shí)，隨著間隙值的增大，壓縮機(jī)制冷量較為穩(wěn)定，功率略有下降，COP增大；這是由于軸向間隙較小時(shí)，雖然可以降低制冷劑的泄漏率，但壓縮機(jī)的可靠性欠缺，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生熱脹后，軸向間隙縮小，轉(zhuǎn)子與氣缸摩擦阻力增加，摩擦功耗增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)性能下降。另外，較小的軸向間隙也會(huì)增加零件加工精度和裝配精度，增加壓縮機(jī)成本。當(dāng)軸向間隙大于13.5 μm時(shí)，隨間隙值的增加，壓縮機(jī)制冷量降低，功率增加，COP降低；這是由于軸向間隙過大導(dǎo)致制冷劑內(nèi)泄漏增加，壓縮機(jī)指示效率減小，致使COP下降。因此，綜合壓縮機(jī)的可靠性和能效，軸向間隙存在一個(gè)最優(yōu)值，即13.5 μm，此時(shí)，制冷量為3,461 W，功率為760 W，COP為4.56，在保證壓縮機(jī)能效的前提下提升了可靠性。

此型號(hào)目前在產(chǎn)的壓縮機(jī)的軸向間隙為8 μm～ 11 μm，由圖2、圖3曲線可知，當(dāng)軸向間隙取最優(yōu)值13.5 μm時(shí)，與8.5 μm和10 μm相比，制冷量提高1 W～2 W，功率降低2 W～4 W，能效比提高0.02～0.03。由此可見，較小的軸向間隙會(huì)增大摩擦阻力，導(dǎo)致摩擦功耗增加。此外，軸向間隙值的增加降低了零件的裝配精度要求。

圖2 壓縮機(jī)的制冷量和功率

圖3 壓縮機(jī)的能效比

4 結(jié)論

本文通過裝配不同軸向間隙的壓縮機(jī)，進(jìn)行了壓縮機(jī)性能測(cè)試，基于壓縮機(jī)可靠性與能效，探究了旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)軸向間隙的最優(yōu)值。通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1）旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的可靠性、性能和軸向間隙并非成線性關(guān)系，隨軸向間隙的增加，可靠性與性能均成先增后減趨勢(shì)；因此旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)軸向間隙存在最優(yōu)值；

2）軸向間隙過小或過大都會(huì)出現(xiàn)可靠性問題，間隙過小會(huì)增加摩擦阻力導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)異常，間隙過大會(huì)增加制冷劑泄漏量；在保證可靠性的前提下，考慮能效和裝配精度，本實(shí)驗(yàn)選取的旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)軸向間隙的最優(yōu)值為13.5 μm。