高轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)式變頻壓縮機(jī)的性能實(shí)驗(yàn)研究與優(yōu)化分析

樓海琳

（上海海立電器有限公司，上海 201206）

0 引言

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)領(lǐng)域。李玉斌等[1]通過對家用空調(diào)壓縮機(jī)市場的分析，發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)在制冷空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域的占有率在逐年提升，競爭也愈發(fā)激烈。并且，提高空調(diào)能效仍是未來的發(fā)展趨勢[2]?？照{(diào)系統(tǒng)的能效等級(jí)不斷提升，能效評(píng)價(jià)的方式也從單冷轉(zhuǎn)變成能評(píng)價(jià)全年綜合能效的全年能源消耗率（Annual Performance Factor，APF），并且隨著環(huán)保意識(shí)的加深，環(huán)保型制冷劑替代的加速，R32等新型的環(huán)保制冷劑漸漸被普遍接受及使用[3]。鄭曉峰等[4]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同工況條件下，R32變頻壓縮機(jī)的制冷量比R410A變頻壓縮機(jī)的制冷量提高7.5%～10%，性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）提高了2%～5%?？梢娫谌驴照{(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，R32的應(yīng)用還會(huì)繼續(xù)提速，并在短時(shí)間內(nèi)完成對R410A的逆襲[5]。

變頻旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)作為變頻空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，其功耗占空調(diào)功耗的80%以上[6]，因而它的性能特點(diǎn)對于整個(gè)變頻的空調(diào)系統(tǒng)來說有著巨大的影響[7]。有越來越多空調(diào)廠家將研究的重點(diǎn)放在變頻的旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)上[8]。空調(diào)系統(tǒng)用旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及主要工作原理可以參見文獻(xiàn)[9-11]。胡地等[12]介紹了旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展歷程，指出旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的未來研究重點(diǎn)在于產(chǎn)品的高效性、高可靠性及環(huán)保性。袁旭東等[13]建立了旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)仿真模型。何俊等[14]針對R32環(huán)保制冷劑的排氣溫度高的特點(diǎn)，也作了針對性的分析改良。

本文的目的是為提升開發(fā)機(jī)型的全年能源消耗率，先分析實(shí)測性能，再尋找針對性的改善方法，最后驗(yàn)證其優(yōu)化效果。

1 壓縮機(jī)效率分析

1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

參考機(jī)型Ⅱ型號(hào)為GSD102RKQ，是現(xiàn)有量產(chǎn)機(jī)型，性能穩(wěn)定、產(chǎn)品成熟；參考機(jī)型Ⅰ為高效高成本機(jī)型，成熟度不及參考機(jī)型Ⅱ，僅用于對比；開發(fā)機(jī)型GSD102RKQ-B在參考機(jī)型Ⅱ的基礎(chǔ)上作了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；兩款機(jī)型排量10.2 mL，應(yīng)用于家用1.5 HP變頻空調(diào)。在開發(fā)機(jī)型首輪性能優(yōu)化后，與目標(biāo)存在一定距離，后續(xù)需針對性分析性能提升的關(guān)鍵點(diǎn)，重點(diǎn)對其進(jìn)行優(yōu)化。因此我們對開發(fā)機(jī)型進(jìn)行了性能測試（圖1），測試工況采用日本櫪木APF工況，工況條件信息如表1所示。ηmi按以式(1)計(jì)算：

表1 日本櫪木APF工況條件參數(shù)

圖1 全轉(zhuǎn)速下ηmi、容積效率和泵體效率隨轉(zhuǎn)速的變化

式中，ηm為機(jī)械效率；ηi為指示效率。

可以看到開發(fā)機(jī)型的ηmi有優(yōu)勢，特別是在高轉(zhuǎn)速下，ηmi的優(yōu)勢達(dá)到5.75%。究其原因，主要為開發(fā)機(jī)型對軸系進(jìn)行了優(yōu)化，輕量化的軸系對機(jī)械效率有提升作用；從容積效率趨勢圖看轉(zhuǎn)速提升后容積效率大幅衰減，特別是在高轉(zhuǎn)速下，容積效率的衰減達(dá)到3.37%，簡言之，高轉(zhuǎn)速下的容積效率是提升開發(fā)機(jī)型整體效率的關(guān)鍵因素。

1.2 容積效率和主要影響因素

容積效率定義為壓縮機(jī)實(shí)際的排氣量與理論的排氣量的比值。

排氣量特指在吸氣狀態(tài)下的體積，一般為[15]：

式中，λv為容積系數(shù)，包括因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)缺陷引起的容積損失以及因?yàn)橛嘞对斐傻娜莘e損失；λT為溫度系數(shù)，包括吸氣壓縮排氣過程中，泵體零件對氣體產(chǎn)生加熱的作用，使得氣體膨脹，從而造成容積損失；λp為壓力系數(shù)，包括吸氣脈動(dòng)，吸排氣流動(dòng)損失等造成的容積損失；λl為泄漏系數(shù)，包含泵體零件內(nèi)部因壓差和相對運(yùn)動(dòng)引起的內(nèi)泄漏，以及壓縮機(jī)內(nèi)部油和制冷劑混合物排出壓縮機(jī)，滯留在系統(tǒng)中無法返回的外泄漏[15]。

在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，每轉(zhuǎn)一圈的周期較長，即留給泵體零件對氣體加熱的時(shí)間較長，則加熱的效果更顯著，所以氣體膨脹更明顯，對溫度系數(shù)的影響更大。并且在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，每轉(zhuǎn)一圈的周期較長，即泄漏時(shí)間更長，所以低速時(shí)壓縮機(jī)內(nèi)部泵體零件因壓差和相對運(yùn)動(dòng)引起的泄漏更嚴(yán)重，對泄漏系數(shù)影響更大[20]。通過對影響容積效率的主要因素進(jìn)行分析[16]，低轉(zhuǎn)速下泄漏的影響要比高轉(zhuǎn)速大。因此，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，溫度系數(shù)與泄漏系數(shù)是影響容積效率的關(guān)鍵因素[20]。

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度之間增大后，達(dá)到合適的中間轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速增大、每轉(zhuǎn)一圈的周期減小，根據(jù)上文分析溫度系數(shù)和泄漏系數(shù)逐漸得到改善[17]。即轉(zhuǎn)速上升的速度比泄漏增加的速度快，實(shí)際上泄漏量減小，導(dǎo)致泄漏系數(shù)上升[18]。同理，轉(zhuǎn)速上升也能有效提升溫度系數(shù)。綜上所述，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，泄漏系數(shù)和溫度系數(shù)都逐漸得到改善[20]。

隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速上升至高速區(qū)域，排氣溫度不斷增大[19]，同時(shí)排氣閥的滯后性更明顯，導(dǎo)致氣體回流加劇[20]；同時(shí)壓縮腔內(nèi)二次脈動(dòng)的現(xiàn)象非常明顯，使容積系數(shù)受到較大影響。并且吸氣過程的阻力損失變大，吸氣壓力損失增加，也會(huì)使壓力系數(shù)降低。當(dāng)頻率非常高時(shí)，容積效率還有可能出現(xiàn)微小下降[20]。簡言之，在壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，容積系數(shù)和壓力系數(shù)是關(guān)鍵因素。

綜上所述，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，主要關(guān)注泄漏系數(shù)和溫度系數(shù)，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注容積系數(shù)和壓力系數(shù)。

1.3 高轉(zhuǎn)速下容積效率的提升

根據(jù)上文對容積效率及其影響因素的分析，詳細(xì)梳理高轉(zhuǎn)速容積效率衰減的原因，重點(diǎn)關(guān)注容積系數(shù)及壓力系數(shù)。圖2所示為不同工況下壓縮機(jī)各處流速對比。

圖2 不同工況下壓縮機(jī)各處流速對比

計(jì)算流速的單位均為m/s，具體位置與代號(hào)對應(yīng)分別為：A-儲(chǔ)液器管子、B-襯套、C-吸氣口、D-D切口、E-排氣口、F-排氣口擋板處、G-通穴和H-排氣管。由圖2可知，單排氣結(jié)構(gòu)的開發(fā)機(jī)型在D切口處流速偏小，基本與雙排氣結(jié)構(gòu)的參考機(jī)型Ⅰ相當(dāng)，可減小D切口銑刀角度，從而減小余隙容積并增大D切口處流速。泵體外部排氣流速方面，開發(fā)機(jī)型上消音器腔體高度偏低，使排氣受阻，在裝配安全距離允許時(shí)，可考慮適當(dāng)增高以提升容積系數(shù)；再者開發(fā)機(jī)型的缸高閥座通流面積可作適當(dāng)優(yōu)化，以減小排氣阻力。

對于容積系數(shù)λv，高轉(zhuǎn)速下，排氣閥滯后性較明顯，加劇氣體回流，使得容積系數(shù)降低。余隙容積方面，通過余隙容積的計(jì)算，開發(fā)機(jī)型相對余隙容積為0.94%，介于兩個(gè)參考機(jī)型Ⅰ（相對余隙容積0.71%）與參考機(jī)型Ⅱ（相對余隙容積1.16%）之間，沒有異常高的情況出現(xiàn)。泵體內(nèi)部吸排氣流速方面，通過對流速的計(jì)算，計(jì)算工況采用國標(biāo)APF工況，工況條件參數(shù)信息見表2。

表2 國標(biāo)APF工況條件參數(shù)

對于壓力系數(shù)λp，高轉(zhuǎn)速下，吸氣過程阻力變大，吸氣壓力損失增加，使壓力系數(shù)降低。旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)周期性的吸氣和排氣導(dǎo)致的壓力脈動(dòng)是影響旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的性能、噪聲和振動(dòng)的主要因素之一[21]。從吸氣阻力及脈動(dòng)情況可知，3個(gè)機(jī)型吸氣結(jié)構(gòu)差異不大，若要改善壓力系數(shù)需對吸氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，主要改善吸氣回流損失。

2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上文的分析提出了改善閥座通流的優(yōu)化方案。普通閥座式樣如圖3(a)所示，通流面積較小，排氣阻力較大，適當(dāng)優(yōu)化開發(fā)機(jī)型的缸高閥座通流面積，如圖3(b)所示，閥座通流面積明顯增大，可有效減小排氣阻力。

圖3 普通閥座與優(yōu)化閥座對比

本文提出了上消音器腔體高度增加的優(yōu)化方案。參考機(jī)型Ⅱ消音器式樣如圖4(a)所示。消音器腔體加高后，如圖4(b)所示，能減小排氣回流損失，對高速高壓比工況下的容積效率有利，亦能降低功耗，同時(shí)已確認(rèn)對消音性能影響不大。

圖4 普通消音器及加高消音器對比圖

本文提出了改善吸氣孔擴(kuò)口的優(yōu)化方案。參考機(jī)型Ⅱ及開發(fā)機(jī)型現(xiàn)有的吸氣孔結(jié)構(gòu)為ΦD1/ΦD2，如圖5(a)所示?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)下制冷劑氣體從吸氣孔進(jìn)入吸氣腔后，由于流通截面積突變，氣缸上下端面區(qū)域附近產(chǎn)生渦流，不僅增加了吸氣阻力、增加整機(jī)功耗，還使吸氣量減小、整機(jī)能力下降。擬在內(nèi)側(cè)作斜向橢圓狀擴(kuò)口（圖5(b)），可減小制冷劑進(jìn)入吸氣腔后的渦流及阻力，改善高速高壓比下的性能。

圖5 吸氣孔擴(kuò)口與普通吸氣孔對比

對于D切口銑刀角度的優(yōu)化，將D切口銑刀角度減小，以減小余隙容積并提升D切口處的流速。

以上優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 不同優(yōu)化方案參數(shù)信息

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 冷房定格性能

在冷房定格點(diǎn)測試不同優(yōu)化方案的性能情況，測試方案的試制參數(shù)如表4所示。在冷房定格工況下性能改善情況如表5所示。

表4 不同優(yōu)化方案試制參數(shù)

表5 不同優(yōu)化方案冷房定格性能改善情況

吸氣孔擴(kuò)口方案性能較普通吸氣孔方案冷力提升，入力降低，COP可增長0.95%；容積效率提升0.13%，ηmi可提升0.82%，該方案已申請專利。閥座優(yōu)化與普通閥座相比，容積效率平均提升0.12%，ηmi平均提升0.76%，泵體效率平均提升0.79%，可見閥座通流面積優(yōu)化對排氣阻力及回流有改善，可降低功耗，對總體性能有明顯提升。上消音器加高結(jié)合D切口后，容積效率平均提升0.54%，主要為余隙容積減小后余隙回流改善，上消高度增加后，排氣回流也得到改善，ηmi相當(dāng)，泵體效率提升0.33%，性能波動(dòng)小，優(yōu)化效果發(fā)揮較穩(wěn)定。

3.2 APF工況性能

綜合上文所述優(yōu)化方案（閥座優(yōu)化、上消音器優(yōu)化、D切口優(yōu)化以及吸氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化）在APF工況下進(jìn)行性能測試，如圖6所示。APF工況條件如表2所示。

圖6 綜合優(yōu)化方案APF工況效率

對于容積效率，綜合優(yōu)化方案在各工況均提升2%，低溫制熱工況（5,700 r/min）下的容積效率提升達(dá)到了3%，前期隨轉(zhuǎn)速增大而衰減的現(xiàn)象得到明顯改善，與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。

對于機(jī)械效率與指示效率，整體有一定程度的改善，特別在4,000 r/min以上的高轉(zhuǎn)速下，提升了0.5%，可見優(yōu)化方案也可改善高速下的機(jī)械與指示性能。

開發(fā)機(jī)型的APF較優(yōu)化前提升2.63%，較參考機(jī)型Ⅱ提升4.5%，達(dá)到開發(fā)預(yù)期。

本文所采用的優(yōu)化方案針對高轉(zhuǎn)速下的性能有明顯提升，特別是高轉(zhuǎn)速下的容積效率得到明顯改善，是本次性能優(yōu)化的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

本文為提升開發(fā)機(jī)型的全年能源消耗率，對實(shí)測性能進(jìn)行分析，尋找針對性的改善方法，并驗(yàn)證了優(yōu)化效果，得出如下結(jié)論：

1）高轉(zhuǎn)速下的容積效率是提升開發(fā)機(jī)型全年能源消耗率的關(guān)鍵所在；

2）通過對容積效率的影響因素的研究，分析得出開發(fā)機(jī)型高轉(zhuǎn)速下的容積效率衰減主要與吸氣損失、排氣回流和余隙回流等因素相關(guān)；

3）提出了針對性的改善方案，包括吸氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化、閥座通流面積優(yōu)化、消音器優(yōu)化和排氣D切口優(yōu)化；

4）在冷房定格工況下吸氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案性能提升0.95%，閥座通流面積優(yōu)化方案性能提升0.79%，消音器優(yōu)化方案結(jié)合D切口優(yōu)化方案的性能提升0.33%，綜合采用各個(gè)優(yōu)化方案后開發(fā)機(jī)型的全年能源消耗率較優(yōu)化前提升2.63%，較參考機(jī)型Ⅱ提升4.5%，達(dá)到了開發(fā)預(yù)期。