影响涡旋压缩机性能的因素分析

廖全平

    1 前言

    涡旋压缩机因其效率高、振动噪音低、运转平稳、可靠性好等显著优点,正受到越来越多的空调生产厂家的青睐和认同。对压缩机生产厂家来说,保证产品质量,生产出性能稳定、优质的压缩机是占领市场的先决条件。本文结合涡旋压缩机生产实践,对影响涡旋压缩机性能的主要因素进行分析。

    2 涡旋压缩机的功率和效率

    压缩机消耗的功率; 一部分是直接用于压缩气体的,为指示功率,另一部分用于克服机械摩擦,为摩擦功率。两者之和称轴功率。
    对于全封闭式涡旋压缩机,因其轴功率难于测量,常常在计算压缩机的能效比或COP值时,用的是电机输入功率,而把电机损失作为常数处理,而且把压缩机指示功率分为压缩内功和各种内部损失两部分。内部损失则包括气体泄漏损失、加热损失、吸排气压力损失、流体阻力损失等。如下所示:

    压缩机效率通常以能效比或COP值来衡量。
    若实际吸气容积为VS(m3/min),折算到吸气状态的实际排气量为:
    V=n(Vs-vsmo)(1)
    式中:n--转速rev/min;vs--吸气比容(单位质量物质所占容积,m3/kg);mo--每分钟泄漏量kg/min。
    假设ηv(容积效率)为0.9∽0.98。
    估算:
    V=ηv·vs·n(2)
    ∴ 实际制冷量Q=( V·qv·n)/(6.02×107)
    =(ηv·vs·n2·qv)/ (6.02×107)(3)
    qo-单位制冷量
    当制冷或空调工质、工况确定后,Q只与ηv、vs及n有关。
    COP=Q/N(w/w)(4)
    N--电机输入功率
    COP值与能效比(EER)的数值关系
    EER = 0.86 COP(5)

    3 因素分析

    从以上分析可知,影响涡旋压缩机性能的主要因素有:
    3.1 电机输入功率
    造成全封闭式涡旋压缩机电机输入功率偏大的原因,在压缩机实际工作过程中是非常复杂的,但主要有:电机损耗过大,包括铜损、铁损,这与电机材料和加工工艺有关(本文不作详细分析);压缩机工作过程引起的功率消耗。
    3.1.1 机械摩擦
    当压缩机工作时,动、定盘之间,防自转滑环与配合键槽之间,曲轴与各被驱动面(轴承)之间接触并发生相对滑动等,不可避免的产生摩擦损失。
    ①动盘与定盘之间的摩擦损失
    动、定盘间的摩擦损失,即是压缩机工作腔内的摩擦损失,若动定盘的涡旋线、齿顶、底面,或镜板面因加工精度、平面度、位置度等没有达到要求,则会在这些地方产生异常摩擦;或者压缩机整机含尘量较高,又或者固体尘埃(如焊渣、加工余屑等)颗粒直径过大也会造成压缩机工作腔内异常摩擦,严重时甚至影响压缩机正常工作。
    ②防自转滑环与各配合键槽之间的摩擦损失
    防自转滑环主要用于防止动盘的自转运动,在压缩机工作过程中,防自转滑环在机架和动盘上分别沿垂直方向上与键槽滑动配合,在滑动过程中产生滑动摩擦损失。若十字键或键槽的垂直度、平行度、光洁度、平面度超差较大时,则会增大摩擦,加大功耗。另外,因为对立式涡旋压缩机防自转滑环是直接与机架上的支撑面接触的,在运动过程中,也不可避免产生摩擦损失。
    ③曲轴与各驱动面间的摩擦损失
    电动机驱动力是通过曲轴转动,从而带动动盘旋转来完成吸气、压缩、排气的过程。由于曲轴中心线与滑动轴承的中心线重合是非常困难的,而且由于加工误差和装配误差的影响,轴和轴承常常是偏心的,由此而产生的摩擦损失也是必然的,另外止推轴承与主轴承内圈之间也存在摩擦损失。
    ④润滑油的影响
    以上各摩擦面、啮合面都必须有足够的润滑,才能保证压缩机安全、可靠、高效的工作。在制冷压缩机中,不论是强制冷却或是自然风冷,润滑油总是在降温后由上油孔或上油管进入各摩擦面,吸收十字环、工作腔、轴承等处的热,随高压气体经排气口排出,从而保证压缩机正常工作。但是如果润滑油量过多时,则会随排气进入系统且滞留在冷凝器、蒸发器等存油弯,影响两器换热,严重时会影响压缩机正常工作。
    以上列出涡旋压缩机各零部件制作过程中主要质量监控点,若失控,将直接影响压缩机正常工作,或明显影响压缩机性能。
    3.1.2 流体阻力
    ①动盘运动引起的流动阻力损失
    当动盘旋转时,因其背面受中间压力腔中流体(包括气体、油气混合物)阻碍,会产生流动阻力损失,阻力大小与动盘背部结构、几何尺寸、旋转角度及流体密度有关。
    ②平衡块的流动阻力损失
    平衡块所在空间是具有一定压力的气体,油或油气混合物,当平衡块随曲轴一起旋转运动时,会产生阻力损失,阻力大小与平衡块几何尺寸、流体扰动系数、粘度、密度等有关。
    ③吸、排气阻力损失
    气体流动时,由于气体内部的摩擦以及气体与管壁之间的摩擦,而导致流动阻力损失。
    当气体通过吸气管道和吸气阀(逆止阀)时,产生阻力损失,使吸气压力降低,既减少了吸气密度,相应地使实际排气量降低,降低了容积效率;同样地,排气孔口处的流动阻力,使得压缩机实际排气压力升高,而使功耗增加。
    3.2 气体泄漏
    3.2.1 气体泄漏种类
    气体泄漏可分为内泄漏和外泄漏。
    内泄漏是指压缩机各压缩腔之间,压缩腔与背压腔之间的气体泄漏,表现为高压气体向低压腔泄漏,再从低压腔压力压缩到泄漏前压力,造成重复压缩消耗功率,所以内泄漏直接结果为增加功耗。
    外泄漏是指压缩机在吸气过程中与外界(大于吸气压力的高压气体)进行气体交换。显然,高压气体进入到吸气腔内膨胀,并占据空间,使得实际吸气量减少。即外泄漏不仅使功耗增加,而且还减少吸入气体量,使排气量减少和制冷量降低。
    3.2.2 泄漏通道
    ①内泄漏
    涡旋压缩机中,内泄漏的发生途径主要有工作腔之间的泄漏,工作腔与背压腔之间的泄漏,安全阀孔泄漏等。
    ①工作腔之间的泄漏
    径向泄漏:气体或油中溶解的工质通过轴向间隙产生的泄漏(图1)。
    轴向泄漏:气体或油中溶解的工质通过径向间隙产生的泄漏(图2)。
    ②工作腔与背压腔之间的泄漏
    中间压力腔与背压腔之间的气体、或油中溶解的工质的交换(图3)。
    背压腔与动盘端板面密封之间的气体或油气混合物的交换(图4)。
    ③安全阀孔泄漏
    主要是排气缓冲腔内的高压气体通过安全阀孔泄漏到低压工作腔(图5)。所以,目前有些压缩机在确保正确使用的前提下,也采用取消安全阀的设计,以减少内泄漏,提高压缩机效率。外泄漏主要是指由于定盘吸气孔O型环密封性差,导致高压气体进入吸气腔的泄漏(图6)。

图1

图2

图3

图4

图5

图6

    3.3 吸气预热
    吸入气体受压缩机机体或环境加热,使吸入气体密度减少,实际吸气量减小,从而实际排气量减小,制冷量降低,功耗增加。有资料表明,吸气预热每增加3℃则能效比下降1%。

    4 总结

    综上所述可知,影响涡旋压缩机性能的因素是错综复杂的,它包括了设计、制造和使用等各个环节,除以上分析的因素外,还有如吸油管搅油损失,气体流动摩擦损失,动定盘材料(热膨胀系数)影响,动定盘齿高选配等。在涡旋压缩机生产过程中出现能效比偏低时,则应抓住主要矛盾,系统化分析原因,才能行之有效地解决问题。

参考文献

1，李连生.涡旋压缩机.机械工业出版社，1998年.