文章编号:1004-132Ⅹ(2002)19-1706-03涡旋压缩机的发展优势和关键技术冯健美　博士研究生冯健美　屈宗长 摘要:从涡旋压缩机的发展历史、特点、研究现状方面分析了涡旋压缩机的发展优势,介绍了各种型线的特点及评判标准,提出了涡旋压缩机进一步发展的关键技术。

关键词:涡旋压缩机;型线;柔性机构;整体优化中图分类号:T H457;T B652 文献标识码:A收稿日期:2001—12—29 涡旋压缩机最早于1905年提出,但由于加工手段和工艺设备的局限性没有得到深入的研究和发展。

直到20世纪70年代,能源危机的加剧和高精度数控铣床的出现,为涡旋机械的发展带来了机遇。

美国ADL 公司1973年首次提出涡旋氮气压缩机的研究报告,并证明了涡旋压缩机具有其它压缩机无法比拟的优点。

1982年,日本三电公司开始批量生产汽车空调涡旋压缩机,其后日立公司、三菱电气、大金、松下、美国的谷轮公司和特灵公司也开始批量生产涡旋压缩机。

进入21世纪,谷轮公司又推出了一种新的数码涡旋压缩机,使空调器不必使用昂贵的变频控制器就能实现制冷量在10%～100%范围内的无级调节。

1993～1998年整个压缩机市场只增长了5.2%,涡旋压缩机却增加了26%,1998年底柔性涡旋压缩机的产量已经突破了1200万台。

我国1983年以后才开始涡旋压缩机的研制工作,1987年试制出第1台涡旋空气压缩机。

目前涡旋压缩机的研究制造主要集中在美国、日本、中国和韩国。

近年来研究涡旋压缩机的论文不断增多,研究内容主要集中在涡旋压缩机的几何特性、工作原理、泄漏及密封、加工工艺及材料、型线修正及通用型线、整体优化等方面。

1　涡旋压缩机的发展优势涡旋压缩机作为第3代压缩机产品,与第1代往复式压缩机比较,有结构简单、体积小和重量轻的特点。

它的主要零部件仅为往复式的1/10,体积减小40%左右,噪声也下降5～8dB(A );无气阀等易损件,流体的流动损失也减至最小;转速可在较大范围内调节,且效率变化不大;多腔同时工作,转矩均匀。

图1为涡旋压缩机振动和噪声特性曲线,图2为其转矩变化特性曲线。

图3给出了2种压缩机在不1.往复式(1缸)2.往复式(2缸)3.涡旋式图1　涡旋压缩机的噪声和振动特性同压力比下的效率曲线。

与第2代产品回转式压缩机比较,涡旋压缩机有较高的容积系数,且气流脉动低10%左右。

1.往复式(2缸)2.滚动转子3.涡旋式图2　涡旋压缩机的转矩特性涡旋压缩机应用在汽车空调上有其它压缩机不可替代的优势,日本、美国几个大公司就首先将涡旋压缩机用于汽车空调。

德国汉诺威大学曾对往复式、汪克尔、滑片式、六缸斜盘式、五缸斜盘式、螺杆式、滚动活塞式以及涡旋式等8种车用空调压缩机进行性能比较,涡旋压缩机转速在4000r /m in 以上时性・1706・中国机械工程第13卷第19期2002年10月上半月能明显高于其它类型压缩机[1],而这个转速范围正是汽车正常运行工况的压缩机转速。

图4给出了8种车用空调压缩机性能的比较。

1.涡旋式2.往复式图3　2种压缩机不同压力比下的效率曲线1.滑片式2.往复式3.汪克尔式4.滚动活塞式5.涡旋式6.六缸斜盘式7.螺杆式8.五缸斜盘式图4　8种压缩机性能比较2　涡旋压缩机关键技术的研究现状及发展2.1　型线的研究涡旋压缩机的工作过程主要依赖于容积的变化来实现,所以型线设计是一个最基本也是较为重要的问题。

判断型线的优劣主要从体积小、容积效率高、运转平稳、易于保证加工精度等方面考虑。

目前采用的型线主要为单一型线、修正型线、组合型线和通用型线。

单一型线主要包含有基圆渐开线、正多边形渐开线、线段渐开线、半圆渐开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基圆渐开线、包络型线等。

从有效容积的定义出发,对几种不同型线的优劣进行比较得出[2],圆的渐开线的有效容积比为1,正四边形渐开线为0.9,正六边形渐开线为0.95,正八边形渐开线为0.972,线段渐开线为1.023。

考虑到加工工艺,圆的渐开线运用较为广泛。

但在实际设计型线时,由于单一型线的内压比不能任意改变,加工刀具的干涉易在型线的始端产生很大的应力以及中心腔余隙容积的存在等原因,需要对型线进行修正,于是就产生了直接截断修正、双圆弧修正、圆弧-直线-圆弧修正、多段圆弧修正、二次曲线修正等修正型线,图5、图6为2种修正型线参数示意图。

组合型线是在同一涡圈上采用多段不同类型的型线连接为光滑型线,以发挥不同型线的优势,这种型线不但可兼顾吸气、压缩、排气全过程,而且还具有一些突出特点,它是修正型线的拓展。

图5　对称圆弧修正型线参数示意图图6　对称圆弧加直线修正型线参数示意图尽管各种型线均有自己的特点,但由于这些型线与性能参数的映射关系过分依赖型线方程,所以每种型线的模型针对性太强,缺乏通用性,同时需要对不同方案进行比较,造成计算工作量大,因此最近提出了通用型线的概念[3]。

通用型线除了包含常用典型的型线外,还易于扩展出新的型线和便于建立优化的统一数学模型,可方便地进行正向分析和逆向修正。

文献[3]提出了通用型线的表达式,并对通用型线的热、动力特性进行了详细的研究,确定了各种计算公式。

2.2　机构的研究良好的型线为涡旋压缩机性能的提高奠基了基础,机构方面的改善则能保证型线发挥出最大的优点,同时又能进一步降低加工成本。

机构方面的研究包括柔性结构、轴向等端面密封结构。

涡旋压缩机加工精度要求高,即使在大批量生产情况下,其涡旋型线的轮廓度也必须控制在10～15 m 以内,型线底面的平面度和型线之间的平行度须控制在5 m 以内[4],如果介质中存在固体杂质就会损伤型面,使泄漏增加;轴向摩擦会使轴向间隙增・1707・涡旋压缩机的发展优势和关键技术——冯健美　屈宗长大,导致径向泄漏增加。

前一种情况行之有效的解决方式是适当降低加工精度并采用柔性结构。

所谓柔性结构,是使涡旋压缩机在整个工作过程中涡旋盘可以自由地调整定位,使压缩机永远保持最佳磨合状态,其特点是允许动涡盘径向微微移动,这样,当压力过高或者当气体中含有固体杂质以及发生液击　图7　压缩机轴向柔性机构示意图时,能承受由此所产生的高应力。

柔性结构这一特点为涡旋盘的安全工作提供了保护[5]。

而后一种情况需使用轴向的柔性机构,见图7,利用静盘背面的排气压力作为轴向推力,配合旁通和气体返回系统来调节轴向的密封力,图8为此机构的回流示意图,此机构保证了压缩机在整个运转过程中轴向密封力图8　轴向柔性机构回流示意图适中。

另一种方法是采用轴向端面密封机构,此机构　图9　利用密封条调节轴向密封力通常是在动盘型线顶部开一略宽于密封元件的密封槽,在气体力的作用下,其密封元件紧贴于盘的底面,且密封力随压缩腔气体的压力而变化。

图9为此种机构的示意图。

2.3　强化冷却由于涡旋压缩机的单位散热面积小,所以其压力在一定程度上受到工作温度的限制,特别在无油压缩机中,强化冷却是提高轴承使用寿命和型线寿命的关键。

目前比较有效的方法是在动静盘上设计夹层且做成开式系统,此结构既隔断了工作腔向轴承上的传热,又可加强冷却空气直接对压缩腔的气体冷却。

2.4　整体优化设计理论涡旋压缩机在原理上有许多优点,然而要使这些优点真正反映在产品中,则必须有正确合理的设计方案和高精度的加工及严格的装配工艺,其中设计方案是否合理尤为重要。

传统设计方法是经验、半经验方法,费时、费工,效率低,而且最终方案并不是整体的最佳方案。

采用优化设计方法,以能够正确反映压缩机实际工作过程的数学模型为基础,利用计算机求解,得到压缩机性能参数与各设计变量间的相互关系,再运用适当的寻优方法可得出最优的设计方案。

文献[6]针对空调用涡旋压缩机,在保持样机其它结构参数不变的条件下,选取涡旋圈数、背压孔位置角、涡旋齿厚3个基本参数为设计变量,以能效比为目标函数,进行了优化设计,对原样机结构参数提出了改进意见,优化后使整机性能有了较大的提高。

文献[7]提出涡旋压缩机等效缸径的概念,将型线的高度、槽宽和厚度化为3个独立的无量纲特征参数,给出了不同设计条件下特征参数的优选策略。

3　结语涡旋压缩机的研究与开发已受到各界的广泛重视,其发展极其迅速,变频调速技术在涡旋空调系统中的应用使其独特的优点得以充分体现。

今后一个时期,涡旋空气压缩机将逐步向高压和大功率方向发展,其应用范围将进一步扩大,特别适合于环保要求高的特定应用场合。

在空调系统中,新的制冷工质对涡旋压缩机的结构提出新的要求,经过结构改进,涡旋压缩机将会更加适应此种应用场合。

可以预测,涡旋压缩机的研究和制造将会在我国有一个较大的飞跃,其前景相当乐观。

参考文献:[1]　K aiser H.An I nv estig atio n on R ecipr o cat ing andR otar y Refr ig erat ion Compressor s.Pr oc.of Inter -national Co mpressor Eng ineer ing Co nfer ence ,Pur -dur,U SA ,1984.[2]　樊灵,屈宗长,靳春梅等.涡旋压缩机型线研究的概述.机械工程学报,2000,36(9):1～4[3]　屈宗长,樊灵,王迪生等.通用型线涡旋压缩机几何理论.西安交通大学学报,1999,33(11):39～42[4]　谢利昌.涡旋压缩机大批量生产的几个关键技术问题.制造技术与机床,2000(5):32～35[5]　李元鹤,朱杰,屈宗长.涡旋压缩机静盘轴向补偿机构的计算分析.压缩机技术,1998(2):30～32[6]　张立群,刘永波.空调用涡旋压缩机的优化研究.流体机械,2000,28(1):51～55[7]　司玉宝,屈宗长,王迪生.涡旋压缩机型线动力特性的研究.西安交通大学学报,2000,34(11):53～56(编辑　苏卫国)作者简介:冯健美,女,1976年生。

西安交通大学(西安市　710049)压缩机工程研究中心博士研究生。

研究方向为涡旋压缩机及其辅助设备的换热。

发表论文10余篇。

屈宗长,男,1952年生。

西安交通大学压缩机工程研究中心主任、教授、博士研究生导师。

・1708・中国机械工程第13卷第19期2002年10月上半月Research on Network Culture Based on Intranet CHEN Huo g en(Zhejiang U niver sity,Hang zho u,China)　CHEN G Ya odong　Q I G uoning p1687-1689Abstract:It has been believed that infor mation t ech-no log y can be a pplied to enhance the competit ive advan-tag e o f an ent erprise.Ho wev er,it is v ery impo r tant fo r the successful implementation o f M anagement Infor ma-tio n Sy stem that the enter pr ise needs bring about t he mer ger betw een t echnolo gy and ma n,technolog y and o r-ganization.Building enterpr ise net wo rk cult ur e based o n Intr anet is the basis o f the mer ger o f managem ent&I T. T her e ar e tw o t ypes of applicatio ns for info rmation t ech-no log y:str uctur ed and no n-str uct ur ed.T he non-structur ed applicatio ns ba sed o n Intr anet pr omo te t he building o f enter pr ise netwo rk cultur e,the m erg er of managem ent&IT,and the successful implement atio n of M RPⅡ/ER P。