轻商用大规格变频转子式压缩机的开发

1 市场背景

近些年来，多联机技术不断提升，价格持续下降。随着人们收入增加及对高品质生活的追求，消费者对多联机的青睐程度增加，同时家电企业对多联机的资源及研发投入、终端推广等推动了国内多联机市场迅速发展。2014年以来多联机市场的增长率见图1。

随着多联机市场份额的快速扩大，吸引了越来越多的企业不断加入，竞争越演越烈。从定频到变频再到涡旋，从风冷到水冷，多联机技术的不断提高推动着中国多联机市场的繁荣和发展。

目前市场上的多联机主要有数码多联机和变频多联机。数码多联机的压缩机为谷轮的数码涡旋压缩机，它不需要变频控制器，通过控制动静涡盘在单位时间内的接触和分离时间来控制冷媒流量，以变容量的方式来适应负载的变化。其优点是无电磁辐射、利于回油等；其缺点是控制动静盘接触和分离的阀动作频繁，寿命短，控制也较复杂。2015年所占份额约1%，2016年所占份额不足0.7%，逐渐被淘汰。

变频多联机分为交流变频多联机和直流变频多联机，由于直流变频压缩机性能优于交流变频多联机，目前市场上以直流变频多联机为主。其压缩机主要为变频涡旋压缩机，但由于变频旋转压缩机改变工况性能的优势和其技术的不断进步，旋转压缩机的应用越来越受到重视。

另外，近几年北方“煤改电”等政策的落实，使得空气源热泵发展迅猛，2016年，空气源热泵占“煤改电”户数的76.28%。受到采暖产品快速发展的影响，商用机产品的占比迅速提升。2017年上半年商用机占比达到54.6%，在2016年同期商用机占比仅为35.6%。2017年上半年空气源热泵在整体热水和采暖市场的规模再次提升。预计2017年全年空气源热泵采暖占据整体采暖市场41.6%份额，与壁挂炉55%的市场份额相比几乎平分秋色。

无论多联机市场还是热泵采暖市场，近几年均发展迅速，大规格转子式压缩机作为强有力的竞争对手，发展也较快，因此开发高效、高可靠性、低噪音的大规格压缩机非常重要。

2 涡旋压缩机与转子压缩机的差异

涡旋压缩机是利用动静涡旋盘的相对公转运动形成封闭容积的连续变化，实现压缩气体的目的。旋转式压缩机是利用一个偏心曲轴，带动活塞在汽缸内转动来缩小工作容积，以实现气体的压缩。图3和图4为涡旋压缩机和转子压缩机的示意图，其优缺点见表1所示。

3 IPLV与APF标准的差异

2016年7月1日，国家相关部门开始正式实施GB/T 18837-2015能效标准，在此标准中明确提出了关于APF相关要求，并明确了APF测试的各数据的计算方法及测试要求。该标准的实施，提高了行业的准入门槛，同时推动了中央空调厂家的技术创新及发展，届时，多联机一直沿用的IPLV值的能效标签将正式退出历史舞台，由更能体现空调标准的标示APF值代替。

IPLV（integrated part load value）综合部分负荷性能系数，是用一个单一数值表示机组的部分负荷效率指标，按机组在规定的IPLV工况下在各负荷运行时间的加权因素。

其中：A=机组100%负荷时的效率；B=机组75%负荷时的效率；C=机组50%负荷时的效率；D=机组25%负荷时的效率

a、b、c、d ：

严寒地区：1.0%、32.7%、51.2%、15.1%；

寒冷地区：0.7%、36.2%、53.4%、9.8%；

夏热冬冷地区：2.3%、38.6%、47.2%、11.9%；

夏热冬暖地区：0.7%、46.3%、41.7%、11.3%；

全国加权平均：1.3%、40.1%、47.3%、11.3%。

备注1：部分负荷百分数计算基准是名义制冷量

备注2：部分负荷性能系数IPLV代表了平均的单台机组的运行工况，可能不代表一个特有的工程安装实例。[3]

APF (annual performance factor)全年性能系数。

在制冷季节及制热季节中，机组进行制冷（制热）运行时从室内除去的热量及向室内送入的热量之和与同一期间内消耗的电量总和之比。

CSTL——在制冷季节中，机组从封闭空间、房间或者区域内除去的热量总和；

HSTL——在制热季节中，机组向封闭空间、房间或者区域内送入的热量总和；

CSTE——在制冷季节中，机组进行制冷运行时所消耗的电量总和；

HSTE——在制热季节中，机组进行制热运行时所消耗的电量总和。

图1 2014年-2017上半年多联机市场增长率对比图

图2 2012-2016年中国多联机市场规模

图3 涡旋式压缩机

图4 转子式压缩机

从上述可以得到，相比IPLV标准，APF更加全面更加准确地评价了一款机组的节能性。一款压缩机APF优越，是要求在全工况制冷及制热下COP性能高，即变频压缩机全转速范围内效率比较高，因此从图5也可以得到，相比涡旋式压缩机，转子式压缩机的综合效率更优，在以APF标准评价多联机机组性能的时代，转子式压缩机更具优越性。

图5 全转速范围转子式与涡旋式压缩机综合效率比较

图8 有无第三支撑对曲轴变形影响

4 开发大规格转子式压缩机所要解决的关键技术问题

4.1 轴系结构可靠性设计

常规压缩机结构如图6所示，压缩机由压缩部件、电机组件、壳体、上下壳盖和储液器组成。压缩部件位于电机下方，通过上缸盖与壳体连接，定子通过热套方式与壳体连接，该结构我司从1hp到5hp，相对比较成熟。但目前要开发大规格的直流变频大压缩机应用在轻商领域，目标定为16hp～20hp，相比量产的机种，排量、能力、转速、负载均向上拓展，但压缩机的轴径、壳径受限，因此常规压缩机的结构无法满足要求。

大规格直流变频压缩机由于装配时存在偏心，在高速运转时，较大的离心力和单边电磁拉力会造成曲轴变形，可能会造成定转子之间间隙过小，发生异常。为了整机的轴系更稳定，故采用在曲轴长轴末端增加一个支撑结构，以此来保证压缩机运转的可靠性，同时可以降低该压缩机在高转速的噪音值，使其与涡旋压缩机相比更具竞争力。

表1 涡旋式压缩机与转子式压缩机的优缺点比较

表2 不同的排气结构方案

表3 不同方案下阀片可靠性校核对比

该结构与常规压缩机相比增加了第三支撑，见图7。

从图8、图9中可以得到，增加第三支撑后，在高转速运行时曲轴的变形量明显下降，同时主支撑所受的接触压力显著地减小，这样大大改善了定转子处的间隙和主支撑的轴受，提高了压缩机的可靠性。

4.2 长配管安装状态下的出油率控制

结合空调多联机的实际应用，如多联机空调系统运行时，部分润滑油会随着制冷剂一起排出压缩机，进入到系统配管、冷凝器和蒸发器中，要维持油的动态平衡，才能确保压缩机不缺油。这对多联机尤其是超长配管系统的多联机，显得尤为重要。

目前我司开发的大规格转子式变频压缩机通过对出油孔大小角度优化、油孔型式改进（已申请专利）、气流通道特殊设计（已申请专利）及分离路径优化使得油循环率在目前相近规格的压缩机中具有优势，见图10，使得该压缩机润滑油动态平衡。

4.3 噪音低减优越性

大规格转子式压缩机主要竞争对手是涡旋压缩机，其在噪音方面相比转子式优势明显，在设计上采用独特的专利技术，第三辅助支撑结构，实现压缩机高转速下轴系的稳定性提升，同时还需更优越的降低噪音手段。独特材料制成消音棉、隔音罩使得噪音低减效果明显，详见图11。

4.4 排气结构优化

大规格的转子式压缩机，转速高排气量大，对排气结构要求较高。针对排气阀片、阀片挡板进行有效分析，提高阀系可靠性是非常必要的。

根据压缩机阀片实际运动过程，可能的失效模式有：

（1）阀片开启并靠近挡板的弯曲卷绕过程中，弯曲应力过大，高周弯曲后疲劳失效造成阀片断裂。（常见实效形式为颈部断裂）

（2）阀片对挡板及PIECE-D的冲击接触，接触应力过大，一定次数后造成阀片破损。（常见失效形式为阀片头部破裂）

（3）在排气口流出的气体作用下，阀片出现不规则的颤振，常伴随异常音，阀片不规则运动，因此可能形成各种异常的失效。

因此主要通过对排气结构处进行合理设计，使得弯曲应力、冲击应力、及阀片运动速度均满足要求。

对排气结构的几个不同方案，进行阀片可靠性校核分析见表2、表3。

图9 有无第三支撑对主支撑受力影响

图10 不同机型的压缩机油循环率（OCR）对比

图11 不同降噪手段下的噪音OA值比较

由表2、表3可见，增加阀片宽度可以有效降低阀片的弯曲应力；加大阀片厚度，阀片所受的弯曲应力上升，但是阀片冲击速度及冲击应力大大减小；降低挡板升程，对阀片的受力大大减小，阀片运动速度、弯曲应力、冲击应力均减小，因此在性能不降低的前提条件下，保证大规格转子式压缩机的阀系可靠性，可以通过合理设计阀片结构及挡板形状来实现。

5 总结

近几年多联机市场及低温采暖市场均发展迅速，大规格转子式压缩机较涡旋压缩机竞争优势明显，所占比例来越大。作为强有力的竞争对手，开发高效、高可靠性、低噪音的大规格转子式压缩机是非常必要的。（大规格转子式压缩机主要的关键技术点为：（1）设计高可靠性的轴系结构，我司通过应用独特的第三支撑结构使得轴系运转平稳，同时高转速下定转子气隙更均匀；（2）设计优越的泵油系统或油循环路径，使得润滑油达到动态平衡，在长配管的安装条件下，保证压缩机内部润滑；（3）高效地低噪音设计或者降噪手段；（4）较高的阀系结构可靠性。除此之外，低温采暖用压缩机的喷射结构设计、长时间高温度高负荷状态下零部件的材料选择、液压缩及油粘度控制等等问题也是关注重点，篇幅所限，不再赘述。

参考文献

[1] 缪道平, 吴业正. 《制冷压缩机》, 机械工业出版社, 2008年第一版.

[2] 马国远, 李红旗. 《旋转压缩机》, 机械工业出版社, 2003年第一版.

[3] 《公共建设节能设计标准（公共建筑部分）》.