大功率滚动转子式压缩机开发

王树鹏

摘要：近年多联机市场及低温热泵市场发展迅速，大功率滚动转子式压缩机较涡旋压缩机竞争优势明显，占比越来越大，市场前景广阔。本文主要介绍了大功率DC转子式压缩机设计要点。首先，高可靠性的转动系结构，保证运转平稳，降低曲轴负载，确保电机气隙均匀；其次，保证安装状态下油循环量抑制；再次，保证有效的噪声抑制和高可靠的排气结构。

关键词：轻商；大功率转子式压缩机；转动系稳定；油平衡；降噪

现在，多联机产品价格逐步下降，消费者对多联机的接受程度逐年增加，同时，各企业的资源及研发投入加大、终端大力推广等推动了国内多联机市场迅速发展，越来越多的企业加入多联机的开发，竞争越演越烈，不断提高推动着多联机市场的繁荣和发展。目前市场上的多联机主要以涡旋压缩机为主。

此外，近年来空气源热泵发展迅速，受到采暖用产品快速发展的影响，商用机产品的占比大幅增长。其中，2017年上半年商用机所占比例达到50%以上，而在2016年同时期商用机所占比例如仅有35%。

在2017年上半年空气源热泵在热水、采暖领域的应用持续上升。2017年空气源热泵采暖占据采暖市场领域的40%以上的份额，与壁挂炉50%的市场份额相比几乎持平。所以，无论是在多联机领域还是热泵采暖领域，近几年都迅猛发展，

相对于涡旋式压缩机，滚动转子式压缩机变工况条件下性能占有很大优势，同时滚动转子式压缩机成本低廉，随着技术水平的持续提升，滚动转子式压缩机的应用越来越受到重视，向大型化发展的趋势明显。

大功率转子式压缩机作为在多联机和低温热泵领域的新生力量，发展迅速，因此开发高效、高可靠性、低噪音的大功率压缩机非常重要。

1涡旋式压缩机与滚动转子转子压缩机比较

涡旋式压缩机是由一个固定的渐开线涡旋盘和一个呈偏心回旋平动的渐开线运动涡旋盘组成可压缩容积的压缩机。涡旋式压缩机是有两个双函数方程型线的动、静涡盘相互咬合而成。在吸气、压缩、排气的工作过程中，静盘固定在机架上，动盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约，围绕静盘基圆中心，作很小半径的平面转动。

滚动动转子式压缩机是一种容积型回转式压缩机，气缸工作容积的变化，是依靠一个套在曲轴偏心部位的滚套在气缸内的滚动来实现的。滚套回转一周，将完成一个工作循环的压缩和排气过程及下一工作循环的吸气过程；由于不设吸气阀，吸气开始的时机和气缸吸气孔口位置有严格的对应关系，不随工况的变化而变动；由于设置了排气阀，压缩结束的时机将随系统中压力的变化而变动。

滚动转子式压缩机结构简单，体积小，重量轻，同活塞式压缩机比较，体积可减小40% ～50%，重量也可减轻40% ～ 50%；零部件少，特别是易损件少，同时相对运动部件之间的摩擦损失少，因而可靠性较高；仅叶片有较小的往复惯性力，旋转惯性力基本完全平衡，转速可以较高，并且振动小，运转平稳；没有吸气阀，吸气时间长，余隙容积小，并且直接吸气，吸气過热小，所以其效率高。

2大功率滚动转子式压缩机技术要点

2.1转动系的可靠性设计

滚动转子式压缩机主要由泵体、电机、外壳组件、上盖组件和气液分离器构成。压缩机泵体位于电机的下方，泵体的气缸或轴承通过三个或多个焊点与外壳连接，定子组件通过热装工艺与外壳组件过盈配合固定，我公司既有产品功率范围从1HP到4HP，相对比较成熟。但目前要开发大功率的滚动转子式压缩机功率区间定义为5HP到8HP，相比已经进行批量生产的机型，在排气量、制冷能力、机械负荷上均大幅增加，因此原有的设计结构已经无法满足新的要求，需要在结构设计上进行突破创新。

滚动转子式压缩机的泵体和电机都装配于外组件内，转子组件热装于泵体的曲轴上面，转子组件和曲轴滚套的组合体构成了滚动转子式压缩机的转动系，装配后电机的定子组件和转子组件存在不同轴的问题，由于滚动转子式压缩机的转动系近似于悬臂梁结构，曲轴会受到偏心质量的离心力和电机的单边电磁拉力的作用，会产生挠曲变形，此时可能会造电机的定子和转子之间气隙过小，导致转子外径会和定子内径出现异常接触，即所谓的“扫膛”现象。为了避免这种现象出现，我们可以采取提高曲轴材料强度：高牌号球铁、锻造钢等材料来增强曲轴的抗弯特性；提供结构尺寸优化，增大曲轴直径，提高抗弯能力；降低转子组件热装高度，减小悬臂作用长度；增加曲轴脖颈直径等方案来改善抗弯特性。此外也可采用在曲轴长轴末端增加一个辅助轴承的方式，使曲轴的受力结构由悬臂梁结构变为两点支撑的梁结构，从而降低曲轴的挠曲变形，从而保证定转子之间的气隙更加均匀，由此来保证转动系的可靠性。

2.2工作状态下的油循环量抑制

空调系统运行时，冷冻机油油会随着制冷剂的循环被带到空调系统中去，进入到系统配管、冷凝器和蒸发器中，所以需要保证压缩机内冷冻机油的量，才能确保压缩机能够良好的润滑状态，确保机械部件的磨损不出现异常。特别是对于配管较长的系统，控制冷冻机油的循环量显得更加重要。我公司开发的大功率转子式压缩机在控制油循环量方面做了诸多工作，控制压缩机压缩机内一次、二次腔比例，降低压缩机一、二次腔的压力脉动，优化电机冲片结构，调整冷媒流动的有效截面积，减小流动阻力，优化排气管的结构，调整消音盖排气孔结构尺寸和位置，降低排气压力脉动等方式进行油循环量抑制。

2.3噪音抑制

大功率转子式压缩机主要竞争对手是涡旋式压缩机，在噪音方面通过设计改善较涡旋式有优势，通过旋转系的刚性增加，实现压缩机轴系的稳定性，减少因为定转子间气隙不均匀带来的电磁噪声，通过流体和声学的CAE仿真，设计新规格的排气消音盖结构。

2.4排气阀结构改进

大功率转子式压缩机，排气量大，对排气结构可靠性要求很高。可能的失效模式有：

（1）排气阀片弯曲应力过大，疲劳失效造成颈部断裂。

（2）排气阀片的冲击状态下，接触应力过大，达到一定周期后头部破裂。

通过对阀片、阀被板的CAE分析，提高排气阀的可靠性是十分必要的，通常通过采用高强度、高弹性阀片材料；优化阀背板结构形状，改变阀座材料、优化阀片开启高度等来进行改善。

3总结

近几年多联机市场及低温采暖市场均发展迅速，大功率转子式压缩机较涡旋式压缩机竞争还是有明显优势的，开发高效率、高可靠性、低噪音的大功率转子式压缩机是非常必要的，需要在上述关键技术领域进行深入研究。

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.

（作者单位：沈阳中航三洋制冷设备有限公司）