滚动转子式压缩机气缸优化分析与验证

2019-01-23张执张一

中国设备工程 2019年1期

张执，张一

(1.沈阳中航机电三洋制冷设备有限公司研发中心，辽宁沈阳 110044；2.辽宁城市建设职业技术学院设备系，辽宁沈阳 110122)

随着社会的不断进步，经济的发展以及人们生活水平的不断提高，小排量制冷设备需求迅猛增长，使全滚动转子式压缩机行业快速发展。在世界能源危机的大环境下，提高压缩机效率成为了摆在制冷压缩机科研人员面前的重要课题。

为提高压缩机效率，实现更高的能效比，各大制造商开始愈发重视对变频控制技术的开发。该项技术采用变频电动机，通过改变压缩机的运转速度来提高负载效率，增大运行范围。由于变频压缩机的容量可调比远大于原机型，从而极大程度上减少了耗能，降低了压缩机的噪声与振动，提高了制冷产品的舒适度。然而，采用变频技术制造压缩机的成本远高于定频产品，因此并不能满足工薪阶层消费者的需求。

采用高导磁、低损耗的硅钢片材料制造压缩机电机是提高压缩机电机效率的途径之一。硅钢片的磁化曲线的饱和点较高，可降低压缩机电机的铜耗，同时由于硅钢片的铁耗低，因此压缩机电机的效率可得到提高。然而此项技术同样存在着制造成本高的问题。

通过增加铁芯尺寸（增大电机直径、提高叠片高度）的方式降低铁损，增大导磁性能，也是提高电机效率的方法之一。然而这种提高效率的方法耗材很多，并不值得提倡。此外，一些压缩机制造商将电机硅钢片做得很薄，也可获得较高的电机效率，但会大幅增加电机成本。

采用高刚性磨头，提高叶片槽的加工精度，进而降低滑动摩擦损失，是提升压缩机机械效率的方法之一。压缩机叶片安装在气缸叶片槽中，其内端面与滚套外径相接触，将压缩机的工作腔分为低压吸气腔与高压压缩排气腔。过去气缸叶片槽采用切削加工，加工出的叶片槽形状精度并不高，改用磨削加工可使精度得以提高，从而提升压缩机效率。从切削加工与磨削加工后叶片槽的断面形状观察，磨削件整体平面度较切削有很大的改善。但制造加工费用的增加，同样有碍于此项技术的普及。

通过压缩机理论分析及试验验证可知，降低气缸高度是目前提升压缩机效率较为有效的方式之一，具有良好的经济性且易于实现。

1 理论分析

滚动转子式压缩机制冷性能好、结构简单、成本低廉、运行可靠，因此被国内外的房间空调器大量采用。但是由于压缩机泵体的吸气腔与压缩排气腔是同时工作的，因此影响压缩机效率的因素较多。业内通常将压缩机效率分解为电机效率、容积效率、机械效率及压缩效率。由于提升电机效率多采用增加电机材料成本的方式实现，考虑到压缩机产品的经济性，通常情况下压缩机厂商主要通过提升容积效率、机械效率或压缩效率以达到压缩机高效化目的。压缩机的压缩效率受到压缩机本身结构的限制，提升的空间有限。压缩机机械效率与其零部件的加工及装配精度有关，若要提高零部件的加工及装配水平需要较大的设备投入。因此提高容积效率就成为了提升压缩机效率的最有效途径。

影响容积效率的主要因素有气体泄漏、余隙容积（即排气过程结束后仍残留有高压气体的空间）、制冷剂种类等。因压缩机厂商对于零部件结构的通用性考虑，空调厂商对于产品适用性的限定等，通过改变压缩机余隙容积或制冷剂种类以提升压缩机容积效率的可行性很小。由于滚动转子式压缩机泵体内部的泄漏通道较多，间隙的相对长度较大，故气体泄漏是影响容积效率的重要因素，减小气体泄漏就成为提升压缩机容积效率的主要手段。

在滚动转子式压缩机的泵体内，滚套与气缸及上、下轴承间、叶片与气缸及上、下轴承间均采用间隙密封，因此制冷剂气体通过这些间隙从压缩排气腔向吸气腔泄漏是不可避免的。过多的泄漏会降低制冷剂的压缩与循环量，进而严重影响泵体的容积效率，导致压缩机效率的降低。

利用流动模型模拟计算制冷剂的泄漏量可知，在泵体内部的各种制冷剂泄露中，通过滚套径向间隙的泄漏量最大，约占总泄漏量的一半。由于受生产条件所限，各压缩机制造商所生产的泵体零部件结构形式较为固定。若要达到减小滚套径向间隙，从而减少制冷剂气体泄漏的目的，最直接的方式就是降低工作腔腔体高度，也就是降低压缩机的气缸高度。

综上，通过理论分析可知，降低压缩机的气缸高度是目前提升压缩机效率较为经济且易于实现的方式之一。