直流电压对氦有阀线性压缩机活塞偏置及输出性能影响

2022-11-04李子成沙鑫权蒋珍华刘少帅

低温工程 2022年5期

李子成丁磊* 沙鑫权黄琦蒋珍华刘少帅

(1 中国科学院上海技术物理研究所上海 200082)

(2 中国科学院大学北京 100049)

1 引言

稳定的深低温环境是空间探测器的可靠保障,有阀线性压缩机驱动的焦耳-汤姆逊低温制冷机因其紧凑的结构及较高的制冷效率被广泛应用[1]。有阀线性压缩机作为焦耳-汤姆逊低温制冷机的核心部件,其工作可靠性将保证制冷机的稳定运行[2]。与往复式压缩机不同,有阀线性压缩机依靠板弹簧支撑,运动部件未受到刚性约束,活塞受力变化后,活塞行程和平衡位置都会发生改变[3]。活塞与气缸壁之间采用间隙密封技术实现无油润滑,但间隙泄漏会导致活塞两侧腔体形成均压差,使活塞平衡位置发生偏移,影响有阀线性压缩机的可靠性及输出性能[4]。

有阀线性压缩机的活塞偏置现象,减少了活塞的有效行程,同时也会导致活塞撞缸风险,威胁到压缩机性能以及安全性,因此需要对其进行抑制。N.R.Van der Walt[5]等提出了活塞偏置抑制的3 种方法,增加板弹簧刚度、增加直流电压和调整活塞两侧的压差,并通过仿真得到板弹簧刚度越大,偏置越小的结论。马跃学等[6]在实验中增加板弹簧刚度抑制活塞偏置,提高了压缩机输出性能。Kun Liang 等[7-8]开发设计了一款用于电子冷却的无油线性压缩机,建立了活塞偏置数学模型,给出了间隙密封泄漏导致的质量流计算公式,研究了改变间隙对压缩机性能的影响,并提出了通过加直流电压和旁通气体平衡压差的方法来抑制偏置。Zou 等[9]获得了活塞偏置受活塞两端的气体力和板弹簧刚度的影响,并进一步验证了充气压力和活塞行程对活塞偏置的影响。

针对活塞偏置,其抑制方法主要有增加直流电压、增加板簧刚度和平衡压差3 种方法,其中加直流电压相比于其他两种方法具有不需要改变压缩机机械结构和对活塞偏置直接调节的优点。相较于前人的研究,本研究从理论分析和实验验证两方面分析了加直流电压后引入的直流电流与偏置大小的对应关系,重点关注了增加直流电压偏置抑制的方法对压缩机输出性能的影响,为后续项目中抑制有阀线性压缩机活塞偏置提供方案参考。

2 数学模型

2.1 活塞偏置数学模型

活塞偏置是由于活塞与气缸壁之间的间隙密封所产生的间隙泄漏引起的,泄漏导致了活塞两侧产生压差,在压差的作用下活塞偏离原平衡位置(虚线为新的平衡位置)形成偏置,活塞两侧的压差可以表示成[10]:

式中:Pm为活塞腔内平均压力,Pb为背压腔内的压力。

图1 为活塞受力分析,未发生偏置时,作用在活塞组件上的受力平衡可表示成下式:

图1 活塞受力分析Fig.1 Force analysis of piston

式中:为活塞所受合力,N;为活塞两端气体力相互作用的合力,N;是电机力;为活塞受到的摩擦力合力,N;为弹簧回复力,包括压缩机的板弹簧力和直线电机的磁弹簧力,N。

当活塞与气缸壁之间由于间隙泄漏,活塞两侧产生压差发生活塞偏置时:

式中:为发生偏置时的板簧额外拉力,N;km为板簧弹簧刚度,N/m;x为活塞偏置量,mm;AP为活塞面积,mm2。

为保持活塞偏置为零,需要增加直流电,获得额外电机力:

式中:为额外电机力,N。

增加直流电压抑制偏置是通过增加直流电使电机产生额外电机力,用以平衡因间隙泄漏而导致活塞两侧的压差不平衡,从而消除活塞偏置,所需额外电机力可以表示成:

式中:α为比推力,N/A;Id为直流电流,A;Ud为直流电压,V;R为线圈电阻,R。

结合式(3),(4)和(5)可以得到直流电流和直流电压与活塞偏置量的关系。

从式(6)和(7)中可以看出,抑制偏置所需直流电流和直流电压与活塞偏置量是线性关系,即偏置越大抑制偏置所需的直流电流、电压越大。

2.2 压缩机效率

采用加直流电压的方式抑制活塞偏置会使得直流电流和输入功增加。因此,为分析增加直流电压抑制活塞偏置对压缩机效率的影响,主要采用以下两个效率:

电机效率ηmotor反映了电能转化为机械功率的能力,可以体现有无直流电压时的电机性能,可用机械功率与输入功率之比表示:

式中:Pm为机械功,W;Pin为输入功,W;cosθ为功率因数;I为电流,A;U为输入电压,V。

等熵效率ηisen反映了实际压缩过程与等熵绝热过程的偏离程度,线性压缩机的等熵效率可以被定义为:

式中:为质量流量;Ps为吸气压力;Pd为排气压力;Rg为气体常数;Ts为吸气温度,吸气温度取环境温度;n为绝热指数。

从式(8)和(9)中可以看出,随着直流电压的增加,直流电流和输入功增加会对电机效率和等熵效率造成一定影响。

3 活塞偏置实验台

有阀线性压缩机偏置抑制实验台其系统图如图2 所示。有阀线性压缩机以氦气作为工作流体,通过驱动电源控制,使用交流电控制压缩机往复运动,使用直流电抑制活塞偏置。为区分交直流电参数,采用功率计进行测量。为监控压缩机活塞行程并观测活塞偏置现象,在压缩机两端安装了位移传感器(LVDT),并在实验前对其进行标定后使用[11]。采用静态压力传感器测量管路中高低压变化,通过质量流量计对压缩机质量流量进行测量,由Labview 搭建集成化数据采集平台对数据进行采集。表1 为实验测试设备及设备参数。

图2 活塞偏置测试系统图Fig.2 Schematic diagram of piston offset test

表1 实验测试设备及仪器Table 1 Experimental testing equipment and instruments

4 实验研究

为了研究加直流电压对有阀线性压缩机活塞偏置及输出性能影响,本研究首先测试了实验室现有的有阀压缩机在一定工况下的活塞偏置情况,然后加直流电压,对活塞偏置进行抑制。在加直流电压后引入了直流电流,为保证直流电流未超限流,理论计算了抑制偏置所需的直流电流,并对比了抑制前后的压缩机性能变化。

4.1 加直流电压对活塞偏置影响

4.1.1 未加直流电压时的活塞偏置

为了研究直流电压对活塞偏置影响,首先测试了实验室现有的有阀线性压缩机活塞偏置,当充气压力为0.3 MPa,运行频率为55 Hz 时,改变活塞行程,活塞偏置情况如图3 所示。随着活塞行程从1 mm 增加到4 mm,活塞偏置量从0.28 mm 增加到1.98 mm,活塞偏置量随着活塞行程的增大而增大。这是因为活塞行程增大,扫气量增大,压缩腔体积的变化导致间隙泄漏增大,进而导致压缩腔和背压腔之间的压差增大,活塞偏置量增大[12]。

图3 不同活塞行程对应的活塞偏置大小Fig.3 Piston offset value at different piston strokes

4.1.2 偏置抑制所需直流电流

在加直流电压抑制偏置时,会引入直流电流,为保证直流电流引入不超过电机的许用电流值并为以后的电控策略提供参考,对调偏所需的直流电流值进行了计算,根据活塞偏置数学模型中式(6)为直流电流与活塞偏置的关系,可计算抑制偏置所需的直流电流。由该式可知,直流电流值的计算需要获得电机比推力α,实验所用有阀线性压缩机电机比推力可以利用电磁软件Maxwell 计算获得[13]。

图4 为不同活塞偏置量时的电机比推力大小。活塞偏置量在0—2 mm 时,电机比推力保持在20.6 N/A附近。而当偏置在2—5.5 mm 时,电机比推力随之下降,且偏置越大比推力随活塞偏置变化的速率越来越高。造成这种现象的原因是由于直线电机在极靴和磁极间的空间内的磁场强度基本不随空间内的位置而变化,超出该空间后磁感应强度逐渐衰减。

图4 活塞偏置和电机的理论比推力值的关系Fig.4 Theoretical motor specific thrust values vs.piston offset

在本实验工况下的有阀线性压缩机偏置最大时为1.98 mm,电机比推力均可取20.6 N/A。通过单侧电机所用板簧总刚度和偏置大小,根据式(3)可计算发生偏置时的板簧额外拉力,进一步根据式(6)计算出用于抑制偏置的直流电流值的大小。表2 罗列了不同活塞偏置对应的抑制偏置所需的直流电流的理论值。

表2 抑制偏置所需直流电流的理论值Table 2 Theoretical value of DC current required to suppress offset

图5 为不同行程时用来抑制活塞偏置大小所需的直流电流的实验值和计算值。实验值和计算值的误差保持在5%左右。该结果表明,根据计算获得的不同偏置时所需要的直流电流值是可靠的,利用该方法可以为利用直流电压抑制偏置所需的电控策略提供依据。

图5 抑制活塞偏置所需直流电流的实验和计算值Fig.5 Experimental and calculated values of DC current required to suppress piston offset

通过增加直流电压的方式,利用电机在直流电作用下增加单向推力来抵消活塞两侧压差。通过实验发现增加直流电压可以完全抑制活塞偏置,图6 为活塞偏置抑制所需的总电流和直流电流。从图6 中可以看出随着活塞行程的增加电流增加,当活塞行程为1 mm 时,直流电流0.06 A,占总电流的13%。当活塞行程为5.5 mm 时,直流电流1.09 A,占总电流的20.8%。同时可以发现,由于偏置的影响,活塞有效行程下降,不进行偏置抑制时的活塞有效行程最大为4 mm,进行偏置抑制后的活塞有效行程可达到5.5 mm,可见活塞偏置会影响压缩机的有效行程,从而降低压缩机输出能力。但是,通过增加直流电压抑制活塞偏置会引入一个新的问题,即直流电将会占用原本属于交流电流的绕线额定电流值,电机绕线的总电流需求增大。在加直流电压抑制活塞偏置时,交流电流的使用上限降低,进而会影响压缩机的最大输出能力。

图6 不同行程时所需总电流和直流电流值Fig.6 Total current and DC current values used to suppress offset at differents stroke

4.2 直流电压对压缩机输出性能的影响

4.2.1 直流电压对压力特性和质量流量的影响

图7 为活塞不同行程时,有无直流电压的压比,图8 为活塞不同行程时,有无直流电压的质量流量。从图7 和图8 中可以看出,随着活塞行程从1 mm 增加至4 mm,有无直流电压时的压比和质量流量都在不断增大。在不同活塞行程时,无直流电压时的压比和质量流量均大于有直流电压时的压比和质量流量。这是因为现有的有阀线性压缩机的偏置方向是朝着压缩腔方向,当加直流电抑制偏置时,活塞回到平衡位置,有活塞偏置时压缩机的余隙容积相比抑制后的压缩机余隙容积小。在同活塞行程下,余隙容积减少使压缩机吸气量增大,使得压缩机的压比和质量流量增大。在有直流电压抑制活塞偏置的情况下,最大活塞行程从4 mm 增加到了5.5 mm,所能达到的最大压比和质量流量分别为5.39 和11.64 mg/s 相比未进行调偏时的压比和质量流量分别提高了29.5%和5.1%,通过加直流电压进行偏置抑制之后,有阀线性压缩机的输出性能得到提高。

图7 直流电压对压比影响Fig.7 Effect of DC voltage on pressure ratio

图8 直流电压对质量流量影响Fig.8 Effect of DC voltage on mass flow rate

4.2.2 直流电压对电机性能的影响

通过直流电抑制活塞偏置增加了直流功耗,从式(8)中可以看出,直流电压的增加会对电机效率会产生影响。图9 为不同行程时,所需总输入功和直流功耗。从图9 中可以看出,当活塞行程为1 mm 时,直流功耗仅为0.015 W,占总输入功的0.58%。当活塞行程为5.5 mm 时,直流功耗仅为5.347 W,占总功耗的4.9%。因此可以看出,增加直流电压所增加的直流功耗在总输入功中的占比不高。

图9 不同行程时有无直流电压对应的输入功Fig.9 Isentropic power with or without DC Voltage at different strokes

图10 为活塞不同行程时,有无直流电压时的电机效率。图10 中表明,随着活塞行程从1 mm 到4 mm增大的过程中,有直流电压和无直流电压时的电机效率均随活塞行程的增大而降低。当活塞行程为1 mm 时,有直流电压的电机效率为89.33%,无直流电压的电机效率为89.94%。当活塞行程为4 mm时,有直流电的电机效率降为75.14%,无直流电压的电机效率降为76.06%。在不同活塞行程下,有直流电压对应的电机效率均略小于无直流电压的电机效率,两者的差别在1.5%以下。增加直流电压会抑制活塞偏置,偏置抑制后,活塞所受负载减小,理论上负载减小后输入功降低,电机效率增大,但是实际抑制偏置增加了直流功耗,电机效率降低。因此直流电的引入对电机效率会造成一定的衰减,但由于抑制偏置所需的直流功耗占总输入功的比重小,最大衰减比例仅为1.8%。

图10 不同行程时,有无直流电的电机效率Fig.10 Motor efficiency with or without DC at different strokes

4.2.3 直流电压对等熵效率的影响

通过直流电压抑制活塞偏置增加了直流功耗,从式(9)中可以看出输入功会影响等熵效率。图11 为不同行程时,有无直流偏置的等熵效率情况。从图11 中可以看出,随着活塞行程从1 mm 到4 mm 变化的过程中,有直流电压的等熵效率都会略高于无直流电压的等熵效率。当活塞行程为1 mm 时,无直流电压的等熵效率为23.57%,有直流电压的等熵效率增长为26.17%。当活塞行程为4 mm 时,无直流电压的等熵效率为20.56%,有直流电压的等熵效率增长为22.79%。当加直流电压抑制活塞偏置时,活塞会回到平衡位置,随着余隙容积的增大,压缩机吸气量减少,压缩机负载相比于有活塞偏置时小。随着压缩机负载减小,压缩机所需的输入功减小,同时获得相应行程时所产生的不可逆损失也相应减小。从对电机效率和等熵效率的分析中可以看出,添加直流电压可以抑制活塞偏置的同时,并未对电机效率和等熵效率产生较大影响。