涡旋式空气压缩机行业发展与重点研究方向综述

2023-09-13王楠楠张立国朱玉麒王海啸白圣民袁维运

压缩机技术 2023年3期

王楠楠，张立国，朱玉麒，王海啸，白圣民，高赫，袁维运

(1.山东理工大学机械工程学院，山东淄博 255049；2.日照港山钢码头有限公司，山东日照 276800；3.中国石油西部钻探吐哈钻井公司，新疆吐鲁番 838200)

1 引言

涡旋式压缩机具有低振动、低噪声、高效率的特点[1-3]，广泛应用于空调制冷、增压等领域[4-6]。20世纪90年代以来，涡旋式压缩机已经成为制冷领域的核心设备，其制造、设计水平已卓有成效。目前，涡旋式空气压缩机成为了诸多研究机构的热点。与涡旋式制冷压缩机相比，涡旋式空气压缩机追求高压缩比、大排量性能，常用于增压储气领域。由于涡旋式空气压缩机的工作方式为开式循环，工作介质直接从大气中获取，掺杂在气体中的固体颗粒一旦被吸入压缩腔，硬质颗粒易导致涡旋齿异常磨损。而涡旋式制冷压缩机工作方式为闭式循环，且常作为小规格压缩机使用，在内循环条件下能够保持工质清洁。高压缩比的涡旋式空气压缩机涡旋盘强度设计校核要比制冷式涡旋式压缩机要求更为精准，因此对涡旋齿进行强度校核和摩擦磨损研究尤为重要。

本文通过对涡旋压缩机市场销售情况以及其型线特征、仿真分析、泄漏磨损等重点研究方向进行综述分析，系统介绍了涡旋压缩机当前研究现状，并对今后的研究方向及发展趋势进行总结展望，为涡旋压缩机分析研究提供了参考。

2 涡旋压缩机市场销售情况

空气压缩机市场主要包括离心式、螺杆式、活塞式等类型的空气压缩机，这些空气压缩机大都存在效率低、能耗高、噪声大，维修保养费用高等问题。涡旋式空气压缩机作为涡旋式压缩机的一个研究分支，较传统压缩机具有更优越的性能和效率，被称为最先进的第三代涡旋式压缩机。与同等容量的往复式压缩机相比，涡旋压缩机主要零部件数量约为往复式的1/10，其体积减少40%左右，噪声下降可达8 dB，效率提高10%，重量减轻15%，驱动力矩的波动幅度仅为往复式的1/10，是工业生产气源动力的核心设备，在航天工业、高速列车、化工、医药、车辆、船舶、冶金、矿山、纺织、核工业、电力工业等领域得到广泛应用。涡旋压缩机已成为活塞、螺杆、滑片式压缩机等的主要替代产品。

涡旋式压缩机属于高精密机械，由于零件数量更少，因不受复杂零件的约束，可靠性更高。图1所示为涡旋式压缩机的市场销量情况，由图1可以看出，美国是全球第一大涡旋式压缩机消费市场，2020年全球涡旋式压缩机销量在1488.7万台，美国销售占比48.3%，且销售量持续升高。中国作为全球第二大涡旋式压缩机消费市场，在2017年达到了销量的顶峰。我国涡旋式压缩机企业起步较晚，在设计生产方面的发展不够成熟，近年在新冠疫情影响下，呈小幅下降趋势。随疫情结束和中国国民经济的发展，国家注重科技创新和工业设备革新，必定推动涡旋式空气压缩机的发展。

图1 美国、中国涡旋式压缩机市场销售量

涡旋式压缩机一直是各科研院所备受关注的研究课题。机构合理性，泄漏以及摩擦磨损问题是影响压缩机能耗、使用寿命的主要因素。在涡旋式压缩机设计过程中，机体的结构、密封与润滑、高效自控方面是有待完善和亟需解决的，对涡旋式空气压缩机进行研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

3 涡旋型线特性与齿头修正研究

涡旋式压缩机型线结构设计与其性能指标息息相关，一直受到国内外研究人员的高度重视[7，8]，由于目前常用的涡旋式压缩机型线优化方法存在结构设计复杂、不灵活直观等问题[9]，且单一基体型线所构成的涡旋齿难以实现完全啮合，不能兼顾压缩、排气以及加工等多方面要求[10]，亟需对涡旋型线进行优化设计。Wang等[11]以圆渐开线构成的涡旋型线为研究对象，根据型线方程获得了涡旋盘齿厚径向泄漏线长度计算模型，研究了轮廓参数(基圆半径、连接点、转弯半径等)对泄漏线长度变化产生的影响。Dao等[12]采用间隙型线修正法热泵用CO2涡旋式压缩机涡旋型线进行了优化设计，在满足安全系数的前提下提高了涡旋式压缩机的能效比。彭斌等[13]基于现有涡旋型线几何理论，对以圆、线段、正四边形渐开线、变径基圆渐开线和组合型线为涡旋型线的涡旋式压缩机几何特性进行了论述，采用控制变量的方法，对比分析了不同涡旋型线几何参数和结构参数之间的相互关系。强建国等[14]利用解析法分析了圆渐开线、圆弧、以圆渐开线加圆弧的高次组合型线的几何特性、压缩腔特性、动力稳定性，发现圆渐开线的加工和检测相对容易，容积变化率，啮合点综合曲率呈线性变化，变形效率高，所以应用广泛，而高次曲线加工困难，在实践中不宜采用。刘争辉等[15]通过Matlab遗传算法工具箱对基圆-变径基圆-基圆组合型线涡旋盘进行多目标优化设计，提高了涡旋盘的行程容积和面积利用系数。

现有机械加工工艺以及涡旋式压缩机涡旋型线的自身结构特点使得涡旋盘在加工过程中涡旋齿齿头位置极易产生刀具干涉现象，因此，对齿头部分进行型线修正显得尤为重要。涡旋齿齿头的修正不仅使得涡旋盘便于加工，还能起到增加涡旋齿啮合角度范围、增大压缩比、增强涡旋齿强度和改善涡旋式压缩机排气性能的作用。常用的齿头修正方法有双圆弧修正法和双圆弧加直线修正法[16]，双圆弧加直线修正法由双圆弧修正演化而来，且双圆弧加直线修正后的齿头面积始终大于双圆弧修正后齿头面积[17]，修正面积增大，齿头壁厚也随之增大，使得涡旋齿的齿根应力降低，齿头位置的刚度和强度大幅提升[18]。为满足压缩比、加工制造等诸多方面的需求，对涡旋型线进行优化设计，研究和开发具有更高容积效率的全啮合涡旋型线是当今涡旋式压缩机型线设计的发展方向。

4 涡旋压缩机仿真研究

4.1 运动仿真分析

涡旋式压缩机通过动、静涡旋盘之间相互啮合完成吸气、压缩、排气。其中，动涡旋盘的型线特征和运动情况直接影响着涡旋式压缩机的工作性能[19，20]。从运动学角度来看，动涡旋盘绕静涡旋盘做平动运动，其啮合位置随曲轴转角的变化而变化，为保证涡旋式压缩机的工作性能及稳定性，需要对动涡旋盘的动力学特征进行研究。虚拟样机仿真能够更加直观地分析机械系统动力学特征[21，22]，王志军[23]通过Pro/E运动仿真与Matlab轨迹追踪得到了涡旋盘的运动规律，验证了其公转平动的运动方式。

在进行涡旋压缩机动力学仿真分析时，往往需要考虑各接触部件的力学特征。Feng[24]基于理论方法对涡旋式压缩机的动力学性能进行了研究，计算了运动部件的气体力及扭矩。Kim[25]在考虑气体力、离心力、轴承力和接触力的情况下分析了轴颈轴承支承的涡旋式压缩机柔性轴的动力学特性，利用Timoshenko梁有限元模型建立轴的运动方程，通过仿真比对验证了其分析结果的正确性。李颖[26]基于动力学仿真软件Adams和有限元分析软件Ansys建立了含运动副间隙的涡旋式压缩机转子系统模型，分析了动涡盘倾覆力以及不同运动副间隙对涡旋式压缩机转子系统的影响，探究了不同构件的涡旋式压缩机转子系统运动规律。江仁埔[27]基于虚拟样机技术对所设计的涡旋式压缩机进行运动学与动力学仿真分析，通过进行装配设计、干涉检查与运动件动平衡设计，验证了所设计的涡旋式空气压缩机的运动规律，为60 kW燃料电池用无油涡旋式空气压缩机开发设计提供了参考。

为实现动、静涡旋盘的正确啮合，需要设置防自转机构限制动涡旋盘的自转运动[28]，研究人员常通过设置十字滑环机构、滚珠机构、小曲拐机构等实现此功能。Qiang等[29]基于解析动力学模型，依据涡旋腔内的压力，对不同的涡旋式压缩机的动力学特性进行了预测，进行了不同类型涡旋式压缩机的实验结果与动态模型预测结果的比较，验证了动态模型的正确性。李颖[26]结合动力学与运动学分析了涡旋式压缩机小曲拐防自转机构的受力及运动形式，探究了不同运动副间隙对转子系统多体动力学特性的影响。李超等[30]通过建立涡旋式压缩机的小曲拐防自转机构模型，从运动学和机构学角度分析了其在不同曲轴转角下的变形和应力状态。黄华军等[31]通过Adams仿真软件对小曲拐防自转机构的含运动副间隙的动力学模型仿真，为提高涡旋式压缩机动力特性提供了理论依据。在各式各样的涡旋压缩机放自转机构中，十字滑环防自转机构具有结构简单、可靠性好等特点，应用最为广泛[32]。虚拟样机仿真技术是研究涡旋式压缩机动涡旋盘动力学特征最有效的方法，为更加准确地分析涡旋式压缩机运动状态与运动规律，在进行动力学仿真前需要综合考虑十字滑环、偏心主轴等主要运动部件的运动情况，合理设置各部件接触类型与接触力。

4.2 流场仿真分析

由于涡旋压缩机内部流场变化情况难以通过实验测得，研究人员常使用数值模拟软件进行分析[33]。李正等[2]采用计算流体力学方法对涡旋式压缩机径向间隙引起泄漏进行了研究，发现径向泄漏对温度场、速度矢量场分布不均匀程度影响较大。张继跃[34]利用Fluent软件基于SIMPLEC算法得到了不同转角下涡旋式压缩机压力腔内的压力场、温度场和速度矢量场的信息，为进一步研究涡旋式压缩机热传递、径向泄漏，对涡旋式压缩机进行优化设计提供了参考。Józef等[35]分析了涡旋式压缩机叶片形状、排气压力、转速等参数对压缩机工作腔内热平衡的影响，发现切向泄漏是影响热传递的最关键因素。

流固耦合是一种由流体力学与固体力学交叉产生的力学分支，流固耦合技术的瞬态分析功能可以更好地反映变化的流场对固体域受力的影响[36]，广泛应用于研究涡旋齿受力变形问题。王建吉等[37]通过间接耦合对涡旋式压缩机涡旋齿在单场及多场耦合作用下啮合强度进行了分析，发现动、静涡旋盘的安装间隙会影响涡旋齿的变形情况，应力分布结果显示，最大应力值在齿厚较大的位置。董晓锋等[38]针对涡旋式压缩机动、静涡旋盘啮合间隙难以确定的问题，通过对动涡旋盘在仅受气体力作用、温度作用以及受热力耦合场作用下的应力分布和变形规律进行研究，发现温度升高是造成涡旋齿变形的主要原因。Ooi等[39]建立了涡旋式压缩机压缩腔内气体流动的非定常连续性、动量以及能量方程，采用具有对数定律壁面函数的标准湍流模型计算了对流换热。刘竞中[40]、李超等[41]研究了涡旋式压缩机动涡旋盘在气体力、温度场、惯性力耦合作用下的变形和应力分布情况，比较了多场耦合作用与单一载荷作用的异同，如图2所示。此外，Liu等[42]使用流-热-固多场耦合模型研究了涡旋齿的变形情况，发现多场耦合技术可以综合考虑压缩腔内各种复杂流场变化情况，从而更好地分析涡旋式压缩机流场分布及涡旋齿受力受热变形问题。

图2 单载荷、多载荷作用下涡旋齿齿顶变形情况[41]

5 涡旋式压缩机泄漏与密封研究

由涡旋式压缩机物理结构以及运行原理可知，涡旋式压缩机工作零件的磨损主要发生在动、静涡旋盘以及防自转机构运行过程中[43，44]，为减少涡旋式压缩机运行过程中的能量损失，常采用润滑油对压缩腔内部及防自转机构与曲轴连接处进行润滑减摩处理[45]。Pereira等[46]对涡旋式压缩机径向泄漏和切向泄漏进行了数值分析，通过将实验数据和仿真模型进行对比，探究了压缩腔内气体径向和切向泄露的相关性，建立了适合于综合仿真模型的涡旋式压缩机径向和切向气体泄漏关联式。J.Rak等[35]研究了特定参数下涡旋体、排气压力、涡旋机转速对涡旋式压缩机切向泄漏的工作腔内的热平衡影响，发现切向泄漏极大地影响了涡旋式压缩机工作腔的热过程。Mitsuhiro等[47]研制了一种能同时评估涡旋式压缩机径向密封泄漏量和密封处滑动面摩擦量的试验装置，对影响密封效果和摩擦量的参数进行了归纳。Zheng等[48]通过分析涡旋式压缩机流场的演化及其对性能的影响，讨论了微槽几何参数(槽数、槽深、分区等)对径向泄漏流动控制效果的影响，发现合理设置密封微槽几何形状，可有效改善涡旋式压缩机的气动热力性能。

对于医疗、食品等对工质流体要求较高的领域而言，需保证工质流体中含油量低于生产技术要求，因此，无油涡旋式压缩机逐渐受到研究人员的广泛关注[49，50]。影响无油润滑涡旋式压缩机性能的关键因素在于密封和润滑，在无油润滑条件下，轴向泄露和切向泄漏问题更加严重[51]。王建吉等[52]对无油涡旋式压缩机涡旋齿齿顶密封结构进行了优化设计，提出了一种组合式密封结构，并通过实验证明了理论计算结果的正确性。为了全面、快捷地预测涡旋式压缩机工作性能，张晓东[43]综合考虑摩擦以及泄漏对涡旋式压缩机工作性能产生的影响，通过分析压缩过程指数的变化情况，建立了涡旋式压缩机工作性能预测模型，为涡旋式压缩机结构参数优化设计提供了参考。王建吉[53]研究了多场耦合作用下涡旋齿变形对涡旋式压缩机轴向间隙的影响，基于流体力学与密封技术提出了涡旋式压缩机轴向间隙泄漏机理及其控制方法。钱月[54]研究了涡旋式空气压缩机的径向间隙柔性密封机构，导出了径向间隙上油膜压力的分布曲线。

在对涡旋式压缩机进行优化设计时应着重于改善涡旋式压缩机的密封性能，减少径向泄漏与轴向泄漏。涡旋式压缩机的磨损与密封问题极大地制约了涡旋式压缩机的工作效率。由于压缩机物理结构以及运行原理导致其摩擦副数量较多，难以减少摩擦副。因此，对涡旋式压缩机进行优化设计时应从改善涡旋盘润滑状态与密封性能展开研究，提高涡旋式压缩机的工作性能。