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影响涡旋压缩机性能的因素分析

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发表于 2002-5-27 12:50 |只看该作者 |正序浏览
影响涡旋压缩机性能的因素分析
0 L& W2 |1 W% m! d+ n# q! T' i
2 g( z3 h6 T* [9 [$ l3 [廖全平
- V6 k$ e5 P6 _* x. e, {1 i) Q9 [9 X- g* a: g- z# u
  1 前言
- m: r: A( U$ q4 j, J" I, F9 F0 L1 ?( @  O' D
  涡旋压缩机因其效率高、振动噪音低、运转平稳、可靠性好等显著优点,正受到越来越多的空调生产厂家的青睐和认同。对压缩机生产厂家来说,保证产品质量,生产出性能稳定、优质的压缩机是占领市场的先决条件。本文结合涡旋压缩机生产实践,对影响涡旋压缩机性能的主要因素进行分析。
. {0 b( I" l2 v# C3 H& A& `$ T
( s2 }4 ?) i8 s# V7 W( d3 K  2 涡旋压缩机的功率和效率
( T# a7 Q) H: [) B; F4 Z+ o% R8 ?9 d) l# q
  压缩机消耗的功率; 一部分是直接用于压缩气体的,为指示功率,另一部分用于克服机械摩擦,为摩擦功率。两者之和称轴功率。
. p4 W0 t+ G) c  对于全封闭式涡旋压缩机,因其轴功率难于测量,常常在计算压缩机的能效比或COP值时,用的是电机输入功率,而把电机损失作为常数处理,而且把压缩机指示功率分为压缩内功和各种内部损失两部分。内部损失则包括气体泄漏损失、加热损失、吸排气压力损失、流体阻力损失等。如下所示:" T# u) m, }0 }" u& E+ N; g/ F
- i' L& {) C# b8 ^3 E
2 \& x, a# k1 Y9 K. t
3 `. @% X- z+ U1 h" F
  压缩机效率通常以能效比或COP值来衡量。
9 ?: g- w3 Q! C( M; D$ ]2 q! n  若实际吸气容积为VS(m3/min),折算到吸气状态的实际排气量为:
* S7 O5 S" O+ m( h# g5 a5 o  V=n(Vs-vsmo)(1)* t/ H+ B( \- E; i9 d1 b
  式中:n--转速rev/min;vs--吸气比容(单位质量物质所占容积,m3/kg);mo--每分钟泄漏量kg/min。
& D2 e/ ~0 o: b3 j) I0 H  假设ηv(容积效率)为0.9∽0.98。
" f) @) |1 p' O) T0 u) `  估算:
0 t; G0 X2 {& D! K* H5 Y0 s; ~  V=ηv·vs·n(2)
3 z( |6 d) X/ \. I8 b: s  ∴ 实际制冷量Q=( V·qv·n)/(6.02×107)
4 ~8 q. T) Y& c/ ]3 \  H  =(ηv·vs·n2·qv)/ (6.02×107)(3)4 A3 J- ], d  ~4 y$ t6 k, C$ T
  qo-单位制冷量' b& n2 p9 {+ p0 j' R7 f8 s0 d2 H
  当制冷或空调工质、工况确定后,Q只与ηv、vs及n有关。) y2 L& w- t# I" I
  COP=Q/N(w/w)(4)
9 K+ a( `( a6 ^  k0 m4 I4 e  N--电机输入功率1 ?. r- c3 H" `5 e: n
  COP值与能效比(EER)的数值关系  w. T7 B  t: l: F! q" u0 a8 W/ ]
  EER = 0.86 COP(5)* I/ ^2 I( {! E2 G3 v  A
2 f5 B9 }! Q0 H8 T, P7 j
  3 因素分析. @* a9 x% b5 u( T

1 j  E& L, o$ u/ \% S8 Y  从以上分析可知,影响涡旋压缩机性能的主要因素有:* g7 `1 S/ o9 I7 c9 i; t
  3.1 电机输入功率
8 v9 n5 G# L. I" e  造成全封闭式涡旋压缩机电机输入功率偏大的原因,在压缩机实际工作过程中是非常复杂的,但主要有:电机损耗过大,包括铜损、铁损,这与电机材料和加工工艺有关(本文不作详细分析);压缩机工作过程引起的功率消耗。: }- K( X6 t8 }$ s! \* o0 @
  3.1.1 机械摩擦
/ C2 ?6 C% h2 W+ S8 z5 ?  当压缩机工作时,动、定盘之间,防自转滑环与配合键槽之间,曲轴与各被驱动面(轴承)之间接触并发生相对滑动等,不可避免的产生摩擦损失。
. E9 ?8 @* a1 p! u; d* |; v; G  i  ①动盘与定盘之间的摩擦损失0 Q7 _  X; o3 T7 c' K9 F% q4 \2 }4 |
  动、定盘间的摩擦损失,即是压缩机工作腔内的摩擦损失,若动定盘的涡旋线、齿顶、底面,或镜板面因加工精度、平面度、位置度等没有达到要求,则会在这些地方产生异常摩擦;或者压缩机整机含尘量较高,又或者固体尘埃(如焊渣、加工余屑等)颗粒直径过大?也会造成压缩机工作腔内异常摩擦,严重时甚至影响压缩机正常工作。+ ^! P# |! M/ k3 a7 c% y" @. F
  ②防自转滑环与各配合键槽之间的摩擦损失$ j4 r- \1 `. d0 P' D  R
  防自转滑环主要用于防止动盘的自转运动,在压缩机工作过程中,防自转滑环在机架和动盘上分别沿垂直方向上与键槽滑动配合,在滑动过程中产生滑动摩擦损失。若十字键或键槽的垂直度、平行度、光洁度、平面度超差较大时,则会增大摩擦,加大功耗。另外,因为对立式涡旋压缩机防自转滑环是直接与机架上的支撑面接触的,在运动过程中,也不可避免产生摩擦损失。9 a; I; o# U' e
  ③曲轴与各驱动面间的摩擦损失0 Y5 v: T& _* g8 I: ^" |
  电动机驱动力是通过曲轴转动,从而带动动盘旋转来完成吸气、压缩、排气的过程。由于曲轴中心线与滑动轴承的中心线重合是非常困难的,而且由于加工误差和装配误差的影响,轴和轴承常常是偏心的,由此而产生的摩擦损失也是必然的,另外止推轴承与主轴承内圈之间也存在摩擦损失。1 G7 N$ L& P$ [. m
  ④润滑油的影响
9 q: T# H7 M! a7 N  以上各摩擦面、啮合面都必须有足够的润滑,才能保证压缩机安全、可靠、高效的工作。在制冷压缩机中,不论是强制冷却或是自然风冷,润滑油总是在降温后由上油孔或上油管进入各摩擦面,吸收十字环、工作腔、轴承等处的热,随高压气体经排气口排出,从而保证压缩机正常工作。但是如果润滑油量过多时,则会随排气进入系统且滞留在冷凝器、蒸发器等存油弯,影响两器换热,严重时会影响压缩机正常工作。; x0 h8 ?# |! Z7 ]2 p0 n4 c
  以上列出涡旋压缩机各零部件制作过程中主要质量监控点,若失控,将直接影响压缩机正常工作,或明显影响压缩机性能。# {9 y1 q4 h; D* V
  3.1.2 流体阻力+ @( ^/ I" M! i
  ①动盘运动引起的流动阻力损失
* [3 t# @# b8 K/ G; I' }8 l4 @2 T  当动盘旋转时,因其背面受中间压力腔中流体(包括气体、油气混合物)阻碍,会产生流动阻力损失,阻力大小与动盘背部结构、几何尺寸、旋转角度及流体密度有关。
: r/ w7 f8 u4 F  ②平衡块的流动阻力损失5 [4 w% o- `4 v( Z
  平衡块所在空间是具有一定压力的气体,油或油气混合物,当平衡块随曲轴一起旋转运动时,会产生阻力损失,阻力大小与平衡块几何尺寸、流体扰动系数、粘度、密度等有关。, y* u; n7 T9 d; D
  ③吸、排气阻力损失
# ]/ M- z$ ~& n& F  气体流动时,由于气体内部的摩擦以及气体与管壁之间的摩擦,而导致流动阻力损失。; I5 p5 k- H& e" W; a2 ]3 J, U) e1 _
  当气体通过吸气管道和吸气阀(逆止阀)时,产生阻力损失,使吸气压力降低,既减少了吸气密度,相应地使实际排气量降低,降低了容积效率;同样地,排气孔口处的流动阻力,使得压缩机实际排气压力升高,而使功耗增加。
+ v' ?* ]4 `+ e; J4 t. C0 l5 E0 f  3.2 气体泄漏
/ o1 }6 _: ^4 C1 A/ T( S% e: F& A  3.2.1 气体泄漏种类' O0 f- b$ [1 O" X# T3 F4 r$ f
  气体泄漏可分为内泄漏和外泄漏。# O# n+ d7 U4 i/ h& V" l# J" V! W$ W
  内泄漏是指压缩机各压缩腔之间,压缩腔与背压腔之间的气体泄漏,表现为高压气体向低压腔泄漏,再从低压腔压力压缩到泄漏前压力,造成重复压缩消耗功率,所以内泄漏直接结果为增加功耗。: O' A9 @- r0 y' {; I; z
  外泄漏是指压缩机在吸气过程中与外界(大于吸气压力的高压气体)进行气体交换。显然,高压气体进入到吸气腔内膨胀,并占据空间,使得实际吸气量减少。即外泄漏不仅使功耗增加,而且还减少吸入气体量,使排气量减少和制冷量降低。/ @" k3 r- G0 \; W# t
  3.2.2 泄漏通道
& S8 e, E- z0 M7 ?7 f) f- p" O  ①内泄漏! G: ?0 Y* G" C5 _; l, a
  涡旋压缩机中,内泄漏的发生途径主要有工作腔之间的泄漏,工作腔与背压腔之间的泄漏,安全阀孔泄漏等。
+ v5 ?4 U9 Z, m% U) e6 S9 S& ?+ h1 z  ①工作腔之间的泄漏3 [) X/ |" ?# a4 |
  径向泄漏:气体或油中溶解的工质通过轴向间隙产生的泄漏(图1)。: P) z) E# j+ d) G) H
  轴向泄漏:气体或油中溶解的工质通过径向间隙产生的泄漏(图2)。
9 y4 T- z- O, z9 d: I7 W- q/ B  ②工作腔与背压腔之间的泄漏
2 C# u8 D2 T) \( N1 @- s: l" i  R  中间压力腔与背压腔之间的气体、或油中溶解的工质的交换(图3)。! }3 P2 S4 I  z+ s" B
  背压腔与动盘端板面密封之间的气体或油气混合物的交换(图4)。5 p( v; c# Q3 |# m1 l; B
  ③安全阀孔泄漏0 K  B) }* O+ q4 ?: s
  主要是排气缓冲腔内的高压气体通过安全阀孔泄漏到低压工作腔(图5)。所以,目前有些压缩机在确保正确使用的前提下,也采用取消安全阀的设计,以减少内泄漏,提高压缩机效率。外泄漏主要是指由于定盘吸气孔O型环密封性差,导致高压气体进入吸气腔的泄漏(图6)。
( \4 ~3 k+ \- U7 M' R3 |, }, s9 ^
* \7 T  x, f. W8 ?( c
% e* ^7 J2 ^1 d' H
! r! |- j$ p1 y3 O  m9 ]图1" j* [/ z6 ~0 S

! N2 m* H" E, b- [; j4 h2 H- _  _; H0 X7 t7 p

( }) K6 U3 t! j1 L1 p  m图2: c( L0 e: u, B4 J9 E9 B- e

% w2 P% O  n0 f( p1 D: N' l8 k  p4 t0 Q4 R0 r! E8 S
8 C  J1 P0 `5 E! [1 d: |
图36 J7 n$ }% @: n3 R9 p
0 o$ b+ ]& |1 S2 E% J4 A. O

: m7 ~) J! F- Y: B- {! C- L
6 F* R5 [* N7 Y) r6 {, Q图4, v3 V! b; D: K! \+ r8 R' }5 [

: `& e2 E7 v! P/ n2 g! ?/ j4 ?! v2 v0 I. o) r3 M; _
* W4 ]. g1 G) O3 g, m# O* F
图5
4 p0 |6 a. X6 I1 u6 A
" B- w7 t( W; t" _; s$ m! S) K" V0 @) x0 {1 O' k# ?
! J* `% W- W; O, v
图64 ]2 w! F0 P" C" g

) {# d. Q# l" B; M* R, c, c2 G6 D+ B: d  3.3 吸气预热& N* T6 U0 u1 k8 A1 |0 w
  吸入气体受压缩机机体或环境加热,使吸入气体密度减少,实际吸气量减小,从而实际排气量减小,制冷量降低,功耗增加。有资料表明,吸气预热每增加3℃则能效比下降1%。. w+ v6 m, p) i3 |
% D3 F/ [/ f; ]
  4 总结
; y+ x* {  j, n' j/ Y
( \3 T7 h% L  w5 y- [* _* d  综上所述可知,影响涡旋压缩机性能的因素是错综复杂的,它包括了设计、制造和使用等各个环节,除以上分析的因素外,还有如吸油管搅油损失,气体流动摩擦损失,动定盘材料(热膨胀系数)影响,动定盘齿高选配等。在涡旋压缩机生产过程中出现能效比偏低时,则应抓住主要矛盾,系统化分析原因,才能行之有效地解决问题。
8 S( s! J8 w4 G' R# R, I+ g
; w6 d. g# p# D( N) Q参考文献3 b8 D+ \5 ?0 s. S4 o& J
9 F! o0 Y$ k* M1 g5 M( ~+ [
1,李连生.涡旋压缩机.机械工业出版社,1998年.
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