三维涡旋式压缩机开发.docVIP

三维涡旋式压缩机的发展 H 佐藤1，M 藤谷2，H 小林2，H 水野2，和T 伊藤1 1名古屋研究与发展中心，日本三菱重工业株式会社，日本名古屋 2空调和制冷系统的总部，三菱重工有限公司， 3-1朝日西枇杷岛町清须市，爱知县452-8561，日本 这份手稿收到62007年12月修订后接受出版于2008年9月16日 DOI：10.1243PME189 摘要：涡旋式压缩机由于其高效率，低振动等优点已应用于各种机械。为进一步改善涡旋式压缩机的性能。作者已经开发出一种新的概念三维压缩机构（三维涡盘）。其原理是在原有的常规径向压缩上增加一个轴向压缩。通过实现三维压缩，原有的传统涡旋式压缩机所不能达到的高效率，高可靠性和较小的尺寸将得以实现。由于三维涡旋压缩在涡旋顶端和底端有阶梯，所以改善三维涡旋压缩效率的关键点就是尽量减少在阶梯处的气体泄漏。通过气缸的压力测量和可视化测试，可以观测出这些阶梯中的泄漏特征，并且确定最佳的间隙范围。在此基础上，作者已经开发出效率高，体积小，重量轻的三维涡旋压缩机商用空调。这种三维涡旋压缩机缩小了35％的尺寸， 减轻了26 ％的重量，而且与现有涡旋式压缩机增加了5.5％的效率。 关键词：压缩机设计，制冷，监控，性能，开发，仿真 简介 为了应对全球气候变暖，从环境保护的角度出发，节能的需求已得到了普遍的认可。由于制冷和空调装置的大部分能耗在压缩机造成的，所以提高压缩机的效率是很有效的节能方法。此外，这些设备的安装空间往往很有限。因此，包括压缩机在内，每个部件的微型化是很有必要的，这样可以加强机器安装的适应性。 如今，涡旋式压缩机由于其高效率，低振动等优点开始越来越多地应用于各种设备，满足了许多节能需求。为了进一步提高涡旋式压缩机的性能，作者开发了一种新概念的三维涡旋式压缩机（三维涡盘），该压缩机的原理是在常规的涡旋式压缩机的径向压缩上增加了一个轴向压缩。 本文介绍了三维涡盘中提高效率的技术以及商用空调中三维涡旋压缩机的发展和应用。 三维涡旋压缩机的结构 三维涡旋压缩机的特性 图1显示了作者开发的用于商用空调的三维涡旋式压缩机以及其动涡旋盘的照片。制冷剂气体通过放置在压缩机侧面的吸入管流入。然后，到达压缩腔，沿外侧移动到到内侧并且被压缩。被压缩的制冷剂从静涡旋盘的中央排出。 图1 三维涡旋式压缩机 图2 常规涡旋式压缩机与三位涡旋式压缩机的剖视图 图2表示的是传统涡旋式压缩机和三维涡旋式压缩机截面的示意图。传统涡旋盘的涡旋齿的高度在整个压缩过程中恒定的，并且制冷剂从外侧到内侧由于二维面积不断减小，腔室也不断地被压缩。对于三维涡旋式压缩机，相比之下，通过设计增加阶梯来增加涡旋顶端和底端之间的距离，使得压缩腔的外侧比内侧高。因此，三维涡旋式压缩，即在径向和轴向上同时压缩成为可能。 三维涡旋式压缩机具有以下特征： 径向和轴向的同时压缩能够为压缩机提供更高的压缩比。 内侧的涡旋齿承受着高负荷，通过减小它们的高度可以提高涡旋齿的强度和可靠性。 增加外侧涡旋齿高度不仅提供了更大的压缩容量，而且避免了增加涡旋齿的外圆直径，因此，三维涡旋式压缩机具有更小的尺寸和更轻的重量。 三维涡旋式压缩机的压缩原理和间隙泄漏 图3表示的是三维涡旋式压缩机的压缩原理。三维涡旋式压缩机的顶端和底端设有阶梯（顶端阶梯和底端阶梯）。当顶端阶梯和底端阶梯没有衔接时（如图3的（b）和（d）所示），压缩腔通过阶梯处的侧面缝隙相连，压力相等。因此，阶梯处不会产生泄漏。另一方面，当顶端阶梯和底端阶梯结合时（如图3的（a）和（c）所示），密封线由两个阶梯公同结合形成。 图3 三维涡旋式压缩机的原理 图3还给出了阶梯的放大图以及动盘沿涡旋方向的剖视图。位于阶梯的泄漏间隙（以下简称阶梯间隙）可大致分为轴向间隙和径向间隙，气体从高压腔到低压腔的主要泄漏途径就是这些泄漏间隙。因此，改进三维涡旋式压缩机的关键点在于通过优化阶梯间隙来减小气体泄漏。 三维涡旋式压缩机效率的提高 阶梯间隙的优化 综上所述，对于三维涡旋式压缩机，减小阶梯处的气体泄漏十分重要。为了研究阶梯间隙的泄漏特性，需要进行气缸压力测量，并从P-V图中得出指示效率。图4给出了一个测量例子的P-V图。从图中 可以得出：当阶梯间隙较小，压力曲线重叠为理想曲线。然而，当阶梯间隙较大时，由于气体泄漏增大，压力曲线偏离理想曲线。 图4 P-V图 图5表示了从P-V图中得到的阶梯间隙对指示效率ηi变化的影响。图5（a）表示的是当径向间隙是固定的，而轴向间隙是变化时的图像。而图5（b）表示的是当轴向间隙是固定的而径向间隙是变化时的图像。指示效率比的定义是当δ/δ0=1时，指示效率的比值即为指示效率比。从图5（a）可以看出，随着轴向间隙的减小，指示效率升高。然