涡旋压缩机发展动态

涡旋压缩机发展动态 第一章 涡旋压缩机发展动态 1.1 前言 汽车作为一种重要的现代化交通工具，其舒适性与现在我们的日常生活及出行密不可分。随着我们生活水平的提高，我们对汽车舒适性的要求越来越高。空气调节，广义的讨论是一种一年四季保持室内的空气温度、湿度、空气流速、洁净、噪声以及余压等在热舒适标准范围内的技术，而应用在汽车工业上，便是汽车空调。汽车空调是空气调节工程的一个重要分支，是对汽车车室内或驾驶室内空气的质量和数量，为达到热舒适的标准而进行调节的装置。 早在 1886年，德国的卡尔?本茨(Karl Benz)制造出第一辆汽车以来，汽车工业经历了几次飞跃的发展，使汽车成为今天我们重要的交通工具和工业的重要支柱。而汽车空调的问世却比汽车的发展晚了整整半个世纪。1927年市场上出现了第一台汽车空调装置，实际上只能称之为加热器。1940年美国Packard公司第一次以机械制冷用于车用空调。汽车空调的实用化、普及化是从第二次世界大战后才开始的，然而其发展却是异常的迅速。1953年，装有冷气的车辆才只有车辆总数的 10%，而仅仅到了20世纪 80年代末，美、日等国的汽车空调的装着率便已经达到了 80-90%，其中轿车、旅游车则高达 100%。现在，汽车空调系统不仅安装在轿车、旅行车、客车和公共汽车上，而且在工程车、农用机械上也得到广泛的应用。而汽车空调装置，比普通空调装置使用的条件会苛刻得多。汽车室外气候环境变化急剧，变化幅度又大;车室的空间是有限的狭小容积，因此成员占空间比大;尤其是汽车行驶速度的变化是偶然性的，车速变化引起压缩机主轴速度的变化，这种偶然性使空调系统变工况运行中更加复杂和难以控制。根据汽车空调的特点要求空调装置具有快速制冷和低速空调性能。自80年代计算机微处理汽车空调系统问世以来，汽车空调器的机能和控制发生了根本的变化，使司机从繁琐的温度调节中解放出来，提高了整车机动性和舒适性，并能达到冷暖通风一体化的效能。 作为空调装置的核心，汽车空调压缩机经历了从无到有，也有了长足的发展。目前用于汽车空调的压缩机达 30—40种，而新型的压缩机又在不断的开发、研究、试制和投放市场，仅在1985年一年内，美、日、德申报的汽车空调压缩机 - 3 - 专利就有20项之多。 压缩机的性能以制冷效果、热效率、容积效率、单位制冷量的重量、单位制冷量的功耗、噪音大小、耐久性、可靠性作为技术经济指标。由于压缩机的工作条件随着汽车所处的环境变化非常大，从酷暑潮湿的地区到严寒干燥的地带，从高速奔驰到缓慢行进，从乡村到城市，从田野小径到高速公路，道路不平的振动以及压缩机转速随车速改变而引起制冷量的变化，为此每一种汽车空调压缩机都必须模拟上述不同环境条件进行试验、考核，以证实其耐久性、可靠性。 用于汽车空调的压缩机，主要机型是压缩式容积型的压缩机。其中以往复活塞立式压缩机装入汽车空调为最早，现在基本上被斜盘式压缩机替代 (大型车用空调活塞式压缩机仍在应用)。斜盘式压缩机是汽车空调最主要的机型。因为斜盘式压缩机的、结构及加工工艺、维修都比较成熟，以斜盘式作为汽车空调压缩机约占总压缩机量的80%。 从压缩机容积效率、零件数多少、尺寸紧凑、重量指标、节能效果、噪音以及耐久性等进行比较，人们选择汽车空调器的压缩机重心已经由传统的往复活塞式、斜盘式时代移向回转式压缩机。可以说，回转式压缩机将会取代往复式、斜盘式和摇板式压缩机，未来压缩机的时代是回转式压缩机时代。 汽车空调回转式压缩机主要机型有旋叶式、滚动活塞式、螺杆式、三角转子式和涡旋式压缩机等。其中最引人注目的便是涡旋式压缩机，由于它体积小、重量轻、噪音小、无气阀，零件数目少，使用寿命长，尤其是它的容积效率特别高，等值排量情况下节料性、节能性极高。虽然问世不久，但一开始出现便引起了人们的高度关注。在相同条件下，它比往复活塞式压缩机容积效率高20—30%，绝热效率高10%，功率下降10%，体积减少40%,重量下降 15%。不难看出，涡旋式压缩机与其他形式的压缩机相比，它的优势是很明显的。 由于汽车空调压缩机转速随车速变化而变化，从节约能源、车室内保持能量恒定和热舒适性考虑，变量压缩机应运而生。现在斜盘、摇板、滚动活塞、螺杆、旋叶以及涡旋式压缩机都研究开发出变量机型，有的变量机型可进行无级能量调节。由现状可知，变量压缩机是汽车空调压缩机的发展方向，各种汽车空调压缩机将全部被变量型压缩机替代。 发展变量型压缩机的同时，现在还有“用改变供电频率的方法，控制电动机速度乃至达到控制压缩机的转速，以期达到能量控制和与车室负荷匹配的变速传动(VSD)”。 - 4 - 回顾汽车空调压缩机的发展，我们可以将其分为四个发展阶段: 第一代汽车空调压缩机为往复活塞式压缩机; 第二代汽车空调压缩机为斜盘式、摇板式和径向辐射式; 第三代汽车空调压缩机为旋叶、滚动活塞、螺杆和三角转子式等回转式压缩机; 第四代汽车空调压缩机为涡旋式压缩机; 第五代汽车空调压缩机为变量型压缩机和 VSD变速传动机组。 1.2 涡旋式压缩机国内外研究现状 涡旋机械的构思，是本世纪初法国工程师克拉斯(Cruex)提出的，并于1905年取得美国发明专利权。该发明专利阐述了一种新型旋转式发动(RotaryEngine)，其实它的工作原理就是如今我们所称的涡旋机械。 此后近70年间，涡旋机械并没有得到更深入的研究和发展。原因之一是它的重要性还未被人们充分认识，其次是没有高精度的涡旋型线加工设备。 进入本世纪70年代，由于能源危机的加剧及数控加工技术的发展，给涡旋压缩机的发展带来了机遇。1972年，美国Artbur D Little(简称A.D.L)公司首先解决了涡旋盘端部补偿磨损的密封装置，在此基础上他们又与瑞士合作开发了空气、氟里昂和氨气等工质的涡旋压缩机样机，并把它用在远洋海轮上，标志着涡旋压缩机实用化年代的到来。此后，又有几家公司，如美国Copeland公司、Carrier公司、Trame公司、Knox公司先后生产不同种类的涡旋压缩机。美国作为最先掌握涡旋压缩机制造技术的国家，其产量在逐年上升，94年已经达到了300多万台。但其生产的涡旋压缩机大都是家用空调器压缩机和空气压缩机，在汽车空调压缩机方面做的工作较少 1981年，日本三菱重工推出了用于汽车空调的涡旋压缩机。它的起动力矩较小，确保了发动机的正常工作。时隔两年，日本日立公司开发出2.2—3.7kw(3 )的全封闭涡旋式压缩机，并用于单元式空调机上。从此，对祸旋压缩—5匹马力 机的研究开发就成为压缩机技术发展的热点之一。 日本约有十家生产涡旋压缩机的工厂，1983年 Hitachi公司开始生产功率2-5HP的涡旋压缩机。1981年 Sanden公司开始生产用于汽车空调的涡旋压缩机，这两家公司在世界上率先成功的大批生产了分别用于柜式空调和汽车空调的涡旋压缩机，到目前为止，Sanden公司仍然是生产汽车空调用涡旋式压缩机规模最大、 - 5 - 能力最强的公司。其他厂家如Mitsubishi Electric, Daikin, Toshiba,Sanyo和Mitsubishi Heavy Industrial等也相继成功的生产出涡旋压缩机，92年在 93万台 柜式空调种己有相当一部分配用了涡旋压缩机。另外一些公司，如IWATA和MITSUI SEIKI等公司，目前也在生产涡旋空气压缩机。除美国和日本外，法国Matiecnop公司在美国Trame公司的许可下于92年也开始生产 1-1.5HP的涡旋压缩机。瑞典的ATALLAS公司生产涡旋空气压缩机，在泰国 Hitachi公司也建立涡旋压缩机生产厂家，其产量大约在年产 10万左右。 国内对车用涡旋压缩机的研究起步于80年代末期，对生产的尝试则开始于90年代中期。但因国内加工设备滞后及进口设备价格昂贵， 同时也由于投资需求庞大、我国汽车产业滞后等因素，产品一直未走入市场。进入新世纪以后，国内经济尤其是汽车产业迅猛发展，车用涡旋压缩机的生产又迅速升温。广州万宝集团在其全封闭涡旋压缩机生产技术的基础上开发出了中小排量的车用涡旋压缩机;重庆建设集团引进了日本精工小排量涡旋技术;南京奥特佳自主开发的车用涡旋压缩机已装备于众多的微型车中，并向大排量发展;江苏新世纪则与高校合作，迅速推出了中小排量的全系列车用涡旋压缩机，可满足中型客车、轿车直至微型车的装备需求;上海易初与日本三电公司合资建厂;一些经济和制造业发达地区的企业也正跃跃欲试甚至已投身其中。 1.3 汽车空调涡旋压缩机的关键技术 涡旋压缩机原理是于1905年提出的，但到七十年代末还未达到实用化，其主要原理是缺乏精密的加工技术，以保证型线良好的啮合和控制工质的泄漏，当然轴向的磨损也是一个技术难。因此，涡旋压缩机的关键技术是: ? 提高密封性能 ? 提高压缩比减少余隙 优化结构简化生产工艺降低生产成本 ? 因特殊的应用场合及使用要求，与涡旋机械的最大应用领域—单元空调压缩机相比，车用涡旋压缩机的结构及一些关键问题的解决手段有其独到之处。以下问题是制约车用涡旋压缩机性能及可靠性的关键所在，如下: 1.动盘防自转及轴向支撑 传统的车用涡旋压缩机将防自转和轴向支撑机构合二为一，称为球形轴联 - 6 - 器。这种机构较好地满足了车辆空调结构紧凑及润滑条件差的使用要求，制造也比较容易，但对加工和装配的精度要求较高，卡环上的锥孔由铣床加工而成，生产效率不高，且最重要的锥形工作表面加工质量不易保证，并且结构在运转过程中只有不到一半的钢球处于受力状态，各钢球轮流与卡环接触，会产生冲击噪声。新型压制环槽板动盘防自转及支撑机构则简化了球形轴联器结构。 驱动机构调节和补偿 2. 为减小工作腔的周向泄漏，希望压缩机运行时动静涡盘侧壁能贴合在一起，然而压缩机各零部件因加工和装配误差、磨损、热变形等原因，很难保证所设计的回转半径恰好可实现动静涡盘的良好贴合，因而需要一个可根据实际情况自动少量调整回转半径以实现两涡盘侧壁贴合的机构，这称为径向调节机构。常用的偏心盘径向调节机构由于其本身的缺陷，而未得到广泛的应用。有文献提出一种同心摆动盘径向调节机构，这种结构中曲柄销偏心量较小，因而其受力较小，同时曲柄销所受合力沿菱形长轴方向，因而刚度和强度大大增加，可靠性提高。这种结构的另一个好处是选取合适的平衡重的尺寸和布置，还可实现压缩机的自动减负荷启动，使压缩机启动时， 回转半径总是处于其最小可能值，径向间隙最大，实现减负启动。 3.轴向及径向密封 涡旋压缩机中的泄漏有两种:齿顶轴向间隙产生径向泄漏，齿侧径向间隙产生周向泄漏。轴向间隙的密封目前广泛采用在涡旋齿槽底部垫钢制耐磨板，在涡旋齿顶开槽嵌入密封条的手段。工作时，将高压气体引入密封条下部而将其托起，以增强密封效果。 在车用涡旋压缩机中，径向间隙的密封主要靠两种手段保证，前述的径向调节机构就是其中最有效的一种措施。两涡盘在径向多点同时啮合实际上属于过定位现象，由于加工和安装误差的存在以及运行过程中的热变形导致各啮合线不可能同时接触，致使周向泄漏增加。涡盘中心部位的温度最高，热变形导致的间隙最大，同时中心部位各工作腔压差也最大，因而导致中心部位工作腔泄漏尤其严重。有文献提出了一种解决手段，即将涡旋壁自中心向外大约一圈以后的厚度减薄，从而使两涡盘壁只在中心部位压差最大的区域接触，保证高压部位的密封，低压部分虽间隙增大，但因压差不大，泄漏增加不多，压缩机整体容积效率和热效率提高，尤其是在低转速情况。这称为涡旋壁级间密封技术，削薄量及削薄开始位置是这一技术的关键所在。 - 7 - 4.齿型修正及排气孔开设 涡旋压缩机的圆渐开线齿型在加工时会因始端曲率半径小于刀具半径而被切削掉，这种齿端过切现象对压缩机的设计、制造和使用极为不利，因而必须寻求合适的可加工曲线对涡卷体中心部位型线进行修正。最早的车用涡旋修正型线是对称圆弧修正，目前使用较多的是经二次修整的对称圆弧或对称圆弧加直线修正。前者是在普通对称圆弧修正基础上对圆弧部分进一步切削而增设弧段，其主要好处是可降低齿端应力，降低气流脉动噪声，简化排气孔开设，减小排气开始阶段的压力损失。后者是在普通对称圆弧加直线修正基础上对齿端小圆弧及其附近齿面进一步切削而成，这样做可使排气初期和末期的压力损失同时减小，且进一步降低排气噪声，简化排气孔开设。相比而言，后者更利于热效率提高， 目前应用更多。 合适的齿端修正型式必须与合理设计的排气孔相配合才能实现预期的性能改善。排气孔的开设因齿端修正型式甚至同一型式的参数不同而差别很大，设计计算十分复杂，最终对压缩机性能的影响也差异很大。齿端修正参数的选取与排气孔的设计甚至与内容积比的选择都是相互制约的，这些错综复杂的因素交织在一起，使齿端修正方法及参数、排气孔形状及尺寸、内容积比数值等的设计极为困难。 5.减少振动和降低噪音 车用涡旋压缩机的噪声主要来源于排气脉动、排气阀阀片对阀座的冲击、涡圈侧壁的冲击、球式防自转机构的冲击4个方面。 比如在排气孔高度的中间位置开设了一个排气缓冲腔，有效限制和减小了变 工况时的排气压力膨胀波。实验证明，这可使排气孔中的压力变化幅度减小0.25 MPa，气流脉动噪声平均减小6dB。但这将对热效率产生负面影响，优化设计后可控制热效率的降低在1,以内。 而减小阀片的冲击可采用两种手段。一是减小阀片刚度，研究表明，涡旋压缩机因其排气过程连续可将阀片刚度取为往复压缩机的一半甚至三分之一，能有效减小阀片冲击噪声，而不影响使用效果，甚至还因此减小了排气损失。另一个减小阀片冲击的办法是通过控制中心腔容积变化规律尽量减小阀片关闭阶段的容积流量，使阀片能在这一转工作周期内及时回落，防止下一转中心腔形成时因外界高压的作用使其迅速冲向阀座，这又与齿端修正及排气孔有关。 涡旋侧壁的冲击噪声来源于两个方面，一是由于径向调节机构与球式防自转 - 8 - 机构匹配无法严格防止动盘自转，导致涡盘两对称工作腔之一的啮合线分离，产生冲击，形成噪声。建议采用EM Brg及Oldham Ring&Thrust Bearring结构改善动静盘啮合，减小噪声。研究表明，齿侧啮合冲击噪声主要来源于吸气腔闭合时涡旋壁末端对另一涡盘侧壁的撞击，将涡旋壁末端内侧壁面一定展角范围内适当削薄，可有效减小噪声3,6 dB，且削簿的展角范围越大，噪声降低越明显，建 3左右， 以避免导致泄漏增大。 议取削薄展角区间在π/ 6.容量调节及控制 车辆空调压缩机由车辆本身发动机直接驱动，因而无法人为控制其转速而随意获得满足人们主观需要的冷量，故需要对其容量进行调节。这一问题在往复式压缩机中已通过连续改变活塞行程得到解决，但在回转式压缩机中普遍解决困难。传统的车用压缩机变容量调节问题并不涉及系统的控制，而是将感受到的蒸发压力信号直接反馈给容量调节执行机构，控制其动作而改变排量。汽车空调压 缩机的容量调节有两种方式，一是上述直接由压力信号控制压缩机改变排量调节执行机构，称为内控式;一是将感受到的压力及车内温度，甚至设定温度、蒸发器风扇转速等更多信号传送到空调中央控制装置，由控制装置通过运算后直接控制压缩机排量调节执行机构动作，调节压缩机排量，这称为外控式。从目前汽车空调系统的发展趋势看，外控式因控制精确、可靠、简单方便而成为发展趋势。甚至还可直接感受转速信号，并按预定程序由中央制器直接控制旁通阀动作幅度而实现压缩机多级或控连续气量调节。 7.减小循环带油量改善压缩机润滑 众所周知，排出压缩机的制冷剂中所携带的润滑油是恶化换热器传热效果的主要因素，因而应尽量减小制冷剂循环带油量，这可通过严格控制压缩机润滑油充灌量来保证，但这样可能导致压缩机润滑和密封不够理想。在压缩机排气腔中设置合理的油分离通道和贮油槽是这一问题的有效解决办法，且可提高压缩机性能及可靠性，实际上车用滑片压缩机已采用了这一技术。 这些技术手段代表了近年来这一领域研究和应用的领先地位，对国内车用涡旋压缩机的研究和生产具有重要借鉴和指导意义。 - 9 - - 10 -