一種回轉(zhuǎn)式活塞壓縮機(jī)的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

雷 蓉, 歐陽新萍, 郭 震, 程哲銘

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

一種回轉(zhuǎn)式活塞壓縮機(jī)的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

雷 蓉, 歐陽新萍, 郭 震, 程哲銘

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

提出了一種新型雙環(huán)結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)式活塞壓縮機(jī),將常規(guī)往復(fù)式活塞改為新型回轉(zhuǎn)式活塞,同時(shí)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).在保持了往復(fù)式活塞壓縮機(jī)壓縮比范圍廣、制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的同時(shí)借鑒一些回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn),消除了常規(guī)活塞式壓縮機(jī)的活塞慣性力,取消了常規(guī)活塞式壓縮機(jī)的吸、排氣閥,提升了活塞式壓縮機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì).設(shè)計(jì)了首款產(chǎn)品樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了回轉(zhuǎn)式活塞壓縮機(jī)工作原理的可行性,排氣壓力達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),實(shí)際排氣量則達(dá)到理論排氣量的一半以上.

回轉(zhuǎn)式活塞壓縮機(jī);壓縮機(jī)設(shè)計(jì);壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)

容積型壓縮機(jī)通常分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式.由于目前往復(fù)式壓縮機(jī)通常都是活塞式的,故又稱為活塞式壓縮機(jī).往復(fù)式活塞壓縮機(jī)由于存在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力,影響效率且轉(zhuǎn)速較低、體積較大,加上吸、排氣閥等易損件較多,在大容量場(chǎng)合逐漸被一些高效回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)取代,但由于其壓比范圍廣、制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),仍有大量的應(yīng)用市場(chǎng).

往復(fù)式壓縮機(jī)的研究重點(diǎn)主要集中在以下幾點(diǎn):a.動(dòng)靜部件配合間隙設(shè)計(jì);b.氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究;c.密封劑潤滑方式設(shè)計(jì);d.曲軸連桿等相關(guān)技術(shù)研究.在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上,應(yīng)用壓縮機(jī)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件和壓縮機(jī)工作過程模擬軟件等來提高計(jì)算準(zhǔn)確度.如Maclaren等[1]、王麗等[2]對(duì)閥片進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,從而對(duì)閥片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及振動(dòng)提供一定的理論參考;而戴曉洲等[3]、翟曉寧[4]、Aranrahob[5]和蔡俊等[6]則針對(duì)活塞密封環(huán)組進(jìn)行熱力計(jì)算,改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),降低磨損速率來提高壓縮機(jī)性能系數(shù);王彥青等[7]開發(fā)的一種改進(jìn)閾值函數(shù)可以有效減少平穩(wěn)信號(hào)與非平穩(wěn)信號(hào)中產(chǎn)生的振蕩和恒定偏差的影響,鑒此,在今后對(duì)壓縮機(jī)的研究中也可考慮將這種小波閾值去噪方法用于壓縮機(jī)降噪優(yōu)化分析中.

渦旋理論研究主要集中于:a.渦旋型線理論研究;b.型線結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn);c.型線密封.如王煥然等[8]、王軍等[9]、李文華等[10]通過分析徑向泄漏中流體相態(tài)建立一系列動(dòng)量方程、連續(xù)方程、實(shí)際氣體狀態(tài)方程及過程方程,從而計(jì)算出臨界密封間隙,最大化降低氣體泄漏;而Fushiki等[11]通過優(yōu)化渦旋腔高低側(cè)的柔性密封機(jī)構(gòu),進(jìn)而改善渦旋齒受力情況,減少渦旋齒止推面的機(jī)械損失,從而提高壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能;李連生等[12]針對(duì)排氣口阻塞所引起的氣流脈動(dòng)這一情況進(jìn)行相關(guān)研究;相比于其他學(xué)者, Itoh等[13]考慮了摩擦與傳熱的影響因素,采用余熵修正理論對(duì)邊界點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行修正處理,計(jì)算出合理的渦旋型線端點(diǎn)位置.

近幾年,美國艾斯本技術(shù)公司(Aspen)研發(fā)出全球最優(yōu)異的微型制冷壓縮機(jī),體積僅有拳頭大,而制冷量可達(dá)到500 W,主要用于便攜式制冷系統(tǒng)中.我國在整個(gè)壓縮機(jī)行業(yè)新技術(shù)方面也取得一定的成果,深圳振華亞普精密機(jī)械有限公司自主研制的中壓?jiǎn)温輻U壓縮機(jī)新技術(shù)在一定程度上彌補(bǔ)了中國船用中壓?jiǎn)温輻U方面的技術(shù)空白;華意壓縮機(jī)股份有限公司研發(fā)出了全球首部超小型壓縮機(jī)[14],體積較行業(yè)壓縮機(jī)縮小了20%,質(zhì)量減輕了30%,產(chǎn)品性能處于國際水平.

本文所提出的一種回轉(zhuǎn)式活塞壓縮機(jī),將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)改為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旨在借鑒一些回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn),消除活塞慣性力,取消吸、排氣閥,提升活塞式壓縮機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì).經(jīng)過幾年的研究,目前已經(jīng)制作出樣機(jī),并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn).

1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.兩個(gè)圓環(huán)形氣缸相交組成一個(gè)雙環(huán)形氣缸.圓環(huán)形氣缸的徑向(直徑方向)有一定寬度,軸向(氣缸橫截面的垂直方向)有一定長(zhǎng)度,構(gòu)成氣缸空間.兩個(gè)圓環(huán)形氣缸交匯處空間連通,兩個(gè)氣缸內(nèi)的活塞能交替地通過上下交匯處.左環(huán)活塞順時(shí)針運(yùn)動(dòng),右環(huán)活塞逆時(shí)針運(yùn)動(dòng).如圖1所示,當(dāng)上交匯處被右環(huán)活塞占據(jù)時(shí),左環(huán)活塞的運(yùn)動(dòng)形成左環(huán)氣缸的壓縮、排氣過程;右環(huán)活塞的運(yùn)動(dòng)則形成右環(huán)氣缸的吸氣過程,氣體從右吸氣口進(jìn)入氣缸.隨著活塞的旋轉(zhuǎn),同樣可形成右環(huán)氣缸的壓縮、排氣和左環(huán)氣缸的吸氣過程.該結(jié)構(gòu)不用吸氣閥,但在排氣口處需要設(shè)置排氣閥來控制排氣壓力.

圖1 壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of basic structure of compressor

1.2 基本結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

1.2.1 排氣結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)需設(shè)置排氣閥.排氣閥是易損件,且影響運(yùn)行可靠性和效率.作為回轉(zhuǎn)式的結(jié)構(gòu),可以借鑒螺桿壓縮機(jī)的排氣結(jié)構(gòu),去除排氣閥.主要的設(shè)計(jì)思路是將圖1所示的圓環(huán)氣缸的徑向排氣口改為圖2和圖3所示的軸向排氣口.

圖2為活塞的結(jié)構(gòu),在活塞的圓環(huán)面上開有排氣導(dǎo)通口.圖3為軸向排氣結(jié)構(gòu)的示意圖,在氣缸軸向端面上開有排氣口,圖示為壓縮過程即將結(jié)束的狀態(tài),當(dāng)活塞由圖示位置繼續(xù)旋轉(zhuǎn)、排氣導(dǎo)通口與排氣口重合時(shí),氣缸向外排氣.這樣的排氣結(jié)構(gòu)不需要排氣閥.

1.2.2 活塞周向端面的型線設(shè)計(jì)

圖2 活塞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of piston structure

壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)的活塞周向端面是一個(gè)平直面,且與弧面的切線垂直.這樣的端面在兩個(gè)活塞交匯時(shí)會(huì)形成較大的余隙容積.為減少余隙容積,左右兩個(gè)氣缸的活塞周向端面在交匯處應(yīng)盡量嚙合,因此,要改進(jìn)活塞周向端面形狀.端面嚙合狀態(tài)如圖4所示,圖4(a)為嚙合開始狀態(tài),右環(huán)活塞端點(diǎn)與左缸活塞端點(diǎn)嚙合;圖4(b)為嚙合過程某一狀態(tài),此時(shí),右環(huán)活塞端面上B點(diǎn)與左環(huán)活塞端面上A點(diǎn)嚙合.其中,A點(diǎn)為左環(huán)活塞端面型線上的任一點(diǎn),所處圓弧半徑為r,圖4(a)中其角度為θ,圖4(b)中其角度為θ2;而B點(diǎn)為右環(huán)活塞端面型線上的端點(diǎn),所處圓弧半徑為R,即為活塞外徑,圖4(a)中其角度為θ1=45°,圖4(b)中其角度為θ3;為了便于計(jì)算,將A點(diǎn)位置其圓弧半徑r與活塞外徑R的比值定義為φ,由于在嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,左右活塞為同步異向運(yùn)轉(zhuǎn),因此

1.2.3 活塞數(shù)量

圖3 軸向排氣結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of axial exhaust port structure

圖4 活塞周向端面嚙合示意圖Fig.4 Schematic diagram of piston circumferential face meshing

壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)中,左右氣缸各有一個(gè)活塞,一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期左右氣缸各向外排氣一次.考慮到活塞運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生較大的離心力,實(shí)際設(shè)計(jì)如圖5所示,一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期左右氣缸各向外排氣兩次.

圖5 活塞的布置示意圖Fig.5 Schematic layout of piston

1.2.4 潤滑方式

潤滑方式采用壓差方式潤滑,由活塞運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的進(jìn)出口流體壓力差驅(qū)動(dòng)潤滑油的循環(huán).潤滑油主要潤滑活塞、軸承、驅(qū)動(dòng)齒輪等,同時(shí)在氣缸內(nèi)還起到密封作用.

1.2.5 樣機(jī)的一些設(shè)計(jì)參數(shù)

樣機(jī)設(shè)計(jì)為小排量、低壓的空氣壓縮機(jī),設(shè)計(jì)目標(biāo):吸氣壓力為大氣壓,排氣壓力為0.25～0.30 MPa,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 450 r/min,排氣量為0.10～0.15 m3/min.根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),壓縮機(jī)樣機(jī)設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵參數(shù):活塞外徑為58 mm,內(nèi)徑為48 mm,軸向長(zhǎng)度為33 mm,理論排氣量為0.13 m3/min.氣缸的尺寸根據(jù)活塞的尺寸相應(yīng)確定,氣缸與活塞間隙配合.樣機(jī)設(shè)計(jì)的外形圖如圖6所示.

圖6 壓縮機(jī)樣機(jī)的設(shè)計(jì)外形圖Fig.6 Outline design diagram of compressor prototype

2 壓縮機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

因前述壓縮機(jī)處于開發(fā)階段,定義其工作介質(zhì)為空氣,又稱其為空氣壓縮機(jī).根據(jù)GB/T 15487-1995規(guī)定,空氣壓縮機(jī)排氣量的測(cè)定主要可采用噴嘴法和充罐法[15].本樣機(jī)的測(cè)試采用噴嘴法,樣機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖7所示.

圖7 樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.7 Prototype test laboratory bench

未計(jì)及冷凝水的壓縮機(jī)容積流量計(jì)算公式為[15]

式中,Q為設(shè)計(jì)空氣壓縮機(jī)理論排氣量;Q0為空氣壓縮機(jī)排氣量;Δp為噴嘴前后壓差;ps為吸氣壓力;Tx1為空氣壓縮機(jī)吸氣的絕對(duì)溫度;Tt為噴嘴前氣體的絕對(duì)溫度;c為噴嘴系數(shù);d為噴嘴直徑.

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 設(shè)計(jì)工況及測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Parameter design and test data

3 結(jié) 論

a.理論和實(shí)驗(yàn)表明,本文所闡述的回轉(zhuǎn)式活塞壓縮機(jī)的工作原理是可行的.

b.排氣壓力達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),實(shí)際排氣量達(dá)到理論排氣量的45%.

c.壓縮機(jī)樣機(jī)的實(shí)際排氣量偏小,但作為首款樣機(jī)達(dá)到了預(yù)期的效果.

d.改進(jìn)方案:在樣機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí),為了能確保樣機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn),活塞與氣缸的間隙留得比較大,軸向配合間隙設(shè)計(jì)為0.10～0.15 mm,徑向配合間隙設(shè)計(jì)為0.075～0.120 mm,這樣設(shè)計(jì)會(huì)造成氣體較大的泄漏,降低實(shí)際排氣量.理論計(jì)算表明,軸向和徑向間隙減少約1/3,氣體泄漏量將大大降低,且不影響實(shí)際運(yùn)行.另外,氣缸進(jìn)氣口和活塞排氣口的改進(jìn)也能提高容積效率.

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(編輯:石 瑛)

Prototype Design and Test of a Rotary Piston Compressor

LEIRong, OUYANGXinping, GUOZhen, CHENGZheming
(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

A novel rotary piston compressor with double-loop structure was introduced,replacing the conventional reciprocating piston with novel rotary piston,and converting the reciprocating motion of piston into rotary motion.While maintaining the features of wide range of compression ratio and simple manufacturing process,some advantages of other types of compressors with different working mechanisms were also assimilated.The novel compressor with no suction valve and exhaust valve eliminates the conventional compressor piston’s moving inertial force and upgrades its application field,The prototype of the novel compressor were designed and tested to verify the feasibility of the compressor working principle,and the test results show that the actual exhaust pressure meets the requirement of design specifications and the exhaust displacement reaches the value beyond the half of the theoretical one.

rotary piston compressor;compressor design;compressor test

TK 437

A

1007-6735(2015)01-0057-04

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.010

2013-08-22

中央財(cái)政支持地方高校發(fā)展專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目

雷 蓉(1989-),女,碩士研究生.研究方向:新型壓縮機(jī)研制.E-mail:lrong105@163.com

歐陽新萍(1964-),男,副教授.研究方向:強(qiáng)化換熱、新型壓縮機(jī)研發(fā).E-mail:xpoy@163.com