高轉速下旋轉式變頻壓縮機的性能實驗研究與優化分析

樓海琳

（上海海立電器有限公司，上海 201206）

0 引言

滾動轉子式壓縮機廣泛應用于家用空調領域。李玉斌等[1]通過對家用空調壓縮機市場的分析，發現了旋轉式壓縮機在制冷空調系統領域的占有率在逐年提升，競爭也愈發激烈。并且，提高空調能效仍是未來的發展趨勢[2]?？照{系統的能效等級不斷提升，能效評價的方式也從單冷轉變成能評價全年綜合能效的全年能源消耗率（Annual Performance Factor，APF），并且隨著環保意識的加深，環保型制冷劑替代的加速，R32等新型的環保制冷劑漸漸被普遍接受及使用[3]。鄭曉峰等[4]通過實驗發現，相同工況條件下，R32變頻壓縮機的制冷量比R410A變頻壓縮機的制冷量提高7.5%～10%，性能系數（Coefficient of Performance，COP）提高了2%～5%。可見在全新空調能效標準實施后，R32的應用還會繼續提速，并在短時間內完成對R410A的逆襲[5]。

變頻旋轉式壓縮機作為變頻空調系統的核心部件，其功耗占空調功耗的80%以上[6]，因而它的性能特點對于整個變頻的空調系統來說有著巨大的影響[7]。有越來越多空調廠家將研究的重點放在變頻的旋轉式壓縮機上[8]?？照{系統用旋轉式壓縮機的基本結構及主要工作原理可以參見文獻[9-11]。胡地等[12]介紹了旋轉式壓縮機的技術現狀以及發展歷程，指出旋轉式壓縮機的未來研究重點在于產品的高效性、高可靠性及環保性。袁旭東等[13]建立了旋轉式壓縮機的熱力學穩態仿真模型。何俊等[14]針對R32環保制冷劑的排氣溫度高的特點，也作了針對性的分析改良。

本文的目的是為提升開發機型的全年能源消耗率，先分析實測性能，再尋找針對性的改善方法，最后驗證其優化效果。

1 壓縮機效率分析

1.1 實驗數據分析

參考機型Ⅱ型號為GSD102RKQ，是現有量產機型，性能穩定、產品成熟；參考機型Ⅰ為高效高成本機型，成熟度不及參考機型Ⅱ，僅用于對比；開發機型GSD102RKQ-B在參考機型Ⅱ的基礎上作了結構優化；兩款機型排量10.2 mL，應用于家用1.5 HP變頻空調。在開發機型首輪性能優化后，與目標存在一定距離，后續需針對性分析性能提升的關鍵點，重點對其進行優化。因此我們對開發機型進行了性能測試（圖1），測試工況采用日本櫪木APF工況，工況條件信息如表1所示。ηmi按以式(1)計算：

表1 日本櫪木APF工況條件參數

圖1 全轉速下ηmi、容積效率和泵體效率隨轉速的變化

式中，ηm為機械效率；ηi為指示效率。

可以看到開發機型的ηmi有優勢，特別是在高轉速下，ηmi的優勢達到5.75%。究其原因，主要為開發機型對軸系進行了優化，輕量化的軸系對機械效率有提升作用；從容積效率趨勢圖看轉速提升后容積效率大幅衰減，特別是在高轉速下，容積效率的衰減達到3.37%，簡言之，高轉速下的容積效率是提升開發機型整體效率的關鍵因素。

1.2 容積效率和主要影響因素

容積效率定義為壓縮機實際的排氣量與理論的排氣量的比值。

排氣量特指在吸氣狀態下的體積，一般為[15]：

式中，λv為容積系數，包括因為結構缺陷引起的容積損失以及因為余隙造成的容積損失；λT為溫度系數，包括吸氣壓縮排氣過程中，泵體零件對氣體產生加熱的作用，使得氣體膨脹，從而造成容積損失；λp為壓力系數，包括吸氣脈動，吸排氣流動損失等造成的容積損失；λl為泄漏系數，包含泵體零件內部因壓差和相對運動引起的內泄漏，以及壓縮機內部油和制冷劑混合物排出壓縮機，滯留在系統中無法返回的外泄漏[15]。

在壓縮機轉速較低的時候，每轉一圈的周期較長，即留給泵體零件對氣體加熱的時間較長，則加熱的效果更顯著，所以氣體膨脹更明顯，對溫度系數的影響更大。并且在壓縮機轉速較低的時候，每轉一圈的周期較長，即泄漏時間更長，所以低速時壓縮機內部泵體零件因壓差和相對運動引起的泄漏更嚴重，對泄漏系數影響更大[20]。通過對影響容積效率的主要因素進行分析[16]，低轉速下泄漏的影響要比高轉速大。因此，壓縮機轉速較低時，溫度系數與泄漏系數是影響容積效率的關鍵因素[20]。

壓縮機運轉速度之間增大后，達到合適的中間轉速，隨著轉速增大、每轉一圈的周期減小，根據上文分析溫度系數和泄漏系數逐漸得到改善[17]。即轉速上升的速度比泄漏增加的速度快，實際上泄漏量減小，導致泄漏系數上升[18]。同理，轉速上升也能有效提升溫度系數。綜上所述，隨著壓縮機轉速的上升，泄漏系數和溫度系數都逐漸得到改善[20]。

隨著壓縮機轉速上升至高速區域，排氣溫度不斷增大[19]，同時排氣閥的滯后性更明顯，導致氣體回流加劇[20]；同時壓縮腔內二次脈動的現象非常明顯，使容積系數受到較大影響。并且吸氣過程的阻力損失變大，吸氣壓力損失增加，也會使壓力系數降低。當頻率非常高時，容積效率還有可能出現微小下降[20]。簡言之，在壓縮機高轉速時，容積系數和壓力系數是關鍵因素。

綜上所述，當壓縮機轉速較低時，主要關注泄漏系數和溫度系數，當壓縮機轉速較高時，重點關注容積系數和壓力系數。

1.3 高轉速下容積效率的提升

根據上文對容積效率及其影響因素的分析，詳細梳理高轉速容積效率衰減的原因，重點關注容積系數及壓力系數。圖2所示為不同工況下壓縮機各處流速對比。

圖2 不同工況下壓縮機各處流速對比

計算流速的單位均為m/s，具體位置與代號對應分別為：A-儲液器管子、B-襯套、C-吸氣口、D-D切口、E-排氣口、F-排氣口擋板處、G-通穴和H-排氣管。由圖2可知，單排氣結構的開發機型在D切口處流速偏小，基本與雙排氣結構的參考機型Ⅰ相當，可減小D切口銑刀角度，從而減小余隙容積并增大D切口處流速。泵體外部排氣流速方面，開發機型上消音器腔體高度偏低，使排氣受阻，在裝配安全距離允許時，可考慮適當增高以提升容積系數；再者開發機型的缸高閥座通流面積可作適當優化，以減小排氣阻力。

對于容積系數λv，高轉速下，排氣閥滯后性較明顯，加劇氣體回流，使得容積系數降低。余隙容積方面，通過余隙容積的計算，開發機型相對余隙容積為0.94%，介于兩個參考機型Ⅰ（相對余隙容積0.71%）與參考機型Ⅱ（相對余隙容積1.16%）之間，沒有異常高的情況出現。泵體內部吸排氣流速方面，通過對流速的計算，計算工況采用國標APF工況，工況條件參數信息見表2。

表2 國標APF工況條件參數

對于壓力系數λp，高轉速下，吸氣過程阻力變大，吸氣壓力損失增加，使壓力系數降低。旋轉式壓縮機周期性的吸氣和排氣導致的壓力脈動是影響旋轉式壓縮機的性能、噪聲和振動的主要因素之一[21]。從吸氣阻力及脈動情況可知，3個機型吸氣結構差異不大，若要改善壓力系數需對吸氣結構進行優化，主要改善吸氣回流損失。

2 方案設計

根據上文的分析提出了改善閥座通流的優化方案。普通閥座式樣如圖3(a)所示，通流面積較小，排氣阻力較大，適當優化開發機型的缸高閥座通流面積，如圖3(b)所示，閥座通流面積明顯增大，可有效減小排氣阻力。

圖3 普通閥座與優化閥座對比

本文提出了上消音器腔體高度增加的優化方案。參考機型Ⅱ消音器式樣如圖4(a)所示。消音器腔體加高后，如圖4(b)所示，能減小排氣回流損失，對高速高壓比工況下的容積效率有利，亦能降低功耗，同時已確認對消音性能影響不大。

圖4 普通消音器及加高消音器對比圖

本文提出了改善吸氣孔擴口的優化方案。參考機型Ⅱ及開發機型現有的吸氣孔結構為ΦD1/ΦD2，如圖5(a)所示?，F有結構下制冷劑氣體從吸氣孔進入吸氣腔后，由于流通截面積突變，氣缸上下端面區域附近產生渦流，不僅增加了吸氣阻力、增加整機功耗，還使吸氣量減小、整機能力下降。擬在內側作斜向橢圓狀擴口（圖5(b)），可減小制冷劑進入吸氣腔后的渦流及阻力，改善高速高壓比下的性能。

圖5 吸氣孔擴口與普通吸氣孔對比

對于D切口銑刀角度的優化，將D切口銑刀角度減小，以減小余隙容積并提升D切口處的流速。

以上優化方案的設計參數如表3所示。

表3 不同優化方案參數信息

3 實驗結果及分析

3.1 冷房定格性能

在冷房定格點測試不同優化方案的性能情況，測試方案的試制參數如表4所示。在冷房定格工況下性能改善情況如表5所示。

表4 不同優化方案試制參數

表5 不同優化方案冷房定格性能改善情況

吸氣孔擴口方案性能較普通吸氣孔方案冷力提升，入力降低，COP可增長0.95%；容積效率提升0.13%，ηmi可提升0.82%，該方案已申請專利。閥座優化與普通閥座相比，容積效率平均提升0.12%，ηmi平均提升0.76%，泵體效率平均提升0.79%，可見閥座通流面積優化對排氣阻力及回流有改善，可降低功耗，對總體性能有明顯提升。上消音器加高結合D切口后，容積效率平均提升0.54%，主要為余隙容積減小后余隙回流改善，上消高度增加后，排氣回流也得到改善，ηmi相當，泵體效率提升0.33%，性能波動小，優化效果發揮較穩定。

3.2 APF工況性能

綜合上文所述優化方案（閥座優化、上消音器優化、D切口優化以及吸氣結構優化）在APF工況下進行性能測試，如圖6所示。APF工況條件如表2所示。

圖6 綜合優化方案APF工況效率

對于容積效率，綜合優化方案在各工況均提升2%，低溫制熱工況（5,700 r/min）下的容積效率提升達到了3%，前期隨轉速增大而衰減的現象得到明顯改善，與設計預期相符。

對于機械效率與指示效率，整體有一定程度的改善，特別在4,000 r/min以上的高轉速下，提升了0.5%，可見優化方案也可改善高速下的機械與指示性能。

開發機型的APF較優化前提升2.63%，較參考機型Ⅱ提升4.5%，達到開發預期。

本文所采用的優化方案針對高轉速下的性能有明顯提升，特別是高轉速下的容積效率得到明顯改善，是本次性能優化的關鍵。

4 結論

本文為提升開發機型的全年能源消耗率，對實測性能進行分析，尋找針對性的改善方法，并驗證了優化效果，得出如下結論：

1）高轉速下的容積效率是提升開發機型全年能源消耗率的關鍵所在；

2）通過對容積效率的影響因素的研究，分析得出開發機型高轉速下的容積效率衰減主要與吸氣損失、排氣回流和余隙回流等因素相關；

3）提出了針對性的改善方案，包括吸氣結構優化、閥座通流面積優化、消音器優化和排氣D切口優化；

4）在冷房定格工況下吸氣結構優化方案性能提升0.95%，閥座通流面積優化方案性能提升0.79%，消音器優化方案結合D切口優化方案的性能提升0.33%，綜合采用各個優化方案后開發機型的全年能源消耗率較優化前提升2.63%，較參考機型Ⅱ提升4.5%，達到了開發預期。