水潤滑改進離心式電動空氣壓縮機實驗研究

倪淮生

摘要：為了提高空氣壓縮機性能，本文通過一種改進水潤滑改進后的離心式電動空壓機進行實驗測試，結果表明，改進后的空壓機通過對電機磁鋼處的密封設計，可以使攪水損耗相比軸承功耗小很多。在空載狀況下，前軸和后軸的軸承工作良好，沒有出現水膜失穩的情況。在帶載狀態下前軸承振動基本穩定，變化不大，后軸承在個別轉速下有高頻振動。整體振動較穩定，振動幅值較小。從空壓機的工作特性可以看出，改進后的空壓機壓縮空氣的質量流量及壓力比隨著轉速升高而增大。渦殼和電機定子的溫度都隨轉速而升高，但都遠低于繞組的耐受溫度。

Abstract： In order to improve the performance of the air compressor， this paper conducts experimental tests on an improved centrifugal electric air compressor with improved water lubrication. The results show that the improved air compressor can stir water by sealing the motor’s magnetic steel.? The loss is much smaller than the power consumption of the bearing.? Under no-load conditions， the bearings of the front and rear axles worked well， and there was no water film instability.? In the loaded state， the front bearing vibration is basically stable with little change， and the rear bearing has high frequency vibration at individual speeds.? The overall vibration is relatively stable， and the vibration amplitude is small.? It can be seen from the working characteristics of the air compressor that the mass flow rate and pressure ratio of the compressed air of the improved air compressor increase with the increase in speed.? The temperature of the volute and the stator of the motor both increase with the speed， but they are far lower than the withstand temperature of the windings.

關鍵詞：離心式電動空氣壓縮機;實驗測試;高頻振動;質量流量

Key words： centrifugal electric air compressor;experimental test;high-frequency vibration;mass flow

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0089-04

0? 引言

空氣壓縮機是氣源裝置中的主體，它是將原動機（通常是電動機）的機械能轉換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發生裝置，有著吹氣產氣、制冷與分離、驅動動力、合成及聚合、氣體輸送等作用，廣泛應用于電子、汽車、鋼鐵等生產生活的各個領域。

空氣壓縮機的種類繁多，按照其工作原理可分為往復活塞式、旋轉葉片或旋轉螺桿式和電動離心式。離心式空壓機相比于其他種類的空壓機氣量大，結構簡單緊湊，重量輕，機組尺寸小，占地面積小。此外還有著運轉平衡，操作可靠，運轉率高，摩擦件少，因之備件需用量少，維護費用及人員少的優點，因此得到了廣泛的運用[1-2]。

現階段，許多學者對空壓機做了相關研究。朱雷等[3]提出一種帶有水冷定子機座和超短定子繞組端部長度的高密度無刷永磁電機，進行逆變器供電驅動電路和電機有限元耦合仿真的性能分析計算。辛強等[4]總結了車用燃料電池空氣壓縮機的類型及基本特征，對燃料電池空壓機的現狀及發展趨勢作了進一步探究，并對其環境可靠性試驗方法進行了詳細解析，最后指出了未來燃料電池供氣系統的主要技術研究方向，為燃料電池空壓機的試驗方法研究及研發改進提供參考。熊樹生等[5]，經過均勻化傳熱計算得到渦旋盤循環平均溫度場與氣壓場，提出指數分段溫度公式作為替代方法簡化溫度場計算。

本文以一種改進后的離心式電動空壓縮機為實驗對象，通過測試功耗，軸承振動和壓縮機特性，從而得到其具體的性能參數，從而對改進方案的效果進行驗證，并為其進一步優化做好準備。

1? 設計與方法

1.1 離心式空壓機設計

本文改進的離心式空壓機是利用水潤滑軸承，為使系統具有較好的動力學特性，電機位于轉子中間，兩個水潤滑動靜壓軸承分別位于電機兩側，止推軸承位于轉子后端，使得整個轉子的質心盡量靠近中心。為縮短轉子支撐跨距，減輕質量，兩個徑向軸承的一部分伸入到電機端部線圈內，有效地利用了電機兩端部的空間。對于軸承潤滑用水水路，應保證供水均勻適量，回水及時順暢。潤滑水經后端管接頭從后端蓋的進水孔泵入，在外殼上水路分為兩路，分別供應前后徑向軸承的潤滑水，其中后徑向軸承的水路又分為兩路，一路供給后徑向軸承，另一路進入止推配水盤，為止推軸承供水。前后徑向軸承處堆積的潤滑水則通過前后徑向軸承下方的回水孔排出。前徑向軸承處潤滑水回水重新導入外殼，通過外殼上軸向的回水孔流到后端蓋處;后徑向軸承潤滑水直接流入到后軸承預留的空腔中，與止推軸承回水匯在一起，并在后端蓋處與前軸承回水匯集，一并由抽水泵泵出。

本設計方案中，采用水潤滑軸承和內置電機的方式，所以對水的密封設計尤為重要。設計方案中采用多道O型圈密封，以確保潤滑水和冷卻水與電機定子部分完全隔離。另外，為調節渦輪輪后壓力，在后端蓋設計有調壓孔。需要對空氣在前端蓋處密封，如圖1所示。

1.2 測試系統設計與測試方法

壓縮空氣系統流量和壓力動態變化非常快，在許多系統中大量的空氣負荷隨機運行，經常會導致壓縮空氣系統供氣側和需求側之間的不平衡。為了客觀反映壓縮空氣系統的動態變化過程，必須同時監測和記錄系統流量、空壓機功率、軸承振動和系統關鍵點壓力等幾個參數。

1.2.1 流量測量

測試壓縮空氣流量的方法有許多種，其中對管道中的流量直接進行測試是最為有效的方法，本測試系統選用了熱式質量流量計，它根據熱傳導原理測試管道中氣體平均速度，進而根據管道面積計算系統流量。熱式質量流量計的最大好處是不需要對溫度和壓力進行修正。

1.2.2 功率/電流測量

空壓機電機功率的變化可以采用功率傳感器或者電流傳感器來實現。功率傳感器可以直接測試空壓機組的輸入功率，電流傳感器可以測試空壓機電機的運行電流，并通過測試空壓機電機的供電電壓后經過計算得出空壓機運行功率數據。根據功率變化評估空壓機在系統負荷發生變化時反應是否及時，同時可以估算壓縮空氣系統的能源消耗。

1.2.3 軸承振動測量

被測軸承的內圈端面緊靠芯軸軸肩，并以某一恒定的規定轉速旋轉，外圈不轉并承受一定的徑向或軸向載荷，用傳感器測頭攝取滾道中心截面與外圈外圓柱面相交線上的軸承外圈振動（速度）分量，將該徑向振動（速度）分量轉變成電信號并將該電信號輸入到測量放大系統，對其進行信號處理。

1.2.4 壓力測量

壓縮空氣系統測試過程中的壓力傳感器和數據記錄儀進行配合，可以同時記錄多點的壓力值，從而繪出整個系統的壓力梯度曲線，依此判斷系統的壓降是否合理。另外，結合流量測試數據進行綜合分析，可以給出系統負荷變化和壓力變化之間的相互關系。壓力傳感器有幾種類型和規格，通常選用的壓力傳感器精度為0.5% FS（全量程）。

2? 結果與討論

2.1 功耗測試

在不安裝葉輪的情況下進行空載實驗，此時空壓機對外不做功，通過測量電流和反生電動勢大小可以計算出電機的電磁功率。電磁功率主要被軸承摩擦和轉子攪水所消耗（極小部分為電機鐵損）。如圖2所示，軸承功耗與實驗值趨勢一致，數值相近，驗證了在軸承功耗分析中考慮紊流影響的正確性。兩者的差值反映了轉子的攪水損耗，隨著轉速升高，攪水損耗先增大后平穩。在80000rpm時，壓縮機機械損耗約1.28kW，其中軸承功耗1.08kW，轉子攪水損耗0.2kW，可見電機磁鋼處的密封設計，使攪水損耗相比軸承功耗小很多。

2.2 軸承測試

在室溫24℃;供水壓力0.08MPa;供水初始流量0.7 L·min-1。電機用西伯麥亞驅動器驅動，載荷情況為空載，即不裝葉輪，電機空轉，進行相關實驗。軸承振動趨勢圖如圖3所示，在前軸承在45000rpm處振動值較小，為0.12G，而后軸承在此處振動較大。隨后前后振動趨同，在60000rpm以后，前軸承振動超過后軸承。后軸承在75000-80000rpm時振動有激增的現象，即振動幅值突然增加，但整體振動仍然較小，最大為0.5G。前軸承整體振動較為穩定。從圖4看出軸承振動主要分布在基頻，無半頻振動，表明軸承工作良好，沒有出現水膜失穩的情況。前軸承有小幅度的二倍頻、四倍頻振動。

在室溫24℃;供水壓力0.08MPa;供水初始流量0.8L·min-1下進行試驗。電機帶輪實驗，使用西伯麥亞驅動器驅動。實驗所用葉輪為外購，葉輪大端直徑86mm。實驗最大轉速為60000rpm。由圖5看出，在升速過程中前軸承振動基本穩定，變化不大，振動最大時為40000rpm時的0.25G，隨轉速增加，振動有減小趨勢;后軸承振動則波動性較大37000rpm時振動達到峰值0.65G，37000-52000rpm振動呈下降趨勢，超過55000rpm時振動幅值有回升趨勢，但整體上振動小于1G。由圖6看出，在帶輪實驗時，前后軸承均沒有半頻振動。前后軸承有小幅的二倍頻振動，后軸承在個別轉速下有高頻振動。整體振動較穩定，振動幅值較小。

2.3 壓縮機特性

在采用？準86葉輪進行的帶載運轉中，測試了空壓機的工作特性。受限于電機驅動器輸出電流的限制，目前帶載實驗最高工作轉速為6萬轉/分。圖7（a）給出了壓縮機做功及效率曲線。總功率為電機的實測輸入總功率，有效功用電機的電磁輸出功率近似（忽略了電機鐵損部分）。由圖可知，隨著轉速的升高，壓縮機效率逐漸升高，在6萬轉/分時，壓縮機可輸出約5.2kW的有效功，效率接近80%。圖7（b）給出了壓縮機工作特性曲線。壓縮空氣的質量流量及壓力比隨著轉速升高而增大。在6萬轉/分時，壓縮機可提供350kg/h、壓力比1.52的壓縮空氣，可以滿足汽車燃料電池系統的需求。圖8給出了溫升曲線，渦殼和電機定子的溫度都隨轉速而升高，但電機定子的溫升隨轉速的升高快于渦殼的溫升，表明轉速越高，電機定子的發熱主要來源于繞組和定子疊片的渦流損耗。對所研制的空壓機而言，在6萬轉/分下帶載運行時電機定子的溫度為72°C，遠低于繞組的耐受溫度。此外，按所做有關電機定轉子溫升的實驗數據推算，對于有水冷的高速電機，轉子溫度會略高于此值5-10°C，說明此時磁鋼的工作溫度也遠低于退磁溫度（220°C）。

3? 結論

本通過對改進后的離心式電動空氣壓縮機系統的性能測試系統、數據處理和分析的研究，可得出以下結論：改進后的空壓機通過對電機磁鋼處的密封設計，可以使攪水損耗相比軸承功耗小很多。在空載狀況下，前軸和后軸的軸承工作良好，沒有出現水膜失穩的情況。在帶載狀態下前軸承振動基本穩定，變化不大，后軸承在個別轉速下有高頻振動。整體振動較穩定，振動幅值較小。從空壓機的工作特性可以看出，改進后的空壓機壓縮空氣的質量流量及壓力比隨著轉速升高而增大。渦殼和電機定子的溫度都隨轉速而升高，但都遠低于繞組的耐受溫度。

參考文獻：

[1]衛國愛，全書海，蘇林，等.燃料電池空壓機的建模及仿真[J].空軍預警學院學報，2010，24（3）：200-202.

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[3]朱雷，黃蘇融，張琪，等.車用燃料電池空氣壓縮機用高密度無刷永磁電機[J].微特電機，2004，32（1）：3.

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[5]熊樹生，江仁埔，吳占寬，等.燃料電池空壓機渦旋盤均勻載荷應力變形仿真[J].同濟大學學報（自然科學版），2019，047（0z1）：146-153.