寬溫區(qū)控溫型自復(fù)疊制冷系統(tǒng)回油管路優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

劉家林 王曉占 馮 蕾 李燦倫 季 琨 張世一 黃 赟

（上海衛(wèi)星裝備研究所 上海 200240）

0 引言

寬溫區(qū)控溫型自復(fù)疊制冷系統(tǒng)主要用于航天器空間環(huán)模設(shè)備，提供真空、黑冷背景和熱輻射環(huán)境，主要用于宇航單機(jī)及艙內(nèi)部組件的模擬測試及試驗(yàn)。由于此類試驗(yàn)頻率高、周期長，對(duì)所配制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性提出了更高的要求。

其中，可靠的回油是此制冷系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一[1]。由于試驗(yàn)的特殊性，在試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)的熱負(fù)荷一直隨著負(fù)載在不斷變化，且很長時(shí)間系統(tǒng)停留在極限工況下運(yùn)行，此時(shí)，大部分制冷劑呈氣液兩相，流速降低，制冷劑大都存留在蒸發(fā)器里，潤滑油易積存在蒸發(fā)器和低壓管路段，一方面導(dǎo)致壓縮機(jī)由于缺潤滑，軸承或活塞缸抱死，造成壓縮機(jī)損壞；另一方面也極易引起壓縮機(jī)“液擊”，造成閥片擊穿或連桿斷裂等等[2]。

1 回油故障原因分析

某項(xiàng)目宇航產(chǎn)品試驗(yàn)用自復(fù)疊制冷系統(tǒng)，其原理如圖1所示。

此制冷循環(huán)系統(tǒng)回油管路如圖1虛線所示，采用φ12 紫銅管直接連接到壓縮機(jī)。為避免系統(tǒng)回油問題，此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，已考慮將管路沿制冷劑流動(dòng)方向傾斜一定角度，在合適位置，設(shè)計(jì)了回油彎等[3]。但在系統(tǒng)正常運(yùn)行約兩年時(shí)間時(shí)，在極限工況下，突然整機(jī)開始出現(xiàn)較大的振動(dòng)，并伴隨著轟隆聲，現(xiàn)場人員立馬采取了停電停機(jī)措施。后經(jīng)拆機(jī)發(fā)現(xiàn)，曲軸箱內(nèi)一轉(zhuǎn)子連桿出現(xiàn)斷裂，如圖2所示。

圖1 某項(xiàng)目宇航產(chǎn)品試驗(yàn)用自復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of auto-cascade refrigeration cycle system of a project for aerospace product test

圖2 壓縮機(jī)連桿斷裂圖Fig.2 Fracture diagram of compressor connecting rod

經(jīng)分析，出現(xiàn)上述問題的原因主要有以下幾點(diǎn)。

系統(tǒng)發(fā)生液擊。在系統(tǒng)運(yùn)行到極限工況時(shí)，由于大量制冷劑呈現(xiàn)氣液兩相，特別是在蒸發(fā)器中，聚集了很多液態(tài)的制冷劑，這時(shí)候很容易發(fā)現(xiàn)液擊，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子或連桿斷裂。由于系統(tǒng)中配置了合適大小的氣液分離器，所以這種情況發(fā)生的概率較小。

系統(tǒng)缺油。壓縮機(jī)排氣口排出的潤滑油，分成兩部分回到壓縮機(jī)，一小部分潤滑油隨著高溫制冷劑進(jìn)入到系統(tǒng)管路中，伴隨著制冷劑流動(dòng)回到壓縮機(jī)吸氣口。另外，絕大部分潤滑油經(jīng)油分離器分離后，回到壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)。經(jīng)分析，此次故障大概率是在極限工況下，由于油分離器回油管路設(shè)計(jì)不合理，回油阻力大，長期運(yùn)行后，回到壓縮機(jī)的油量逐漸減少，最終導(dǎo)致系統(tǒng)由于缺油造成壓縮機(jī)故障。

2 回油管路優(yōu)化設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)配置進(jìn)口品牌ESK 油分離器，回油管路采用φ12 紫銅管，經(jīng)過幾個(gè)倒U 型后，直接連接油分和壓縮機(jī)。中間經(jīng)過了幾個(gè)倒U 字型，由于試驗(yàn)過程的特殊性，一定時(shí)間內(nèi)，在極限工況下，高壓壓力會(huì)驟降，導(dǎo)致高壓壓力不足，會(huì)導(dǎo)致回油不暢。正常情況，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，回油量會(huì)保持一個(gè)相對(duì)不變的值，連續(xù)的經(jīng)油分回到壓縮機(jī)中。結(jié)合以上分析，為避免系統(tǒng)在極限工況下出現(xiàn)回溫困難，特對(duì)現(xiàn)有回油管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

首先將原有回油管路管徑由φ12 減小到φ10，忽略增加的阻力，增強(qiáng)了管路中潤滑油的虹吸作用，且在此回油管路上增加安裝一電磁閥和油視鏡，用于控制此回路的通斷，通過油視鏡可以清晰的看出潤滑的流動(dòng)狀態(tài)及含量，此路適用于熱負(fù)載溫度在達(dá)到≥-70℃。另外，在此回油管路的兩端并聯(lián)一新的回路，管徑選擇φ10，增加安裝一控制通斷的電磁閥和增強(qiáng)虹吸作用的φ6 毛細(xì)管，此路適用于熱負(fù)載溫度達(dá)到＜-60℃。其中，此毛細(xì)管的長度可根據(jù)單相流阻力計(jì)算公式[4]進(jìn)行計(jì)算。

其中，ΔP為毛細(xì)管兩端的壓力差，Pa；f為摩擦阻力系數(shù)；ρ為潤滑油密度，kg/m3；w為流速，m/s；ΔL為毛細(xì)管長度，m；DC為毛細(xì)管公稱直徑，m。

經(jīng)計(jì)算可知，設(shè)計(jì)用毛細(xì)管長度約為90cm。

優(yōu)化后的回油管路如圖3虛框所示。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的回油管路圖Fig.3 The return pipeline diagram after optimizing design

3 實(shí)驗(yàn)研究

借助于此制冷系統(tǒng)平臺(tái)，在優(yōu)化后的管路上再增加兩個(gè)量程范圍1～1000g/min 流量計(jì)，原理圖如圖4所示。本文的實(shí)驗(yàn)周期滿足常規(guī)產(chǎn)品一個(gè)試驗(yàn)周期，大約180h，測量制冷系統(tǒng)穩(wěn)定一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)回油量數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)壓縮機(jī)自帶有特制的油視鏡，通過油視鏡對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部潤滑油的油面及液面進(jìn)行判定，如圖5所示。通過試驗(yàn)周期內(nèi)流量計(jì)變化值及油視鏡液面位置，判斷優(yōu)化后的回油管路效果。實(shí)驗(yàn)全程開啟視頻監(jiān)控。

圖4 回油優(yōu)化測試圖Fig.4 Test diagram of oil return optimization

圖5 壓縮機(jī)油視鏡液位位置圖Fig.5 Liquid level diagram of compressor oil mirror

當(dāng)系統(tǒng)開啟運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)高低壓壓差慢慢建立起來，通過油視鏡可以觀察到透明清澈的油里有很多白色小氣泡，這是由于混合在潤滑油里的制冷劑由于壓差的原因分離出來[5]。如圖6及圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，運(yùn)行前期階段，回油量呈現(xiàn)快速上升狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)15h 左右時(shí)，這時(shí)，壓縮機(jī)高低壓壓差達(dá)到最大，回油量也達(dá)到最大值，約為22.5L/min，油液位也達(dá)到最大位置3/4 刻度。這時(shí)，熱負(fù)載溫度已達(dá)到-60℃，隨著熱負(fù)載溫度、排氣及吸氣壓力的降低，回油量呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間約50h 時(shí)，回油量達(dá)到最低，約為19.8L/min，油液位達(dá)到最低位置1/4 刻度。當(dāng)熱負(fù)載溫度達(dá)≤-68℃時(shí)，打開下路電磁閥，關(guān)閉上路電磁閥，回油量及油液位均由上升趨勢，這是因?yàn)橄侣饭苈费b有毛細(xì)管，起到了降壓作用，增加了回油管路中的虹吸作用。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行約80h 后，整個(gè)系統(tǒng)回油量及油液位均達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)，回油量在22.4L/min 附近浮動(dòng)，油液位也基本在3/4 刻度附近。

圖6 優(yōu)化后回油管流量變化趨勢圖Fig.6 The chart of changing trend of return pipe after optimizing

圖7 優(yōu)化后油視鏡液位刻度變化趨勢圖Fig.7 The chart of changing trend of liquid level of oil mirror after optimizing

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，驗(yàn)證對(duì)此系統(tǒng)回油管路優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。另外，整個(gè)系統(tǒng)在試驗(yàn)周期內(nèi)，其主要性能參數(shù)如排氣溫度、吸氣溫度、排氣壓力、吸氣壓力等均在合理運(yùn)行范圍內(nèi)。在對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在進(jìn)行了近百次宇航產(chǎn)品試驗(yàn)后，觀察壓縮機(jī)油位，發(fā)現(xiàn)其仍然保持在1/2～3/4 刻度之間，滿足使用需求。

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用案例，對(duì)現(xiàn)有故障設(shè)備進(jìn)行原因分析，根據(jù)最大可能的原因，對(duì)系統(tǒng)回油管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化后的回油管路解決了原有系統(tǒng)回油困難的問題，極大的提高了壓縮機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行壽命，提高了宇航產(chǎn)品試驗(yàn)的可靠及穩(wěn)定性。同時(shí)，也為解決此類系統(tǒng)在極限工況下可能出現(xiàn)回油困難提出了一種實(shí)際可行的方法，也為其他制冷系統(tǒng)回油管路設(shè)計(jì)提供一定參考價(jià)值。