【正文】 大學等一流名校。通過引進、消化、再創(chuàng)新的過程，我國在渦旋壓縮機的研發(fā)過程中取得了一些成就，其中投入生產(chǎn)的已有很多種類型，應用最為普遍的就是渦旋空氣壓縮機和無油渦旋式壓縮機?？墒俏覈邪l(fā)成品缺乏核心競爭力，技術核心 還是掌握在日本、韓國及西方制造業(yè)發(fā)達國家。 渦旋壓縮機有較好的防過熱和潤滑裝置，它采用配管將冷凝器處的部分制冷液引入壓縮室，使之 在氣缸內(nèi)噴射進行冷卻，提高了冷卻效果。為了防止把大量的制冷液直接吸入氣缸內(nèi)產(chǎn)生液擊，在制 冷系統(tǒng)中設有氣液分離器，潤滑油和制冷液首先進入氣液分離器進行分離，進入氣液分離器的制冷液便立即蒸發(fā)成為氣體，而潤滑油從氣液分離器下方小孔緩緩地連續(xù)進入壓縮機，保證了輸氣的質(zhì)量。渦旋機械以其結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、微震低噪和高可靠性等諸多優(yōu)點，已被廣泛地應用于空調(diào)、制冷、各種氣體壓縮、增壓 器、真空泵和液壓泵等領域。 渦旋壓縮機的工作原理 渦旋壓縮機由動渦旋盤、靜渦旋盤、機體、防自轉(zhuǎn)機構(gòu)、偏心軸等零部件組成。動渦旋和靜渦旋的結(jié)構(gòu)十分相似，都是由端板和端板上伸出的渦旋齒所組成，在工作中一渦旋盤靜止不動，稱為靜渦旋盤，而另一渦盤作公轉(zhuǎn)平動，稱之為動渦旋盤。動渦旋在專用防自轉(zhuǎn)機構(gòu)的約束下，由主軸帶動作公轉(zhuǎn)平動，這種特定的裝配和運動，使得動、靜渦旋齒之間所形成的多對月牙形封閉工作腔容積由大變小，實現(xiàn)周期性的容積變化。當主軸處于某 一旋 轉(zhuǎn)角度時，最外圈的一對封閉的工作腔容積開啟，吸氣過程開始；當主軸旋轉(zhuǎn)一周后，這一對工作腔關閉，形成封閉的工作腔容積，吸氣過程結(jié)束；在這對新吸氣腔形成的過程中，前一周所形成的封閉吸氣腔已同時開始壓縮過程。隨著主軸的旋轉(zhuǎn)，嚙合點由外圈向內(nèi)圈移動，月牙形工作腔容積由渦旋盤的外圈逐漸向渦旋盤中心處移動，封閉工作腔容積逐漸由大變小，被封閉的氣體受到壓縮，氣體壓力逐漸升高；當工作腔容積與排氣口相連通時，壓縮過程結(jié)束，排氣過程開始。動盤和靜盤的渦旋型呈漸開線形狀，安裝時使兩者中心線距離一個回轉(zhuǎn)半徑 e,相位差 180 度。這樣 兩盤嚙合時，與端板配合形成一系列月牙形柱體工作容積。當兩渦旋盤的主軸相對位置在 0度位置時，最外圓的月牙形容積正好吸滿低壓氣體并且封閉。隨著電轉(zhuǎn)角 ?的變化，月牙形封閉容積的兩端嚙合點沿著渦旋齒齒壁由外向里持續(xù)移動，封閉容積對應由大到小變化，如圖中90度， 180 度， 270 度位置的情況所示。從而實現(xiàn)封閉工作腔容積的周期性變化，被封閉的氣體受到壓縮，氣體壓力逐漸升高，實現(xiàn)氣體的壓縮過程。當工作腔容積與排氣口相接通時，氣體從靜渦旋中央的排氣孔釋放出，氣壓相應降低，完成整個制冷劑的吸入、壓縮和排出過程。 渦旋壓 縮機的主要特點 渦旋壓縮機是繼往復壓縮機、轉(zhuǎn)子壓縮機、螺桿壓縮機之后的又一種新型高效容積式壓縮機，被公認為是技術最先進的第三代容積式壓縮機。與同等容量的往復壓縮機相比，主要零部件僅為往復式的 1/10，體積減少 40%左右，噪聲下降 5~8dB，效率提高 10%，重量減輕 15%，驅(qū)動力矩的波動幅度僅為往復式的 1/10。 其主要優(yōu)點有： （ 1）零件數(shù)少、無氣閥的易損件，因而結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、重量輕、可靠性高； （ 2）無吸排氣閥，因而氣 體流動損失少、吸排氣損失小、無氣閥的敲擊噪聲和由此引起的振動； （ 3）吸氣過程持續(xù)時間長，無吸氣余隙，容積效率高； （ 4）工作腔容積變化過程持續(xù)時間長，壓縮平穩(wěn)，排氣接近連續(xù)，氣流脈動??； （ 5）主軸回轉(zhuǎn)半徑小，且可對旋轉(zhuǎn)零件進行平衡設計，因而旋轉(zhuǎn)慣性力小、運動平衡性能好，整機振動小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)； （ 6）動、靜兩渦旋盤之間相對滑動速度小，因而摩擦磨損小、主軸可選用較高轉(zhuǎn)速； （ 7）可實現(xiàn)徑向和軸向隨變，能夠?qū)崿F(xiàn)徑向和軸向的磨損補償、對系統(tǒng)雜質(zhì)和液體具有較高的容許量； （ 8）定壓縮比壓縮，因而啟動性能好，轉(zhuǎn)速可 在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)且效率變化不大，變轉(zhuǎn)速特性好； （ 9）多個壓縮腔同時工作，轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動力矩變化幅度小； （ 10）相鄰壓縮腔的壓差小，因而工作腔間的密封性好，氣體泄漏小。 由于渦旋壓縮機型線的特性決定其存在如下的缺點： （ 1）渦旋盤的加工精度要求高，渦旋齒型線的加工難度大； （ 2）整機摩擦副數(shù)量較多； （ 3）難以實施壓縮氣體的外部冷卻，工作過程中的熱量不易導出，因而壓縮比不能過大，適用于壓縮指數(shù)較小的氣體，或需對壓縮腔進行噴液以進行內(nèi)部冷卻； （ 4）當排氣壓力變化時，其變工況性能欠佳； （ 5）難以適應較大排氣量 和較高壓力比的應用場合。 渦旋壓縮機的應用 渦旋壓縮機的應用領域非常廣泛，且不斷在擴大，主要用作渦旋制冷壓縮機、渦旋空氣壓縮機、渦旋增壓器、渦旋液體泵、渦旋發(fā)動機、渦旋膨脹機和渦旋真空泵等。 渦旋壓縮機主要應用于 在制冷和空調(diào)領域渦旋壓縮機的應用最為廣泛和成熟，大多數(shù)制成封閉式壓縮機，但是也可以制成開啟式結(jié)構(gòu)用于汽車和列車空調(diào)系統(tǒng)用壓縮機，為提高氣量已發(fā)展到采用多機并聯(lián)機組的設計形式。 渦旋空氣壓縮機的品種和規(guī)格較多，排氣量主要集中在 ~ 3m / min 之間，主要是動力用渦旋空氣壓縮機。近年來國內(nèi)在無油潤滑渦旋空氣壓縮機方面進行了深入的研究。 增壓器 在增壓器應用方面，比較典型的是汽車發(fā)動機用渦旋增壓器。德國大眾公司成功開發(fā)了著名的 G增壓器，使得發(fā)動機的功率提高了 35%。渦旋增壓裝置在 20世紀 90 年代以后，又被谷輪公司制造成醫(yī)用空氣動力源，效果也比較理想。此外，也有研究和探討渦旋膨脹機和渦旋壓縮機兩者結(jié)合，利用汽車排 出廢氣的能量實現(xiàn)對新鮮氣體的增壓。 渦旋機械也可作為真空泵應用，所達到的極限真空比一般回轉(zhuǎn)真空泵高。渦旋真空泵也可制成公轉(zhuǎn)型和自轉(zhuǎn)型兩種結(jié)構(gòu)形式。自轉(zhuǎn)型渦旋式真空泵的渦圈之間，密封線的位置和方向始終不變，這樣，通過調(diào)節(jié)渦盤徑向的作用力，達到更好的徑向密封效果。目前渦旋真空泵的真空度可達 10178。 Pa，這比滑片式真空泵所能達到的真空度提高了近 10 倍。 渦旋膨脹機是容積式膨脹機的一種，適合用于中小型 ORC 循環(huán)系統(tǒng)，可用于回收工業(yè)（如冶金、水泥、陶瓷、玻璃生產(chǎn)等）中存在的大量不能充分利 用的中低品位余熱，從而節(jié)約能源、保護環(huán)境。 渦旋壓縮機的發(fā)展展望 渦旋壓縮機是近十幾年來迅速發(fā)展起來的一種新型容積式壓縮機，主要用于制冷、空調(diào)，真空泵等行業(yè)，隨著行業(yè)中技術的不斷進步，批量生產(chǎn)的可行性已經(jīng)越來越受到壓縮機行業(yè)的公認。但要進一步提高產(chǎn)品性能及經(jīng)濟效益，還有許多方面需要改進，許多困難需要克服。 （ 1）型線的優(yōu)化設計和新型線的開發(fā)為渦旋壓縮機的多樣性和理論應用增加了新鮮血液，不斷推動理論研究和應用的發(fā)展； （ 2）提高渦旋壓縮機加工工藝，降低生產(chǎn)制造成本仍然是研究 工作的首要任務； （ 3）研究新的環(huán)保型制冷劑對渦旋壓縮機結(jié)構(gòu)的新要求； （ 4）增大渦旋壓縮機的功率范圍，拓展其應用領域，特別是研究其變頻特性以及在空調(diào)壓縮機中的應用，實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化； （ 5）不斷和最新的工業(yè)技術相結(jié)合，促進渦旋壓縮機技術水平和制造工藝的快速提高。如采用變頻調(diào)速技術，數(shù)碼渦旋技術等新技術； （ 6）改進壓縮機的平衡機構(gòu)，特別是軸向氣體力的平衡。減少氣體的泄露，減少機械摩擦損失，從而提高渦旋壓縮機的工作效率和可靠性； （ 7）加強對實際運行的實驗研究，建 立起關于渦旋壓縮機理論和實驗相對應發(fā)展的統(tǒng)一體系； （ 8）建立包括壓縮機油冷卻、供油、電機等外部系統(tǒng)在內(nèi)的模塊化數(shù)學模型，使之具有通用性，并在原有基礎上強化對壓縮機內(nèi)部熱力學特性、動力學特性的研究，更完善地分析壓縮機各種運行工況下的工作過程； （ 9）通過對渦旋機械工作過程的研究及其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，采用新的材料與新的機構(gòu)來減少機械摩擦損失、氣體泄漏損失、傳熱損失和氣流阻力損失，提高渦旋壓縮機的工作效率和工作可靠性。 課題的研究意義 目前國內(nèi)外渦旋壓縮機的研究大多局限在等壁厚的圓漸開線上。然而，隨著工 業(yè)的發(fā)展，等截面渦旋壓縮機由于壓縮比小，已經(jīng)不能滿足工業(yè)上很多情況下的大壓縮比的需求。如果采用增加等截面渦旋壓縮機的壓縮比來達到高壓縮比的要求，就必須增加渦旋齒的圈數(shù)，如此增加會造成整機尺寸變大、重量增加、加工成本上升、加工難度增大和軸向泄露線長度增加、泄漏量增大，同時也增加了氣體在壓縮腔中的停留時間，引起整機溫度升高， 效率下降，嚴重時可能無法正常工作。 如果采用新型等距組合型線的變截面渦旋壓縮機可以采用很少的圈數(shù)就實現(xiàn)高壓比，解決了傳統(tǒng)渦旋壓 縮機只能用于低壓比領域的問題。并且在相同壓比情況下也可降低整機尺寸，減少了介質(zhì)在工作腔中的停留時間，在一定程度上改善了泄露和傳熱，從而滿足了工業(yè)生產(chǎn)和使用的需求。然而，由于變截面渦旋壓縮機的型線組成相對靈活，一般由 2 到 3 種型線組成，型線的組成不同或者組成順序不同，建立的分析模型都會不同，從而對幾何學、動力學、傳熱學、摩擦磨損和內(nèi)外泄漏等研究存在一定的難度。 渦旋壓縮機動靜渦盤及其工作原理 渦旋式壓縮機綜合了往復式壓縮機和旋轉(zhuǎn)式壓縮機的工作特點，其借助于容積的變化來實現(xiàn)氣體壓縮與往復式壓縮機相同。其動渦盤的運動是在偏心軸的直線驅(qū)動下進行的，這一點又與旋轉(zhuǎn)式壓縮機相同。但是渦旋式壓縮機的壓縮腔，既不同于往復式的又不同于旋轉(zhuǎn)式，故把它稱作新一代容積式壓縮機。渦旋式壓縮機的主要零件包括動渦盤，靜渦盤，支架體，偏心軸及防自傳機構(gòu)。動靜渦旋盤的最常用線型是圓的漸開線及其修正曲線。下面以圓的漸開線渦旋型線為例來 說明渦旋壓縮機的工作原理。 把渦旋型線參數(shù)相同，相位差π，基圓中心相距 Ror 的動渦盤與靜渦盤組裝后，可形成數(shù)對月牙形的密封的容積腔，容積腔的軸隨偏心軸推動動渦盤中心繞靜渦盤中心作半徑為 Ror 的圓周軌道運動時相應的擴大縮小，由此實現(xiàn)氣體的吸入，壓縮和排氣的過程。低壓氣體從靜渦盤上開設的吸氣孔口或動靜渦盤的周邊縫隙進入吸氣腔，經(jīng)壓縮后由靜渦盤中心處的排氣孔口排出。 以三對壓縮腔為例說明氣體壓縮過程 ,如圖 11。三對容積腔分別用①②③來表示，依次表示中心壓縮腔（排氣腔）、第二壓縮腔、第三壓縮腔。動渦盤中心繞靜渦盤 中心的轉(zhuǎn)動角，也就是偏心軸的曲柄轉(zhuǎn)角，用θ表示。當曲柄轉(zhuǎn)角θ =0 時，③剛好封閉，壓縮機的吸氣過程結(jié)束，這時③中充入的氣體所占據(jù)的空間即為吸氣容積，相當于往復式壓縮機的形成容積。隨著曲柄轉(zhuǎn)角增大，月牙形的面積逐漸減小。當θ =360176。時，③完成對氣體的壓縮過程，這時的壓縮腔容積就是②的最大封閉容積，即②充氣終了時的容積，其軸向投影面積最大。①和②中氣體容積變化規(guī)律與③中相同。 ③在壓縮氣體同時，壓縮機的吸氣過程也在進行。②和①并不存在吸氣過程，只是在幾何關系上按 2π為一循環(huán)劃分時，分割為不 壓縮腔而已。渦旋式壓縮機壓縮氣體的過程是連續(xù)進行的需要主軸轉(zhuǎn)動數(shù)圈而非一圈，但主軸每轉(zhuǎn)一周即可完成一次吸氣。需要指出的是，①中的氣體并不受到壓縮，其容積減少是一個等壓過程，即排氣過程。①中容積取得最大值時，不一定對應于θ =0，而與開始排氣角有關，圖 12 為壓縮機的工作過程。