【正文】 大學(xué)等一流名校。通過引進(jìn)、消化、再創(chuàng)新的過程，我國(guó)在渦旋壓縮機(jī)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(yīng)用最為普遍的就是渦旋空氣壓縮機(jī)和無(wú)油渦旋式壓縮機(jī)?？墒俏覈?guó)研發(fā)成品缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)力，技術(shù)核心 還是掌握在日本、韓國(guó)及西方制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。 渦旋壓縮機(jī)有較好的防過熱和潤(rùn)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(jìn)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(shè)有氣液分離器，潤(rùn)滑油和制冷液首先進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行分離，進(jìn)入氣液分離器的制冷液便立即蒸發(fā)成為氣體，而潤(rùn)滑油從氣液分離器下方小孔緩緩地連續(xù)進(jìn)入壓縮機(jī)，保證了輸氣的質(zhì)量。渦旋機(jī)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(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)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(lǐng)域。 渦旋壓縮機(jī)的工作原理 渦旋壓縮機(jī)由動(dòng)渦旋盤、靜渦旋盤、機(jī)體、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、偏心軸等零部件組成。動(dòng)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(dòng)，稱為靜渦旋盤，而另一渦盤作公轉(zhuǎn)平動(dòng)，稱之為動(dòng)渦旋盤。動(dòng)渦旋在專用防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的約束下，由主軸帶動(dòng)作公轉(zhuǎn)平動(dòng)，這種特定的裝配和運(yùn)動(dòng)，使得動(dòng)、靜渦旋齒之間所形成的多對(duì)月牙形封閉工作腔容積由大變小，實(shí)現(xiàn)周期性的容積變化。當(dāng)主軸處于某 一旋 轉(zhuǎn)角度時(shí)，最外圈的一對(duì)封閉的工作腔容積開啟，吸氣過程開始；當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)一周后，這一對(duì)工作腔關(guān)閉，形成封閉的工作腔容積，吸氣過程結(jié)束；在這對(duì)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(shí)開始?jí)嚎s過程。隨著主軸的旋轉(zhuǎn)，嚙合點(diǎn)由外圈向內(nèi)圈移動(dòng)，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(dòng)，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(dāng)工作腔容積與排氣口相連通時(shí)，壓縮過程結(jié)束，排氣過程開始。動(dòng)盤和靜盤的渦旋型呈漸開線形狀，安裝時(shí)使兩者中心線距離一個(gè)回轉(zhuǎn)半徑 e,相位差 180 度。這樣 兩盤嚙合時(shí)，與端板配合形成一系列月牙形柱體工作容積。當(dāng)兩渦旋盤的主軸相對(duì)位置在 0度位置時(shí)，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(diǎn)沿著渦旋齒齒壁由外向里持續(xù)移動(dòng)，封閉容積對(duì)應(yīng)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(shí)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(shí)現(xiàn)氣體的壓縮過程。當(dāng)工作腔容積與排氣口相接通時(shí)，氣體從靜渦旋中央的排氣孔釋放出，氣壓相應(yīng)降低，完成整個(gè)制冷劑的吸入、壓縮和排出過程。 渦旋壓 縮機(jī)的主要特點(diǎn) 渦旋壓縮機(jī)是繼往復(fù)壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)之后的又一種新型高效容積式壓縮機(jī)，被公認(rèn)為是技術(shù)最先進(jìn)的第三代容積式壓縮機(jī)。與同等容量的往復(fù)壓縮機(jī)相比，主要零部件僅為往復(fù)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(dòng)力矩的波動(dòng)幅度僅為往復(fù)式的 1/10。 其主要優(yōu)點(diǎn)有： （ 1）零件數(shù)少、無(wú)氣閥的易損件，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、重量輕、可靠性高； （ 2）無(wú)吸排氣閥，因而氣 體流動(dòng)損失少、吸排氣損失小、無(wú)氣閥的敲擊噪聲和由此引起的振動(dòng)； （ 3）吸氣過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)吸氣余隙，容積效率高； （ 4）工作腔容積變化過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，壓縮平穩(wěn)，排氣接近連續(xù)，氣流脈動(dòng)??； （ 5）主軸回轉(zhuǎn)半徑小，且可對(duì)旋轉(zhuǎn)零件進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，因而旋轉(zhuǎn)慣性力小、運(yùn)動(dòng)平衡性能好，整機(jī)振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)； （ 6）動(dòng)、靜兩渦旋盤之間相對(duì)滑動(dòng)速度小，因而摩擦磨損小、主軸可選用較高轉(zhuǎn)速； （ 7）可實(shí)現(xiàn)徑向和軸向隨變，能夠?qū)崿F(xiàn)徑向和軸向的磨損補(bǔ)償、對(duì)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(dòng)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(gè)壓縮腔同時(shí)工作，轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)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(jī)型線的特性決定其存在如下的缺點(diǎn)： （ 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(jī)摩擦副數(shù)量較多； （ 3）難以實(shí)施壓縮氣體的外部冷卻，工作過程中的熱量不易導(dǎo)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(duì)壓縮腔進(jìn)行噴液以進(jìn)行內(nèi)部冷卻； （ 4）當(dāng)排氣壓力變化時(shí)，其變工況性能欠佳； （ 5）難以適應(yīng)較大排氣量 和較高壓力比的應(yīng)用場(chǎng)合。 渦旋壓縮機(jī)的應(yīng)用 渦旋壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，且不斷在擴(kuò)大，主要用作渦旋制冷壓縮機(jī)、渦旋空氣壓縮機(jī)、渦旋增壓器、渦旋液體泵、渦旋發(fā)動(dòng)機(jī)、渦旋膨脹機(jī)和渦旋真空泵等。 渦旋壓縮機(jī)主要應(yīng)用于 在制冷和空調(diào)領(lǐng)域渦旋壓縮機(jī)的應(yīng)用最為廣泛和成熟，大多數(shù)制成封閉式壓縮機(jī)，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(jī)，為提高氣量已發(fā)展到采用多機(jī)并聯(lián)機(jī)組的設(shè)計(jì)形式。 渦旋空氣壓縮機(jī)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(dòng)力用渦旋空氣壓縮機(jī)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)在無(wú)油潤(rùn)滑渦旋空氣壓縮機(jī)方面進(jìn)行了深入的研究。 增壓器 在增壓器應(yīng)用方面，比較典型的是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用渦旋增壓器。德國(guó)大眾公司成功開發(fā)了著名的 G增壓器，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高了 35%。渦旋增壓裝置在 20世紀(jì) 90 年代以后，又被谷輪公司制造成醫(yī)用空氣動(dòng)力源，效果也比較理想。此外，也有研究和探討渦旋膨脹機(jī)和渦旋壓縮機(jī)兩者結(jié)合，利用汽車排 出廢氣的能量實(shí)現(xiàn)對(duì)新鮮氣體的增壓。 渦旋機(jī)械也可作為真空泵應(yīng)用，所達(dá)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(dá)到更好的徑向密封效果。目前渦旋真空泵的真空度可達(dá) 10178。 Pa，這比滑片式真空泵所能達(dá)到的真空度提高了近 10 倍。 渦旋膨脹機(jī)是容積式膨脹機(jī)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(hù)環(huán)境。 渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展展望 渦旋壓縮機(jī)是近十幾年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型容積式壓縮機(jī)，主要用于制冷、空調(diào)，真空泵等行業(yè)，隨著行業(yè)中技術(shù)的不斷進(jìn)步，批量生產(chǎn)的可行性已經(jīng)越來(lái)越受到壓縮機(jī)行業(yè)的公認(rèn)。但要進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能及經(jīng)濟(jì)效益，還有許多方面需要改進(jìn)，許多困難需要克服。 （ 1）型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新型線的開發(fā)為渦旋壓縮機(jī)的多樣性和理論應(yīng)用增加了新鮮血液，不斷推動(dòng)理論研究和應(yīng)用的發(fā)展； （ 2）提高渦旋壓縮機(jī)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(wù)； （ 3）研究新的環(huán)保型制冷劑對(duì)渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的新要求； （ 4）增大渦旋壓縮機(jī)的功率范圍，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，特別是研究其變頻特性以及在空調(diào)壓縮機(jī)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化； （ 5）不斷和最新的工業(yè)技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)渦旋壓縮機(jī)技術(shù)水平和制造工藝的快速提高。如采用變頻調(diào)速技術(shù)，數(shù)碼渦旋技術(shù)等新技術(shù)； （ 6）改進(jìn)壓縮機(jī)的平衡機(jī)構(gòu)，特別是軸向氣體力的平衡。減少氣體的泄露，減少機(jī)械摩擦損失，從而提高渦旋壓縮機(jī)的工作效率和可靠性； （ 7）加強(qiáng)對(duì)實(shí)際運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)研究，建 立起關(guān)于渦旋壓縮機(jī)理論和實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)發(fā)展的統(tǒng)一體系； （ 8）建立包括壓縮機(jī)油冷卻、供油、電機(jī)等外部系統(tǒng)在內(nèi)的模塊化數(shù)學(xué)模型，使之具有通用性，并在原有基礎(chǔ)上強(qiáng)化對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部熱力學(xué)特性、動(dòng)力學(xué)特性的研究，更完善地分析壓縮機(jī)各種運(yùn)行工況下的工作過程； （ 9）通過對(duì)渦旋機(jī)械工作過程的研究及其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用新的材料與新的機(jī)構(gòu)來(lái)減少機(jī)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(jī)的工作效率和工作可靠性。 課題的研究意義 目前國(guó)內(nèi)外渦旋壓縮機(jī)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(jī)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(jī)的壓縮比來(lái)達(dá)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(huì)造成整機(jī)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(zhǎng)度增加、泄漏量增大，同時(shí)也增加了氣體在壓縮腔中的停留時(shí)間，引起整機(jī)溫度升高， 效率下降，嚴(yán)重時(shí)可能無(wú)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(jī)可以采用很少的圈數(shù)就實(shí)現(xiàn)高壓比，解決了傳統(tǒng)渦旋壓 縮機(jī)只能用于低壓比領(lǐng)域的問題。并且在相同壓比情況下也可降低整機(jī)尺寸，減少了介質(zhì)在工作腔中的停留時(shí)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(jī)的型線組成相對(duì)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(huì)不同，從而對(duì)幾何學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、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(jī)動(dòng)靜渦盤及其工作原理 渦旋式壓縮機(jī)綜合了往復(fù)式壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)，其借助于容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體壓縮與往復(fù)式壓縮機(jī)相同。其動(dòng)渦盤的運(yùn)動(dòng)是在偏心軸的直線驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的，這一點(diǎn)又與旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)相同。但是渦旋式壓縮機(jī)的壓縮腔，既不同于往復(fù)式的又不同于旋轉(zhuǎn)式，故把它稱作新一代容積式壓縮機(jī)。渦旋式壓縮機(jī)的主要零件包括動(dòng)渦盤，靜渦盤，支架體，偏心軸及防自傳機(jī)構(gòu)。動(dòng)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(lái) 說明渦旋壓縮機(jī)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(dòng)渦盤與靜渦盤組裝后，可形成數(shù)對(duì)月牙形的密封的容積腔，容積腔的軸隨偏心軸推動(dòng)動(dòng)渦盤中心繞靜渦盤中心作半徑為 Ror 的圓周軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)相應(yīng)的擴(kuò)大縮小，由此實(shí)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(shè)的吸氣孔口或動(dòng)靜渦盤的周邊縫隙進(jìn)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(duì)壓縮腔為例說明氣體壓縮過程 ,如圖 11。三對(duì)容積腔分別用①②③來(lái)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(dòng)渦盤中心繞靜渦盤 中心的轉(zhuǎn)動(dòng)角，也就是偏心軸的曲柄轉(zhuǎn)角，用θ表示。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角θ =0 時(shí)，③剛好封閉，壓縮機(jī)的吸氣過程結(jié)束，這時(shí)③中充入的氣體所占據(jù)的空間即為吸氣容積，相當(dāng)于往復(fù)式壓縮機(jī)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(dāng)θ =360176。時(shí)，③完成對(duì)氣體的壓縮過程，這時(shí)的壓縮腔容積就是②的最大封閉容積，即②充氣終了時(shí)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(shí)，壓縮機(jī)的吸氣過程也在進(jìn)行。②和①并不存在吸氣過程，只是在幾何關(guān)系上按 2π為一循環(huán)劃分時(shí)，分割為不 壓縮腔而已。渦旋式壓縮機(jī)壓縮氣體的過程是連續(xù)進(jìn)行的需要主軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)等壓過程，即排氣過程。①中容積取得最大值時(shí)，不一定對(duì)應(yīng)于θ =0，而與開始排氣角有關(guān)，圖 12 為壓縮機(jī)的工作過程。