天津大學(xué)學(xué)報(bào)CO2跨臨界循環(huán)雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與分析田華，馬一太，李敏霞，王偉（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300072）率，因此對(duì)核心部件雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)進(jìn)行自主開發(fā)設(shè)計(jì)，分析了雙級(jí)壓縮機(jī)工作腔內(nèi)的吸氣、壓縮、排氣過(guò)程和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；設(shè)計(jì)了一定工況下的C2跨臨界循環(huán)雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)；根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)和受力分析，并以此為指導(dǎo)，在摩擦嚴(yán)重的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)特殊化處理，如在滑板端部增加密封柱，以減小摩擦和泄漏，提高壓縮機(jī)效率。

　　基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50676064）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2007AA05Z262）。

　　近年來(lái)，國(guó)際社會(huì)采取了很多應(yīng)對(duì)全球變暖以及臭氧層破壞的措施。為了進(jìn)一步保護(hù)臭氧層，2007年9月17日召開的蒙特利爾議定書第19次締約方大會(huì)同意加速淘汰氫氯氟烴（HCFCs）的生產(chǎn)與消費(fèi)。在解決全球氣候變暖方面，歐盟的EC842/2006氟氣體法規(guī)和2006/40/EC指令，對(duì)GWP值大于150的工質(zhì)做出了明確的限制。為此，CO2因其環(huán)境友好性、理想的熱力學(xué)性質(zhì)、無(wú)毒、不燃和廉價(jià)等特性得到了廣泛關(guān)注。

　　°C），循環(huán)通常是在跨臨界條件下運(yùn)行。由于系統(tǒng)運(yùn)行壓力比常規(guī)制冷劑高很多，加之壓差很大（約6MPa），節(jié)流損失嚴(yán)重，系統(tǒng)性能相對(duì)較低。采用雙級(jí)循環(huán)來(lái)降低排氣溫度（即降低當(dāng)量冷凝溫度）和減少壓縮機(jī)耗功是提高系統(tǒng)性能的主要手段。CO2壓縮機(jī)雖然壓比不大（3左右），但是高壓可達(dá)10MPa，低壓為3.5MPa，壓差非常大。因此傳統(tǒng)的CO2單級(jí)壓縮機(jī)，泄漏非常嚴(yán)重，由于壓差導(dǎo)致的不平衡力和摩擦也非常嚴(yán)重；同時(shí)，單級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度很高（120C左右），高低溫傳熱損失也比較嚴(yán)重。這些都導(dǎo)致了CO2單級(jí)壓縮機(jī)本身效率不高（60%~70%）。目前國(guó)外大公司開發(fā)的CO2雙級(jí)壓縮機(jī)表明，等熵效率可提高至80%以上。國(guó)內(nèi)的上海日立電器有限公司也開展了適用于熱泵熱水器的兩級(jí)C2壓縮機(jī)樣機(jī)（定速和交流變頻）的開發(fā)，但未有實(shí)質(zhì)的成果發(fā)表。

　　為此，天津大學(xué)熱能研究所開展了C2跨臨界雙級(jí)循環(huán)的研究。筆者設(shè)計(jì)了CO2雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，為實(shí)現(xiàn)C2跨臨界循環(huán)雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的自主開發(fā)做好理論基礎(chǔ)。

　　1C2跨臨界雙級(jí)循環(huán)所示為一種典型的C2跨臨界雙級(jí)循環(huán)原理及t-s圖。該循環(huán)屬于雙級(jí)壓縮中間完全冷卻式。循環(huán)的流程如下：自蒸發(fā)器出來(lái)的飽和氣態(tài)C21，經(jīng)過(guò)雙級(jí)壓縮機(jī)低壓級(jí)壓縮至中間壓力狀態(tài)2；然后進(jìn)人中間冷卻裝置冷卻至飽和液3，再進(jìn)人雙級(jí)壓縮機(jī)高壓級(jí)壓縮至排氣壓力的超臨界狀態(tài)4；從壓縮機(jī)排出的高壓高溫超臨界C2經(jīng)過(guò)氣體冷卻器冷卻至5.在中冷器中，從氣體冷卻器出來(lái)的流體一股經(jīng)節(jié)流閥1'節(jié)流降溫后冷卻另一股高壓流體，被冷卻后的流體進(jìn)人節(jié)流閥節(jié)流降溫，再進(jìn)人蒸發(fā)器吸收熱量，同時(shí)將低壓級(jí)排出的高溫氣體冷卻至高壓級(jí)進(jìn)口狀態(tài)。

　　當(dāng)量冷凝溫度是在變溫冷卻系統(tǒng)中比較系統(tǒng)效率的常用參數(shù)，系統(tǒng)效率隨當(dāng)量冷凝溫度的降低而升高，其定義如下：（b）中，C2跨臨界單級(jí)循環(huán)冷卻過(guò)程為2― 5，其當(dāng)量冷凝溫度如線A所示；雙級(jí)循環(huán)冷卻過(guò)程為2―3和4一7，當(dāng)量冷凝溫度如線B所示，明顯降低。據(jù)計(jì)算，當(dāng)蒸發(fā)溫度為°C、過(guò)熱度為5°C、氣體冷卻器出口溫度為34°C、高壓排氣壓力為10MPa時(shí)，雙級(jí)壓縮的COP為2.85，比單級(jí)壓縮（2.398）高18%. C2跨臨界雙級(jí)循環(huán)原理及t-sC2雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)腔。其工作工程包括如下4個(gè)階段。

　　2.1C2雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的工作原理轉(zhuǎn)子左邊的吸氣腔壓力降低，吸氣開始；右邊的壓縮所示為C2雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的工作原腔形成封閉空間，開始?jí)嚎s過(guò)程，見當(dāng)壓縮腔內(nèi)壓力足以克服排氣閥阻力，排氣過(guò)程開始；吸氣腔仍進(jìn)行吸氣過(guò)程。此時(shí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度稱為排氣角度，見（b）。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)排氣孔口后邊緣角度，排氣口與吸氣腔連通，排氣閥關(guān)閉，排氣過(guò)程結(jié)束，見（c）。

　　吸氣過(guò)程結(jié)束，壓縮腔形成封閉容積，開始下一循環(huán)過(guò)程，見（d）。

　　2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)為筆者設(shè)計(jì)開發(fā)的CO2雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)示意。它具有以下4個(gè)特點(diǎn)。

　　為減小壓差變形和泄漏，選擇合適的中間壓力，以減小壓縮過(guò)程的進(jìn)出口壓差，而且兩級(jí)壓縮單元的壓比也盡可能保持相對(duì)一致，同時(shí)使第1級(jí)與第2級(jí)的質(zhì)量流量相等。

　　2個(gè)壓縮單元利用單驅(qū)動(dòng)軸保持180°相差，由主軸上部的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于兩級(jí)壓縮本身的壓差和受力相對(duì)較小，同時(shí)這種180°相差的布置結(jié)構(gòu)也有利于受力均衡，因此壓縮機(jī)軸的阻力矩變化平穩(wěn)。

　　低壓級(jí)壓縮單元排氣分為兩路：一路進(jìn)人高壓級(jí)壓縮腔；另一路進(jìn)人殼體內(nèi)保證殼體的壓力為低壓，然后再進(jìn)人高壓級(jí)壓縮腔。此設(shè)計(jì)不僅保證壓縮機(jī)殼內(nèi)的壓力為中間壓力，減小殼體的壓力強(qiáng)度要求，從而減小尺寸，同時(shí)有利于軸和其他部件的潤(rùn)滑。

　　由于兩個(gè)偏心輪之間的軸是應(yīng)力集中的部位，可對(duì)軸形狀進(jìn)行試探性改進(jìn)，而且滑板也可進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使變形明顯減小。

　　3CO2雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的受力分析給出了作用在滑板上的力：與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子間的接觸力Fn及Ft；與滑板槽間的接觸力Fri、Fr2及Frti、Frt2；滑板彈簧的彈力Fk；滑板的慣性力Flv；滑板周圍的氣體或潤(rùn)滑油壓力所造成的力等。

　　如所示，假設(shè)滑板與滑板槽間隙內(nèi)的壓力呈線性分布作用在滑板周圍?；鍍啥顺惺艿膲翰盍c為滑板伸到氣缸內(nèi)的部分承受的壓差力Fh為式⑷對(duì)時(shí)間求一階和二階導(dǎo)數(shù)可得到滑板的速度和加速度公式，即其他滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)受力計(jì)算公式為表1C2跨臨界循環(huán)雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)及尺寸項(xiàng)目吸氣壓力/MPa吸氣溫度/'C氣缸半徑/mm低壓級(jí)3.5550高壓級(jí)7.03437項(xiàng)目排氣壓力/MPa排氣溫度/C轉(zhuǎn)子外半徑/mm低壓級(jí)76545高壓級(jí)106233 4結(jié)果與分析表1為C2跨臨界循環(huán)雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)尺寸。該壓縮機(jī)輸人功率為3kW，名義制冷量為8kW.給出了c2跨臨界循環(huán)雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)滑板與滑板槽的摩擦力隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增大，滑板與滑板槽的摩擦力均是先增大后減小，而且均在180°附近達(dá)到*大值。這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)角到達(dá)180°時(shí)，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子對(duì)滑板的正壓力不存在水平方向的分力，導(dǎo)致滑板與滑板槽的正壓力*大。低壓級(jí)滑板與滑板槽在吸氣腔側(cè)的*大摩擦力為129N，在壓縮腔側(cè)的*大摩擦力為23.7N；高壓級(jí)滑板與滑板槽在吸氣腔側(cè)的*大摩擦力為65N，在壓縮腔側(cè)的*大摩擦力為15N為了減小滑板與滑板槽之間的摩擦損失，可考慮在滑板與滑板槽之間加人滾針，使之產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦以取代滑動(dòng)摩擦，減小摩擦。

　　給出了CO2跨臨界循環(huán)雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)滑板與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化關(guān)系?？梢钥闯?，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增大，滑板與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力先減小后增大。這是因?yàn)?，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增大，滑板與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的正壓力與豎直方向的夾角先變小后變大，導(dǎo)致兩者接觸的正壓力呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。當(dāng)排氣開始以后，滑板兩端承受的壓差力F和滑板伸到氣缸內(nèi)部分承受的壓差力Fh―直保持*大，這導(dǎo)致滑板與轉(zhuǎn)子的正壓力比排氣前要小，因此出現(xiàn)了兩者摩擦力在排氣前后的不相等。低壓級(jí)滑板與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力*大值可達(dá)72N；高壓級(jí)滑板與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力*大值可達(dá)42N為了減小這部分摩擦，可以在滑板端部安裝帶有凹圓面的密封柱，使凹圓面能夠與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子外圓重合。這樣，一方面由于密封柱隨滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而左右擺動(dòng)，使接觸面處于較好的潤(rùn)滑狀態(tài)，達(dá)到減小摩擦的目的；同時(shí)，由于密封柱存在一段小圓弧與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子相吻合，加強(qiáng)了密封作用。

　　5結(jié)論在一定的工況下對(duì)雙級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適的中間壓力；兩個(gè)壓縮單元利用單驅(qū)動(dòng)軸保持180°相差，使受力均衡、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩平穩(wěn)。

　　背壓采用中間壓力，使得壓縮機(jī)外殼承壓相對(duì)適當(dāng)。對(duì)軸形狀和滑板進(jìn)行試探性改進(jìn)設(shè)計(jì)，使變形明顯減小。

　　通過(guò)受力分析發(fā)現(xiàn)，滑板與滑板槽以及滑板端部與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦嚴(yán)重，提出了特定的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。

　　符號(hào)說(shuō)明：內(nèi)、。一吸氣腔和壓縮腔的壓力，Pa；rv―滑板端部圓弧的半徑，m；H―氣缸高度，m；e―壓縮機(jī)偏心距，m；0―滾動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度，rad；K―彈簧彈性系數(shù)，N/m；mv―滑板的質(zhì)量，kg；F―滑板背部的彈簧力，N；Fiv―滑板的慣性力，N；F；i―滑板與滑板槽在壓縮腔側(cè)的正壓力，N；Fr2―滑板與滑板槽在吸氣腔側(cè)的正壓力，N；F―滑板與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的正壓力，N；Frti―滑板與滑板槽在吸氣腔側(cè)的摩擦力，N；Frt2―滑板與滑板槽在壓縮腔側(cè)的摩擦力，N；Ft―滑板與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力，N；fs―滑板與滑板槽之間的摩擦系數(shù)；fv―滑板與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的摩擦系數(shù)；f―滾動(dòng)轉(zhuǎn)子與氣缸的半徑比；x―彈簧未壓縮或拉伸時(shí)的長(zhǎng)度，m；a―滾動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，rad/min H―動(dòng)力黏度，Pa‘s.