吳華根,唐昊,王養(yǎng)浩,邢子文

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

?

間隙對雙螺桿制冷壓縮機性能的影響

吳華根,唐昊,王養(yǎng)浩,邢子文

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

為清楚解析間隙對螺桿制冷壓縮機性能的影響及提高壓縮機性能,針對雙螺桿制冷壓縮機中的嚙合間隙和排氣端面間隙對壓縮機性能的影響程度進行了理論計算和實驗研究,結(jié)果表明:在相同間隙值下,嚙合間隙對螺桿制冷壓縮機的容積效率和絕熱效率等的影響數(shù)倍于排氣端面間隙的影響,每增加0.01 mm的嚙合間隙,會減少0.4%左右的容積效率,而每增加0.01 mm的排氣端面間隙,會減少0.13%左右的容積效率;在較大嚙合間隙工況下,排氣端面間隙的改變基本不影響壓縮機的容積效率、絕熱效率以及系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)等,但是同時增加嚙合間隙和排氣端面間隙,會引起壓縮機性能參數(shù)、制冷量及系統(tǒng)性能系數(shù)的下降。因此,在螺桿制冷壓縮機的設計中更應注重嚙合間隙分布設計,從而有效提高雙螺桿制冷壓縮機的性能。

雙螺桿壓縮機;嚙合間隙;排氣端面間隙;性能

螺桿制冷壓縮機作為冷水機組的主機已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中,如食品、醫(yī)藥、石化等行業(yè)。尤其是近年來,隨著節(jié)能減排要求的提高,螺桿制冷壓縮機也應用于冰蓄冷、熱泵系統(tǒng)等能效比要求較高的場合,以達到國家節(jié)能的要求,因此對螺桿制冷壓縮機的性能要求也越來越高。

目前,對于提高雙螺桿制冷壓縮機的性能研究主要集中于如下幾個方面。①在轉(zhuǎn)子型線方面,主要集中于新型的轉(zhuǎn)子型線設計方法,以利于尋求提高壓縮機效率的轉(zhuǎn)子型線。文獻[1-2]采用轉(zhuǎn)子型線的法線法結(jié)合解析包絡法對轉(zhuǎn)子型線的設計進行了研究,并且還利用量轉(zhuǎn)子的任意嚙合線重新生成轉(zhuǎn)子型線,以期提高轉(zhuǎn)子型線的性能。文獻[3]對以嚙合線為基礎進而設計轉(zhuǎn)子型線的方法進行了研究。文獻[4]通過解析包絡法開發(fā)的轉(zhuǎn)子型線得到了廣泛的工程應用,而且開發(fā)了一套螺桿壓縮機設計軟件。②對螺桿制冷壓縮機工作過程特性的研究也是重要的一方面。文獻[5-6]對螺桿制冷壓縮機和空氣壓縮機的工作過程包括指示圖的錄取等都有深入的研究。文獻[7]指出,螺桿壓縮機中的噴油可有效改善泄漏和提高壓縮過程中的熱交換,從而提高壓縮機效率和性能。文獻[8]利用計算流體力學CFD技術(shù)對螺桿壓縮機工作腔進行三維網(wǎng)格劃分,進而計算工作腔在壓縮過程中的壓力和溫度變化情況,為螺桿壓縮機的工作過程中流場的深入研究提供了思路和基礎。雖然對螺桿壓縮機性能的研究中都認為泄漏是非常重要的影響因素之一,在研究中都考慮了它的影響,但泄漏影響性能的研究結(jié)果仍然鮮見發(fā)表。

本文主要針對雙螺桿制冷壓縮機中的泄漏通道間隙對壓縮機性能的影響程度進行研究和分析,定量地描述嚙合間隙和排氣端面間隙對壓縮機容積效率、絕熱效率等性能參數(shù)的影響,以期為雙螺桿制冷壓縮機在間隙方面的優(yōu)化設計提供可靠依據(jù),提升螺桿壓縮機的性能。

1 理論分析

雙螺桿制冷壓縮機中泄漏間隙主要有嚙合間隙、端面間隙和齒頂間隙3種。嚙合間隙主要影響的是接觸線和泄漏三角形兩類泄漏通道;端面間隙影響的是吸氣端面和排氣端面泄漏通道;齒頂間隙影響的是陰、陽轉(zhuǎn)子的齒頂泄漏通道。雙螺桿制冷壓縮機運行過程中對工作腔噴油,受離心力影響,齒頂間隙中會有較多潤滑油進行密封[5],另外工作齒槽兩側(cè)的齒頂間隙同時承受著泄出和泄入的共同作用,且本文試驗中不改變齒頂間隙,因此在理論分析中也不單獨考慮齒頂間隙的影響。由于吸氣端面間隙所處的壓力基本為吸氣壓力,認為該處間隙對性能的影響較為微弱,僅在壓縮開始階段有所泄漏,因而也不考慮吸氣端面的間隙影響。所以,本文主要討論嚙合間隙和排氣端面間隙對壓縮機性能的影響。

本文建立的模型描述了制冷劑氣體、油混合物通過嚙合間隙和排氣端面間隙時,對壓縮機容積效率和絕熱效率的影響,表達式如下

式中:α為空泡率;A為泄漏間隙橫截面積隨轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系;S為滑移系數(shù);x為氣液質(zhì)量比(干度);h1、h2分別為泄漏通道兩側(cè)的氣體焓;C為流量系數(shù)。

利用雙螺桿制冷壓縮機工作過程的數(shù)學模型[9],對LG20型的雙螺桿氨制冷壓縮機的工作過程進行理論研究,得到了嚙合間隙(0.06 mm)和排氣端面間隙(0.06 mm)對壓縮機容積效率和絕熱效率的影響程度,分別如圖1和圖2所示。

圖1 間隙對容積效率的影響情況(冷凝溫度為35 ℃)

從圖1可以看出,隨著蒸發(fā)溫度的上升,即壓縮機壓力比的下降,嚙合、排氣端面間隙對容積效率的影響程度都在下降,下降趨勢逐漸減小,這主要是壓力差減小導致了泄漏量的減少造成的。另外,從圖1中可以得知,嚙合間隙對于容積效率的影響要遠大于排氣端面間隙的影響,約是排氣端面間隙的4倍多。在冷凝溫度為35 ℃、蒸發(fā)溫度為5 ℃時,嚙合間隙和排氣端面間隙泄漏使壓縮機的容積效率下降了6.8%。

圖2所示為嚙合間隙、排氣端面間隙對壓縮機絕熱效率的影響程度。從圖中可以看出,隨著蒸發(fā)溫度的下降,即壓力比上升,兩類間隙對絕熱效率的影響上升,但是其增長率逐漸下降,而且其中嚙合間隙對絕熱效率的影響所占比重較大。在冷凝溫度為35 ℃、蒸發(fā)溫度為5 ℃時,嚙合間隙和排氣端面間隙對壓縮機的絕熱效率的影響程度為9.48%。

圖2 間隙對絕熱效率的影響情況(冷凝溫度為35 ℃)

壓縮機容積效率和絕熱效率隨著嚙合間隙和排氣端面間隙的變化情況如圖3所示。從圖中可以看出,隨著間隙的增加,壓縮機的容積效率和絕熱效率基本呈線性下降。理論計算表明,每增加0.01 mm的間隙,由嚙合間隙導致的容積效率下降平均為0.368%,而由排氣端面間隙導致的下降為0.132%。

圖3 效率隨間隙變化的情況

從上述理論分析可以看出,嚙合間隙對于壓縮機容積效率的影響是排氣端面間隙的3～4倍,而對絕熱效率的影響是排氣端面間隙的2～3倍,由此可以看出,嚙合間隙對于壓縮機的性能影響更為重要。

2 實驗及結(jié)果分析

按照國家標準GB/T 5773—2004《容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》以及GB/T 19410—2003《螺桿式制冷劑壓縮機》,在蒸發(fā)溫度為5 ℃和冷凝溫度為35 ℃的工況下,對LG20型氨螺桿制冷壓縮機性能與間隙的關(guān)系,以及改變油溫時壓縮機性能的變化情況進行了試驗研究。

間隙分布情況分別如下。

A:嚙合間隙為0.06 mm,排氣端面間隙為0.06 mm。

B:嚙合間隙為0.06 mm,排氣端面間隙為0.12 mm。

C:嚙合間隙為0.14 mm,排氣端面間隙為0.06 mm。

D:嚙合間隙為0.14 mm,排氣端面間隙為0.14 mm。

2.1 排氣端面間隙對性能的影響

當排氣端面間隙分別為0.06 mm和0.12 mm時,壓縮機的性能測試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出,當嚙合間隙較小(0.06 mm)時,隨著排氣端面間隙的增加,其容積效率和絕熱效率都有所下降,但下降值較小,驗證了理論研究所得,排氣端面間隙對效率影響的權(quán)重較小。隨著排氣端面間隙的增加,壓縮機的制冷量下降了0.83%,這是壓縮機泄漏增大、排氣量減少的緣故,同時壓縮機的軸功率會有所上升,這是因為從排氣端面泄漏的氣體有部分仍然回到了轉(zhuǎn)子的壓縮腔進行重復壓縮所致。制冷量和功率的這種變化,導致系統(tǒng)性能系數(shù)下降了1.55%。

從表1中可以看出,在A間隙分布情況下,因壓縮機間隙泄漏造成的容積效率下降為8.8%,而圖1所示因嚙合間隙和排氣端面間隙引起的容積效率下降為6.8%,從而說明了理論分析的準確性。

2.2 嚙合間隙對性能的影響

嚙合間隙對于壓縮機性能的影響如表2所示,排氣端面間隙不變?yōu)?.06 mm,嚙合間隙從0.06 mm增加至0.14 mm。

從表2可以得出,當嚙合間隙增加時,由于泄漏面積的擴大,導致壓縮機的容積效率下降了3.2%,平均下來相當于每增加0.01 mm的嚙合間隙,容積效率下降0.4%。從表1可知,每增加0.01 mm的排氣端面間隙,容積效率只下降0.13%。由此可見,在此工況下,嚙合間隙對于容積效率的影響程度大概是排氣端面間隙的3倍,因此在壓縮機設計的時候,更應關(guān)注嚙合間隙分布,以利于螺桿壓縮機效率

表1 排氣端面間隙對性能的影響

表2 嚙合間隙對性能的影響

的提升。壓縮機的絕熱效率也隨著嚙合間隙的增加而有所下降,略大于表1中排氣端面間隙的增加引起的對絕熱效率的影響程度。

隨著嚙合間隙的增加,壓縮機的功率有所下降,這主要是由于通過嚙合間隙泄漏的制冷劑氣體直接進入了吸氣齒槽,因此參與壓縮的制冷劑氣體質(zhì)量流量下降,從而導致了功率的輕微下降。由于質(zhì)量流量的下降,

導致了壓縮機制冷量的較大幅度的下

降,達到了3.47%,從而使系統(tǒng)性能系數(shù)也有了2.47%的降幅。從表1和表2可知,嚙合間隙增加導致性能系數(shù)下降的影響要大于排氣端面間隙。

為了更加清楚了解嚙合間隙的影響,本文還針對在大嚙合間隙下改變排氣端面間隙時壓縮機的性能參數(shù)進行了測試,測試結(jié)果如表3所示。嚙合間隙為0.14 mm,排氣端面間隙分別為0.06 mm和0.14 mm。

表3 大嚙合間隙對性能的影響

從表3中得知,當嚙合間隙較大(0.14 mm)時,排氣端面間隙的變化(從0.06 mm增為0.14 mm)對壓縮機的整體性能的影響都十分微弱,可見對于螺桿制冷壓縮機而言,嚙合間隙的影響權(quán)重要大于排氣端面間隙的影響權(quán)重。

從4種間隙分布的理論分析和實驗結(jié)果比較來看:壓縮機容積和絕熱效率的實驗值和計算值的最大誤差為3.68%,而增加單位間隙導致容積效率下降幅度的計算值和實驗值的最大誤差為8%,從而可以看出理論計算值與實驗測試結(jié)果吻合較好,驗證了其準確性。

2.3 不同嚙合間隙下油溫對性能的影響

在不同噴油溫度下,不同的嚙合間隙對于壓縮機性能的影響如圖4所示。

圖4 噴油溫度對效率的影響

隨著嚙合間隙的增加,壓縮機的絕熱效率和容積效率都有所下降;隨著噴油溫度的升高,壓縮機的容積效率和絕熱效率都隨之降低。這是因為當噴油的溫度升高時,油的黏性下降,因而在泄漏間隙處氣體的密封性能會降低,導致泄漏增加,而且溫度升高引起了油和制冷劑氣體間的換熱作用(即油的冷卻作用)下降,進一步影響了絕熱效率。在大嚙合間隙下,隨著噴油溫度的升高,壓縮機效率的下降速度要略微高于小嚙合間隙時的情況。

3 結(jié) 論

本文對嚙合間隙和排氣端面間隙對雙螺桿制冷壓縮機的性能影響進行了理論和實驗研究,發(fā)現(xiàn)嚙合間隙對壓縮機性能影響高于排氣端面間隙的影響,而且每增加0.01 mm嚙合間隙會導致理論計算和實驗測試的容積效率減少率分別為0.368%和0.4%,而增加0.01 mm排氣端面間隙引起的容積效率下降分別為0.132%和0.13%。在大嚙合間隙下,排氣端面間隙的改變幾乎不影響壓縮機的性能。因此,要提高螺桿壓縮機的性能,更應關(guān)注嚙合間隙的分布,在滿足因受熱、受力產(chǎn)生變形的基礎上,應盡量減小嚙合間隙。

[1] WU Yuren, FONG Zhanghua. Rotor profile design for the twin-screw compressor based on the normal-rack generation method [J]. Journal of Mechanical Design, 2008, 130(4): 1-4.

[2] WU Yuren, FONG Zhanghua. Improved rotor profiling based on the arbitrary sealing line for twin-screw compressors [J]. Mechanism and Machine Theory, 2008, 43(6): 695-711.

[3] ZAYTSEV D, INFANTE FERREIRA C A. Profile generation method for twin screw compressor rotors based on the meshing line [J]. International Journal of Refrigeration, 2005, 28(5): 744-755.

[4] 邢子文, 彭學院, 束鵬程. 螺桿壓縮機設計計算軟件的研究與開發(fā) [J]. 西安交通大學學報, 1999, 33(11): 31-34. XING Ziwen, PENG Xueyuan, SHU Pengcheng. Software package for design of twin screw compressors [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 1999, 33(11): 31-34.

[5] 邢子文, 吳華根, 束鵬程. 螺桿壓縮機設計理論與關(guān)鍵技術(shù) [J]. 西安交通大學學報, 2007, 41(7): 755-763. XING Ziwen, WU Huagen, SHU Pengcheng. Research and development on design theory and key technology of screw compressors [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2007, 41(7): 755-763.

[6] 邢子文. 螺桿壓縮機: 理論、設計及應用 [M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000: 117-132.

[7] SESHAIAH N, GHOSH S K, SAHOO R K, et al. Mathematical modeling of the working cycle of oil injected rotary twin screw compressor [J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(1): 145-155.

[8] RANE S, KOVACEVIC A, STOSIC N, et al. Deforming grid generation and CFD analysis of variable geometry screw compressors [J]. Computers & Fluids, 2014, 99: 124-141.

[9] CHEN Wenqing, XING Ziwen, TANG Hao, et al. Theoretical and experimental investigation on the performance of screw refrigeration compressor under part-load conditions [J]. International Journal of Refrigeration, 2011, 34 (4): 1141-1150.

(編輯 杜秀杰)

Clearance Effects on Performance of Twin Screw Refrigeration Compressor

WU Huagen,TANG Hao,WANG Yanghao,XING Ziwen

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The effects of meshing clearance and discharge end clearance on the performance of twin screw refrigeration compressor are investigated theoretically and experimentally. The theoretical analysis shows that the influence of the meshing clearance on the volumetric efficiency and the adiabatic efficiency of compressor is several-fold greater than the discharge end clearance under the same gap value which is verified by the experimental measure data. The volumetric efficiency of compressor decreases by 0.4% for every 0.01 mm of increasing meshing clearance and drops 0.13% for 0.01 mm of increasing discharge end clearance. The experiments indicate that the change of the discharge end clearance value slightly affects the compressor performance, such as the volumetric efficiency, adiabatic efficiency and COP, when the meshing clearance increases greatly. Moreover, if the gap is enlarged, the volumetric efficiency, adiabatic efficiency, refrigeration capacity and COP all drop. Thus the meshing clearance ought to be paid more attention than the discharged end clearance in the design of twin screw refrigeration compressor.

twin screw compressor; meshing clearance; discharged end clearance; performance

2014-06-08。

吳華根(1977—),男,副教授。

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-08-0439)。

時間:2014-09-26

10.7652/xjtuxb201502022

TB456

A

0253-987X(2015)02-0130-05

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140926.1339.005.html