陳景愛 李東濤 袁耀剛 于瑞軒 羅陳強(qiáng)

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

螺桿式壓縮機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制冷領(lǐng)域[1]。在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，需要向其工作腔內(nèi)噴入一定量的潤滑油,以達(dá)到冷卻被壓縮介質(zhì)、潤滑旋轉(zhuǎn)部件以及形成油膜減少泄漏作用[2,3]。因此，潤滑油的噴入量對壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵性作用。

目前螺桿式壓縮機(jī)回油的研究，主要集中在與機(jī)組系統(tǒng)相結(jié)合方面，很少單獨(dú)對壓縮機(jī)回油進(jìn)行詳細(xì)研究，但實(shí)際壓縮機(jī)自身回油可靠性是機(jī)組跑油的重要影響因素。在現(xiàn)有研究中，夏雨亮[4]介紹了螺桿壓縮機(jī)的回油方式和跑油原因，并提出了解決壓縮機(jī)跑油的方案，但主要是從機(jī)組系統(tǒng)方面進(jìn)行的研究分析；劉羽松[5]等主要對滿液式螺桿式冷水機(jī)組的回油設(shè)計及機(jī)組運(yùn)行控制進(jìn)行了探討,提出了在壓縮機(jī)內(nèi)置油分離器濾網(wǎng)之后再增加一種旋轉(zhuǎn)分離裝置來提高油分離效果，但未給出對比試驗(yàn)方法。因此，針對螺桿式壓縮機(jī)回油可靠性，很有必要對壓縮機(jī)單體進(jìn)行深入研究，通過建立有效的試驗(yàn)方法，來提前識別失油量大的壓縮機(jī)，進(jìn)而提出可行的優(yōu)化方案，提高壓縮機(jī)回油可靠性。

1 壓縮機(jī)的油分離原理

圖1 油分離過程示意圖

1.1 壓縮機(jī)的測試系統(tǒng)

壓縮機(jī)內(nèi)置油分離器效率一般在95 %以上[6]，不可避免會造成壓縮機(jī)內(nèi)少量潤滑油進(jìn)入系統(tǒng)，對此，需要通過額外補(bǔ)油方式來彌補(bǔ)這部分失油，而只有當(dāng)補(bǔ)油量大于失油量時，壓縮機(jī)才不會出現(xiàn)缺油故障。因此，為了能定量評價壓縮機(jī)在何種工況下最容易失油，且使壓縮機(jī)失油檢測結(jié)果更符合實(shí)際使用條件，通過模擬機(jī)組系統(tǒng)搭建了壓縮機(jī)單體測試系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)單體測試系統(tǒng)示意圖

壓縮機(jī)單體測試系統(tǒng)主要由冷煤循環(huán)系統(tǒng)和油循環(huán)系統(tǒng)組成。其中油循環(huán)系統(tǒng)由外置高效油分離器、油板換、調(diào)節(jié)閥、流量計、溫度/壓力傳感器等組成。外置油分離器效率達(dá)99 %以上，同時，考慮到外置油分離器屬于對壓縮機(jī)排氣中少量的殘余潤滑油進(jìn)行二次分離，可將其當(dāng)作效率為100 %的理想油分離器。當(dāng)壓縮機(jī)測試運(yùn)行時，系統(tǒng)外置油分離器將壓縮機(jī)排氣中的油和冷煤分離。高溫高壓冷媒從油分離器頂部進(jìn)入冷凝器，在冷卻水作用下變?yōu)橐簯B(tài)冷煤，并測量其流量。然后使其在一個氣體冷卻器中于低壓側(cè)壓力下再蒸發(fā)，用以冷卻經(jīng)降壓的剩余循環(huán)蒸氣，由此形成冷媒總流量。而從排氣中分離出來的潤滑油進(jìn)入油板換并冷卻到目標(biāo)值后，通過油分離器出口與吸氣口壓力差進(jìn)行補(bǔ)油，同時，油循環(huán)系統(tǒng)上的調(diào)節(jié)閥和金屬流量計用來控制和檢測補(bǔ)油量，即壓縮機(jī)的失油量，如此循環(huán)運(yùn)行，以檢測不同工況下壓縮機(jī)的失油量，從而來評價壓縮機(jī)回油可靠性。

1.2 試驗(yàn)方法的研究和建立

1.2.1 運(yùn)行工況的確定

試驗(yàn)采用某樣品螺桿式壓縮機(jī)，制冷劑為R134a，試驗(yàn)前壓縮機(jī)冷凍油加油量為28 L，分別在名義工況、最大制冷工況、低壓差工況下進(jìn)行驗(yàn)證。壓縮機(jī)開機(jī)前，先將油循環(huán)系統(tǒng)上的調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，然后分別在制定的3種工況下開機(jī)運(yùn)行，直至壓縮機(jī)報缺油故障，記錄時間T，即失油時間，失油時間代表著壓縮機(jī)失油難易程度，失油時間越短代表壓縮機(jī)越容易失油，反之，則代表壓縮機(jī)越難失油。

表1是壓縮機(jī)在不同工況下測得的失油時間。從表1中可以看出，壓縮機(jī)在低壓差工況下失油時間最短，為9 min，名義和最大制冷工況下失油時間較長，分別為39 min和37 min。低壓差工況下壓縮機(jī)失油速度比名義工況快了近4.3倍，說明在低壓差工況下壓縮機(jī)最容易失油。主要原因是容積式螺桿壓縮機(jī)在吸排氣管徑不變的情況下，吸氣體積流量相同，而排氣體積流量與壓比有關(guān)，壓比越小，排氣體積流量越大，對應(yīng)的流體流速就越快。從表1可以看出，低壓差工況下，蒸發(fā)溫度高，冷凝溫度低，壓比為1.54，明顯小于名義和最大制冷工況的壓比。因此，對應(yīng)的排氣速度就更快。當(dāng)油氣混合物流速過快時，在油分桶、濾網(wǎng)等障礙物表面碰撞和聚集的油滴就難以沉降分離，會被高速流動的氣體帶入系統(tǒng)，從而導(dǎo)致低壓差工況下壓縮機(jī)出現(xiàn)快速失油現(xiàn)象。

表1 壓縮機(jī)不同工況下的失油時間

1.2.2 失油量的確定

壓縮機(jī)運(yùn)行過程需要額外進(jìn)行補(bǔ)油，補(bǔ)油量過少容易造成壓縮機(jī)缺油，補(bǔ)油量過多會使得壓縮機(jī)油槽維持滿油位假像，導(dǎo)致無法判斷壓縮機(jī)是否回油不良。根據(jù)前文驗(yàn)證低壓差工況下壓縮機(jī)最容易失油，試驗(yàn)工況定為低壓差工況，每款樣品壓縮機(jī)測3臺，取平均值，以此來確定各壓縮機(jī)的失油量。壓縮機(jī)開機(jī)測試過程，先將回油調(diào)節(jié)閥關(guān)小降低補(bǔ)油量，待壓縮機(jī)油位下降后再逐漸開大回油調(diào)節(jié)閥來提高補(bǔ)油量，直到壓縮機(jī)視液鏡中的油位持續(xù)穩(wěn)定，記錄此時的補(bǔ)油量，即為壓縮機(jī)的失油量。

表2是低壓差工況下測得的各型號壓縮機(jī)的失油量。從表中可以看出，不同型號壓縮機(jī)的失油量有一定差別，樣品5壓縮機(jī)失油量最大，平均失油量為340 kg/h，其他型號壓縮機(jī)失油量較小，最小平均失油量為56 kg/h。從排氣含油率計算公式可知，失油量與排氣含油率成正比，失油量越大，含油率越高，即壓縮機(jī)油分離效率越低。因此，壓縮機(jī)失油量的定量檢測可作為識別同型號壓縮機(jī)回油不良的重要參數(shù)依據(jù)，同時，也可用于指導(dǎo)機(jī)組補(bǔ)油量設(shè)計以及壓縮機(jī)油分離效率的優(yōu)化。

1) 分裂:分裂是將數(shù)控機(jī)床熱誤差數(shù)據(jù)分割成相互關(guān)聯(lián)的奇偶兩部分，即ej-1(偶部分)和oj-1(奇部分)。

表2 不同型號壓縮機(jī)的失油量

其中，排氣含油率公式：

式中：

λ—排氣含油率；

Qoil—排氣潤滑油質(zhì)量流量，即失油量，單位為kg/h；

Qref—制冷劑質(zhì)量流量，單位為kg/h。

2 壓縮機(jī)回油結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

通過壓縮機(jī)失油量的檢測，確定樣品5壓縮機(jī)失油量偏大，對壓縮機(jī)回油結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并結(jié)合有限元分析，發(fā)現(xiàn)排氣管結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致失油量大的最主要因素。

圖3是優(yōu)化前樣品5壓縮機(jī)油分結(jié)構(gòu)以及氣體流速仿真圖。從圖3（b）上可以看出，壓縮機(jī)排氣聚集成一股氣流在油分桶內(nèi)擾動，在經(jīng)過油分濾網(wǎng)前未被打散，氣流流速未見明顯下降，絕大部分氣流經(jīng)過濾網(wǎng)流速大于0.4 m/s，導(dǎo)致撞擊吸附在濾網(wǎng)上的油滴被高流速氣體帶走，從而造成濾網(wǎng)油分離效率明顯下降，失油量大問題。

圖3 優(yōu)化前油分結(jié)構(gòu)及氣體流速仿真圖

針對經(jīng)過濾網(wǎng)前排氣流速過快問題，對壓縮機(jī)內(nèi)部排氣管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究了一種多孔均氣管結(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示。多孔均氣管結(jié)構(gòu)可以將原有集中的氣流打散成多股分散的氣流，使經(jīng)過油分濾網(wǎng)的有效面積增加，同時大幅度降低油氣混合物流速，從而使濾網(wǎng)上碰撞聚集的油滴有效沉降分離，以達(dá)到降低壓縮機(jī)的失油量，如圖4（b）所示。

圖4 優(yōu)化后油分結(jié)構(gòu)及氣體流速仿真圖

表3是樣品5壓縮機(jī)在低壓差工況下測得的壓縮機(jī)內(nèi)部排氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后失油時間和失油量數(shù)據(jù)。從表中可以看出，壓縮機(jī)內(nèi)部排氣管優(yōu)化為多孔均氣管結(jié)構(gòu)后，壓縮機(jī)失油時間延長了3.8倍，失油量下降了近56.2 %，有效改善了壓縮機(jī)失油量大的問題。

表3 優(yōu)化前后壓縮機(jī)失油時間和失油量表

3 結(jié)論

1）本文通過螺桿式壓縮機(jī)油分離原理的研究，建立壓縮機(jī)單體失油試驗(yàn)方法，驗(yàn)證確定了壓縮機(jī)在低壓差工況下最容易失油。

2）通過對不同型號壓縮機(jī)失油量的試驗(yàn)驗(yàn)證，在低壓差工況下，可以定量檢測壓縮機(jī)的失油量，對分析改進(jìn)壓縮機(jī)油分離效率具有重要指導(dǎo)作用。

3）通過對失油量大壓縮機(jī)的回油結(jié)構(gòu)分析，并結(jié)合氣體流速仿真，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)內(nèi)部排氣管結(jié)構(gòu)影響油分離效率。通過將排氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化為多孔均氣管結(jié)構(gòu)，可大幅度延長壓縮機(jī)失油時間，降低失油量，從而提高壓縮機(jī)回油可靠性。