殷偉豪 顏魯齊 葉俊奇

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

滾動轉子式壓縮機具有體積小、結構簡單、運轉平穩(wěn)、噪音低等優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛應用于小型冷藏、空調以及制冷機組等方面。滾動轉子壓縮機在吸氣、壓縮、排氣循環(huán)中完成周期性的運動，在這個循環(huán)往復的周期性運動中產(chǎn)生的現(xiàn)象，往往是壓縮機內(nèi)部最真實的反映。通過對這些現(xiàn)象的深入研究和分析，可以徹底摸清壓縮機內(nèi)部“黑匣子”的運轉規(guī)律及熱力學變化規(guī)律、摩擦損耗功率等現(xiàn)象，才能從本質上解決壓縮機出現(xiàn)的問題，從而對壓縮機進行優(yōu)化改進，以提高其性能和效率。本文研究的滾動轉子式壓縮機排氣末端的尖峰現(xiàn)象就是壓縮腔內(nèi)部工作過程中的一種現(xiàn)象，對后續(xù)分析滾動轉子式壓縮機的運轉規(guī)律和計算各項損耗功率有重要意義。

1 結構組成與工作原理

一般來說，滾動轉子式壓縮機主要由六大部分組成，包括殼體組件、泵體組件、電機、上蓋組件、下蓋以及分液器。其中，泵體組件由曲軸、氣缸、滾子、滑片、上法蘭、下法蘭等零件組成。

滾動轉子式壓縮機在氣缸徑向方向上設有不帶吸氣閥的吸氣孔口和帶有排氣閥的排氣孔口，轉子裝在曲軸偏心軸上，轉子沿氣缸內(nèi)壁滾動，與氣缸間形成一個月牙形的工作腔，滑片靠彈簧的作用力使其端部與轉子緊密接觸，將月牙形工作腔分隔為兩部分，滑片隨轉子的滾動沿滑片槽道作往復運動，上、下法蘭與氣缸內(nèi)壁、轉子外壁、切點、滑片等構成封閉的氣缸容積，即基元容積，其容積大小隨轉子轉角變化，容積內(nèi)氣體的壓力則隨基元容積的大小而改變，從而完成壓縮機的工作過程。簡單來說，滾動轉子式壓縮機的工作原理就是吸氣、壓縮、排氣的往復循環(huán)。

2 試驗研究方案設計

2.1 試驗樣機設計

根據(jù)滾動轉子式壓縮機的結構特點，分別在壓縮機合適位置處安裝測試傳感器，以便采集信號數(shù)據(jù)作研究。本試驗研究布置測點位置包括：吸氣口、排氣口、曲軸尾端。吸氣口處布置壓力傳感器采集吸氣壓力；排氣口處布置壓力傳感器采集排氣壓力；曲軸尾端布置位移傳感器采集曲軸轉角數(shù)據(jù)。單缸滾動轉子式壓縮機試驗樣機與傳感器布置示意圖如圖1所示。其中雙缸與雙級增焓滾動轉子式壓縮機測點布置位置也基本一致。

2.2 測試系統(tǒng)搭建

該研究以轉子式壓縮機作為測試數(shù)據(jù)源，整個試驗方案包括硬件與軟件的設計。其中硬件部分包括位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡的選用，其作為數(shù)據(jù)采集的媒介。軟件部分是PC上位測試系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)將采集到的信號數(shù)據(jù)進行解碼分析進而顯示與保存信號數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)及其流程示意如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)流程圖

3 數(shù)據(jù)結果分析

本次試驗研究分別對單缸、雙缸以及雙級增焓滾動轉子式壓縮機進行了不同工況下的測試，并采集了相關測試信號數(shù)據(jù)。以下從幾個方面對測試數(shù)據(jù)進行分析對比，研究滾動轉子式壓縮機排氣特性的現(xiàn)象規(guī)律。

3.1 測試信號曲線

通過對測試數(shù)據(jù)的處理分析，得到了單缸、雙缸以及雙級增焓滾動轉子式壓縮機的信號曲線圖，如圖3所示。進一步對比發(fā)現(xiàn)，無論是單缸還是雙缸或者是雙級增焓滾動轉子式壓縮機，它們的排氣曲線末端均出現(xiàn)了一個尖峰現(xiàn)象，且尖峰幅度值相對較大，如下各圖箭頭指向處所示。這是一個較為奇怪且有規(guī)律的現(xiàn)象，值得深入研究。據(jù)初步分析，有可能是壓縮機氣缸內(nèi)部介質的二次壓縮造成的現(xiàn)象。但是，下文通過測試數(shù)據(jù)的深入對比分析發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象是其它原因造成的。

圖3 單缸、雙缸、雙級增焓滾動轉子式壓縮機信號曲線

3.2 數(shù)據(jù)對比分析

3.2.1 單缸滾動轉子式壓縮機測試數(shù)據(jù)分析

對單缸滾動轉子式壓縮機設計了同工況與不同工況下的兩種測試方案。由于本文篇幅有限，此處僅討論同工況下的方案（不同工況下方案測試結果基本一致）。對同工況下的排氣曲線末端的尖峰進行了取值分析，如表1所示，并描繪了它們的排氣信號曲線和閥片升程曲線（排氣曲線從下到上分別是30 Hz、60 Hz、90 Hz，閥片升程曲線從下到上分別是30 Hz、60 Hz、90 Hz），如圖4所示。

從圖4和表1可以看出，排氣曲線末端尖峰峰值與頻率存在很大關系,隨著頻率的增加，其末端尖峰峰值也越大，說明該尖峰幅值受頻率影響較大。另外，尖峰起止角度基本保持在310°～340°角度范圍內(nèi)，而此處位置剛好是測試排氣壓力傳感器處的安裝位置，如圖5所示，傳感器位于353.2°～336.8°角度范圍區(qū)間內(nèi)，與尖峰起止角度基本一致。因此，可以推斷尖峰現(xiàn)象必定是傳感器安裝位置處引起的。

圖4 同工況不同頻率下滾動轉子式壓縮機信號曲線對比

圖5 排氣壓力傳感器在氣缸上的安裝位置示意圖

表1 同工況不同頻率下排氣曲線末端峰值差值

另一方面，從圖4各排氣和閥片升程曲線可以看出，壓縮機壓縮結束排氣開始時，閥片受壓差力作用，打開閥片開始排氣，其升程達到一個較高的高度，同時排氣也產(chǎn)生了第一個較大的尖峰。但是，當閥片在排氣結束將要關閉的時候（即排氣末端尖峰處）卻沒有產(chǎn)生相應的波動響應。如果是壓縮機氣缸內(nèi)部介質的二次壓縮現(xiàn)象，則閥片升程曲線必會相應產(chǎn)生一個較大的波動響應。因此，從這個分析結果上看，排氣末端產(chǎn)生的壓力波動（即尖峰）并不是壓縮腔內(nèi)實際產(chǎn)生的高壓（即二次壓縮），是由其它原因引起的。

3.2.2 雙缸滾動轉子式壓縮機測試數(shù)據(jù)分析

雙缸滾動轉子式壓縮機產(chǎn)生的現(xiàn)象與單缸滾動轉子式壓縮機一致，如圖4所示。其上、下氣缸排氣末端均會產(chǎn)生尖峰現(xiàn)象。只是上、下氣缸的位置不太一致，上氣缸置于壓縮機上部，下氣缸置于壓縮機下部。從圖6可以看出，運行頻率越高，上缸排氣曲線末端尖峰值也越高，下缸規(guī)律一致。其上、下氣缸的尖峰值壓力差值與單缸滾動轉子式壓縮機的基本一致。另外，從圖6可以看出，尖峰起止角度范圍是270°～310°之間，也與傳感器安裝位置保持一致。

圖6 同工況不同頻率雙缸滾動轉子式壓縮機曲線對比

3.2.3 雙級增焓滾動轉子式壓縮機測試數(shù)據(jù)分析

雙級增焓滾動轉子式壓縮機的數(shù)據(jù)分析相對比較復雜，因為涉及到開/關增焓的情況。以下就從不同工況下與同工況下的開/關增焓的兩種情況進行對比分析，分析排氣末端尖峰現(xiàn)象有哪些規(guī)律和原因。

1）不同工況下（開增焓）測試數(shù)據(jù)結果分析

通過圖7和表2分析得知，隨著壓比的增大，該峰值壓力變化就越大，壓比越小，峰值差值越小。同等壓比時，頻率越高，峰值壓力變化越大，輕工況頻率低，壓比，峰值小。不同工況下壓力增大開始角度和峰值角度基本相同，與傳感器安裝位置保持一致。

圖7 不同工況下（開增焓）一級排氣及其背壓壓力曲線

表2 不同工況下排氣末端峰值差值對比

2）同工況下開/關增焓測試數(shù)據(jù)結果分析

通過圖7～9和表3～4分析得知，同工況下,無論開/關增焓,其壓力變化的起始角度292°～300°之間,壓力異常峰值在333°附近，也與傳感器安裝位置一致；同工況下無論開關增焓,其壓力峰值與谷值差與頻率呈線性關系；同工況下，隨著頻率的增加，壓縮過程曲線重合，排氣過程曲線在排氣開始后開始分離，頻率越高，分離越大，頻率越高尾部峰值越大。

表3 同工況不同頻率開/關增焓尖峰處壓力對應角度

表4 同工況不同頻率開/關增焓壓縮腔壓力與背壓關系

圖8 同工況不同頻率（開增焓）一級排氣與背壓壓力曲線

圖9 同工況不同頻率（關增焓）一級排氣與背壓壓力曲線

3）雙級增焓壓縮機容積變化率及末端容積分析

通過壓縮機的設計參數(shù)計算，可以得到雙級增焓滾動轉子式壓縮機下氣缸容積變化率曲線圖，如圖10所示。尾部高壓產(chǎn)生的角度一般都在容積變化率比較小的地方，對比閥片升程曲線可知，此時閥片仍然處于開啟狀態(tài)。容積變化率小說明壓縮腔壓力變化平緩，但此時壓縮腔容積會越來越小，此處可能存在大量從分液器回來的潤滑油，進行在傳感器平面圓形頭部與氣缸圓弧內(nèi)壁形成的狹小空腔內(nèi)堆積，因為油是不可壓縮的，當滾子掃過傳感器頭部時，必會產(chǎn)生局部高壓。

圖10 雙級增焓滾動轉子式壓縮機下氣缸容積變化率曲線

3.2.4 軟件仿真測試數(shù)據(jù)分析

通過壓縮機仿真軟件的仿真計算得到的單缸滾動轉子式壓縮機排氣曲線，如圖11所示，其末端是沒有產(chǎn)生尖峰現(xiàn)象的，即排氣結束后平滑過渡且閥片關閉，無二次壓縮機現(xiàn)象。所以，從仿真計算的曲線也可以看出該尖峰現(xiàn)象并非是壓縮機內(nèi)部制冷劑介質真實壓力體現(xiàn)。

圖11 壓縮機仿真軟件仿真數(shù)據(jù)

4 結論

通過閥片升程及中間腔背壓的壓力曲線可以看出，如果該壓力是壓縮腔內(nèi)由于容積變化產(chǎn)生的壓力上升，則排氣閥片升程曲線對應處的角度位置必定有較大響應波動，同時該位置處背壓曲線也肯定會有相應較大幅度波動響應，但根據(jù)測試數(shù)據(jù)的曲線表明閥片升程曲線沒有較大響應波動，背壓曲線也沒有發(fā)生較大的壓力波動變化。由此可以判定該壓力上升不是真實腔內(nèi)壓力變化所導致。同時，該尖峰壓力角度處在壓縮腔容積變化率最小的階段，壓縮腔不可能產(chǎn)生由于容積變化導致的較大的壓力上升。而且，不管是單缸，雙缸或者是雙級增焓滾動轉子式壓縮機，其排氣末端的尖峰起止角度基本保持在300°～340°角度范圍內(nèi)，而此處位置剛好是測試排氣壓力傳感器處的安裝位置，與尖峰起止角度基本一致。因此，也可以推斷尖峰現(xiàn)象必定是由傳感器安裝位置處引起的。

按照上述分析得到以下結論：排氣末端尖峰現(xiàn)象為局部壓油產(chǎn)生的假壓縮現(xiàn)象，因為滾動轉子式壓縮機壓縮腔內(nèi)存在大量從分液器帶回來的潤滑油，這些潤滑油在傳感器的平面圓形頭部與氣缸圓弧內(nèi)壁形成的狹小空腔內(nèi)堆積。因為油是不可壓縮的，當滾子掃過傳感器頭部時，必會產(chǎn)生局部高壓。所以，排氣末端尖峰現(xiàn)象并不是壓縮腔內(nèi)真實的壓力體現(xiàn)。

另外，通過對比分析軟件仿真分析得到的數(shù)據(jù)來看，其末端是沒有產(chǎn)生尖峰現(xiàn)象的，即排氣結束后平滑過渡且閥片關閉，無二次壓縮機現(xiàn)象。

本文深入分析了滾動轉子式壓縮機排氣末端的尖峰現(xiàn)象規(guī)律及其產(chǎn)生原因，對滾動轉子式壓縮機的功率損耗計算的準確性具有重要意義。特別是對于目前行業(yè)內(nèi)滾動轉子式壓縮機的研究越來越成熟，性能與效率越來越難以提高的狀況下，獲取準確的壓縮機內(nèi)部數(shù)據(jù)和功率損耗值極其關鍵。