輕商用大規(guī)格變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的開發(fā)

1 市場背景

近些年來，多聯(lián)機(jī)技術(shù)不斷提升，價格持續(xù)下降。隨著人們收入增加及對高品質(zhì)生活的追求，消費者對多聯(lián)機(jī)的青睞程度增加，同時家電企業(yè)對多聯(lián)機(jī)的資源及研發(fā)投入、終端推廣等推動了國內(nèi)多聯(lián)機(jī)市場迅速發(fā)展。2014年以來多聯(lián)機(jī)市場的增長率見圖1。

隨著多聯(lián)機(jī)市場份額的快速擴(kuò)大，吸引了越來越多的企業(yè)不斷加入，競爭越演越烈。從定頻到變頻再到渦旋，從風(fēng)冷到水冷，多聯(lián)機(jī)技術(shù)的不斷提高推動著中國多聯(lián)機(jī)市場的繁榮和發(fā)展。

目前市場上的多聯(lián)機(jī)主要有數(shù)碼多聯(lián)機(jī)和變頻多聯(lián)機(jī)。數(shù)碼多聯(lián)機(jī)的壓縮機(jī)為谷輪的數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)，它不需要變頻控制器，通過控制動靜渦盤在單位時間內(nèi)的接觸和分離時間來控制冷媒流量，以變?nèi)萘康姆绞絹磉m應(yīng)負(fù)載的變化。其優(yōu)點是無電磁輻射、利于回油等；其缺點是控制動靜盤接觸和分離的閥動作頻繁，壽命短，控制也較復(fù)雜。2015年所占份額約1%，2016年所占份額不足0.7%，逐漸被淘汰。

變頻多聯(lián)機(jī)分為交流變頻多聯(lián)機(jī)和直流變頻多聯(lián)機(jī)，由于直流變頻壓縮機(jī)性能優(yōu)于交流變頻多聯(lián)機(jī)，目前市場上以直流變頻多聯(lián)機(jī)為主。其壓縮機(jī)主要為變頻渦旋壓縮機(jī)，但由于變頻旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)改變工況性能的優(yōu)勢和其技術(shù)的不斷進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的應(yīng)用越來越受到重視。

另外，近幾年北方“煤改電”等政策的落實，使得空氣源熱泵發(fā)展迅猛，2016年，空氣源熱泵占“煤改電”戶數(shù)的76.28%。受到采暖產(chǎn)品快速發(fā)展的影響，商用機(jī)產(chǎn)品的占比迅速提升。2017年上半年商用機(jī)占比達(dá)到54.6%，在2016年同期商用機(jī)占比僅為35.6%。2017年上半年空氣源熱泵在整體熱水和采暖市場的規(guī)模再次提升。預(yù)計2017年全年空氣源熱泵采暖占據(jù)整體采暖市場41.6%份額，與壁掛爐55%的市場份額相比幾乎平分秋色。

無論多聯(lián)機(jī)市場還是熱泵采暖市場，近幾年均發(fā)展迅速，大規(guī)格轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)作為強(qiáng)有力的競爭對手，發(fā)展也較快，因此開發(fā)高效、高可靠性、低噪音的大規(guī)格壓縮機(jī)非常重要。

2 渦旋壓縮機(jī)與轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的差異

渦旋壓縮機(jī)是利用動靜渦旋盤的相對公轉(zhuǎn)運動形成封閉容積的連續(xù)變化，實現(xiàn)壓縮氣體的目的。旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)是利用一個偏心曲軸，帶動活塞在汽缸內(nèi)轉(zhuǎn)動來縮小工作容積，以實現(xiàn)氣體的壓縮。圖3和圖4為渦旋壓縮機(jī)和轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的示意圖，其優(yōu)缺點見表1所示。

3 IPLV與APF標(biāo)準(zhǔn)的差異

2016年7月1日，國家相關(guān)部門開始正式實施GB/T 18837-2015能效標(biāo)準(zhǔn)，在此標(biāo)準(zhǔn)中明確提出了關(guān)于APF相關(guān)要求，并明確了APF測試的各數(shù)據(jù)的計算方法及測試要求。該標(biāo)準(zhǔn)的實施，提高了行業(yè)的準(zhǔn)入門檻，同時推動了中央空調(diào)廠家的技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展，屆時，多聯(lián)機(jī)一直沿用的IPLV值的能效標(biāo)簽將正式退出歷史舞臺，由更能體現(xiàn)空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)示APF值代替。

IPLV（integrated part load value）綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)，是用一個單一數(shù)值表示機(jī)組的部分負(fù)荷效率指標(biāo)，按機(jī)組在規(guī)定的IPLV工況下在各負(fù)荷運行時間的加權(quán)因素。

其中：A=機(jī)組100%負(fù)荷時的效率；B=機(jī)組75%負(fù)荷時的效率；C=機(jī)組50%負(fù)荷時的效率；D=機(jī)組25%負(fù)荷時的效率

a、b、c、d ：

嚴(yán)寒地區(qū)：1.0%、32.7%、51.2%、15.1%；

寒冷地區(qū)：0.7%、36.2%、53.4%、9.8%；

夏熱冬冷地區(qū)：2.3%、38.6%、47.2%、11.9%；

夏熱冬暖地區(qū)：0.7%、46.3%、41.7%、11.3%；

全國加權(quán)平均：1.3%、40.1%、47.3%、11.3%。

備注1：部分負(fù)荷百分?jǐn)?shù)計算基準(zhǔn)是名義制冷量

備注2：部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV代表了平均的單臺機(jī)組的運行工況，可能不代表一個特有的工程安裝實例。[3]

APF (annual performance factor)全年性能系數(shù)。

在制冷季節(jié)及制熱季節(jié)中，機(jī)組進(jìn)行制冷（制熱）運行時從室內(nèi)除去的熱量及向室內(nèi)送入的熱量之和與同一期間內(nèi)消耗的電量總和之比。

CSTL——在制冷季節(jié)中，機(jī)組從封閉空間、房間或者區(qū)域內(nèi)除去的熱量總和；

HSTL——在制熱季節(jié)中，機(jī)組向封閉空間、房間或者區(qū)域內(nèi)送入的熱量總和；

CSTE——在制冷季節(jié)中，機(jī)組進(jìn)行制冷運行時所消耗的電量總和；

HSTE——在制熱季節(jié)中，機(jī)組進(jìn)行制熱運行時所消耗的電量總和。

圖1 2014年-2017上半年多聯(lián)機(jī)市場增長率對比圖

圖2 2012-2016年中國多聯(lián)機(jī)市場規(guī)模

圖3 渦旋式壓縮機(jī)

圖4 轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)

從上述可以得到，相比IPLV標(biāo)準(zhǔn)，APF更加全面更加準(zhǔn)確地評價了一款機(jī)組的節(jié)能性。一款壓縮機(jī)APF優(yōu)越，是要求在全工況制冷及制熱下COP性能高，即變頻壓縮機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率比較高，因此從圖5也可以得到，相比渦旋式壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的綜合效率更優(yōu)，在以APF標(biāo)準(zhǔn)評價多聯(lián)機(jī)機(jī)組性能的時代，轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)更具優(yōu)越性。

圖5 全轉(zhuǎn)速范圍轉(zhuǎn)子式與渦旋式壓縮機(jī)綜合效率比較

圖8 有無第三支撐對曲軸變形影響

4 開發(fā)大規(guī)格轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 軸系結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計

常規(guī)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示，壓縮機(jī)由壓縮部件、電機(jī)組件、殼體、上下殼蓋和儲液器組成。壓縮部件位于電機(jī)下方，通過上缸蓋與殼體連接，定子通過熱套方式與殼體連接，該結(jié)構(gòu)我司從1hp到5hp，相對比較成熟。但目前要開發(fā)大規(guī)格的直流變頻大壓縮機(jī)應(yīng)用在輕商領(lǐng)域，目標(biāo)定為16hp～20hp，相比量產(chǎn)的機(jī)種，排量、能力、轉(zhuǎn)速、負(fù)載均向上拓展，但壓縮機(jī)的軸徑、殼徑受限，因此常規(guī)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)無法滿足要求。

大規(guī)格直流變頻壓縮機(jī)由于裝配時存在偏心，在高速運轉(zhuǎn)時，較大的離心力和單邊電磁拉力會造成曲軸變形，可能會造成定轉(zhuǎn)子之間間隙過小，發(fā)生異常。為了整機(jī)的軸系更穩(wěn)定，故采用在曲軸長軸末端增加一個支撐結(jié)構(gòu)，以此來保證壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)的可靠性，同時可以降低該壓縮機(jī)在高轉(zhuǎn)速的噪音值，使其與渦旋壓縮機(jī)相比更具競爭力。

表1 渦旋式壓縮機(jī)與轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的優(yōu)缺點比較

表2 不同的排氣結(jié)構(gòu)方案

表3 不同方案下閥片可靠性校核對比

該結(jié)構(gòu)與常規(guī)壓縮機(jī)相比增加了第三支撐，見圖7。

從圖8、圖9中可以得到，增加第三支撐后，在高轉(zhuǎn)速運行時曲軸的變形量明顯下降，同時主支撐所受的接觸壓力顯著地減小，這樣大大改善了定轉(zhuǎn)子處的間隙和主支撐的軸受，提高了壓縮機(jī)的可靠性。

4.2 長配管安裝狀態(tài)下的出油率控制

結(jié)合空調(diào)多聯(lián)機(jī)的實際應(yīng)用，如多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)運行時，部分潤滑油會隨著制冷劑一起排出壓縮機(jī)，進(jìn)入到系統(tǒng)配管、冷凝器和蒸發(fā)器中，要維持油的動態(tài)平衡，才能確保壓縮機(jī)不缺油。這對多聯(lián)機(jī)尤其是超長配管系統(tǒng)的多聯(lián)機(jī)，顯得尤為重要。

目前我司開發(fā)的大規(guī)格轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(jī)通過對出油孔大小角度優(yōu)化、油孔型式改進(jìn)（已申請專利）、氣流通道特殊設(shè)計（已申請專利）及分離路徑優(yōu)化使得油循環(huán)率在目前相近規(guī)格的壓縮機(jī)中具有優(yōu)勢，見圖10，使得該壓縮機(jī)潤滑油動態(tài)平衡。

4.3 噪音低減優(yōu)越性

大規(guī)格轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)主要競爭對手是渦旋壓縮機(jī)，其在噪音方面相比轉(zhuǎn)子式優(yōu)勢明顯，在設(shè)計上采用獨特的專利技術(shù)，第三輔助支撐結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速下軸系的穩(wěn)定性提升，同時還需更優(yōu)越的降低噪音手段。獨特材料制成消音棉、隔音罩使得噪音低減效果明顯，詳見圖11。

4.4 排氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

大規(guī)格的轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速高排氣量大，對排氣結(jié)構(gòu)要求較高。針對排氣閥片、閥片擋板進(jìn)行有效分析，提高閥系可靠性是非常必要的。

根據(jù)壓縮機(jī)閥片實際運動過程，可能的失效模式有：

（1）閥片開啟并靠近擋板的彎曲卷繞過程中，彎曲應(yīng)力過大，高周彎曲后疲勞失效造成閥片斷裂。（常見實效形式為頸部斷裂）

（2）閥片對擋板及PIECE-D的沖擊接觸，接觸應(yīng)力過大，一定次數(shù)后造成閥片破損。（常見失效形式為閥片頭部破裂）

（3）在排氣口流出的氣體作用下，閥片出現(xiàn)不規(guī)則的顫振，常伴隨異常音，閥片不規(guī)則運動，因此可能形成各種異常的失效。

因此主要通過對排氣結(jié)構(gòu)處進(jìn)行合理設(shè)計，使得彎曲應(yīng)力、沖擊應(yīng)力、及閥片運動速度均滿足要求。

對排氣結(jié)構(gòu)的幾個不同方案，進(jìn)行閥片可靠性校核分析見表2、表3。

圖9 有無第三支撐對主支撐受力影響

圖10 不同機(jī)型的壓縮機(jī)油循環(huán)率（OCR）對比

圖11 不同降噪手段下的噪音OA值比較

由表2、表3可見，增加閥片寬度可以有效降低閥片的彎曲應(yīng)力；加大閥片厚度，閥片所受的彎曲應(yīng)力上升，但是閥片沖擊速度及沖擊應(yīng)力大大減??；降低擋板升程，對閥片的受力大大減小，閥片運動速度、彎曲應(yīng)力、沖擊應(yīng)力均減小，因此在性能不降低的前提條件下，保證大規(guī)格轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的閥系可靠性，可以通過合理設(shè)計閥片結(jié)構(gòu)及擋板形狀來實現(xiàn)。

5 總結(jié)

近幾年多聯(lián)機(jī)市場及低溫采暖市場均發(fā)展迅速，大規(guī)格轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)較渦旋壓縮機(jī)競爭優(yōu)勢明顯，所占比例來越大。作為強(qiáng)有力的競爭對手，開發(fā)高效、高可靠性、低噪音的大規(guī)格轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)是非常必要的。（大規(guī)格轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)主要的關(guān)鍵技術(shù)點為：（1）設(shè)計高可靠性的軸系結(jié)構(gòu)，我司通過應(yīng)用獨特的第三支撐結(jié)構(gòu)使得軸系運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同時高轉(zhuǎn)速下定轉(zhuǎn)子氣隙更均勻；（2）設(shè)計優(yōu)越的泵油系統(tǒng)或油循環(huán)路徑，使得潤滑油達(dá)到動態(tài)平衡，在長配管的安裝條件下，保證壓縮機(jī)內(nèi)部潤滑；（3）高效地低噪音設(shè)計或者降噪手段；（4）較高的閥系結(jié)構(gòu)可靠性。除此之外，低溫采暖用壓縮機(jī)的噴射結(jié)構(gòu)設(shè)計、長時間高溫度高負(fù)荷狀態(tài)下零部件的材料選擇、液壓縮及油粘度控制等等問題也是關(guān)注重點，篇幅所限，不再贅述。

參考文獻(xiàn)

[1] 繆道平, 吳業(yè)正. 《制冷壓縮機(jī)》, 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008年第一版.

[2] 馬國遠(yuǎn), 李紅旗. 《旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)》, 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003年第一版.

[3] 《公共建設(shè)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（公共建筑部分）》.