杜 鑫，楊 旭，屈宗長(zhǎng)

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

1 引言

壓縮機(jī)是一種很重要的機(jī)械，一直以來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活的各個(gè)領(lǐng)域中，一般來說，壓縮機(jī)中都會(huì)加入潤(rùn)滑油來潤(rùn)滑、密封，以此保證壓縮機(jī)的可靠運(yùn)行。壓縮機(jī)完成氣體壓縮后，通常會(huì)將氣體和與之混合在一起潤(rùn)滑油進(jìn)行分離，方便后續(xù)使用。這種后續(xù)油氣分離的方式不可能將氣體中的油完全分離出來，而隨著社會(huì)發(fā)展，純凈的壓縮氣體需求越來越高，在一些特定的領(lǐng)域中，對(duì)壓縮氣體的含油量要求嚴(yán)格，甚至不允許氣體和潤(rùn)滑油直接接觸。例如大型汽車或者列車的制動(dòng)系統(tǒng)，如果氧氣在增壓過程中含有潤(rùn)滑油，將會(huì)引起爆炸，因此，為了制動(dòng)的安全可靠，必須采用無油壓縮機(jī)。在化工行業(yè)中，常常需要通過壓縮合成氣體，如果含油，可能導(dǎo)致合成的效率降低；而在分離貴重的稀有氣體時(shí)更是如此，無油壓縮機(jī)能夠保證氣體的純度。另外，在深冷領(lǐng)域里，氣體的溫度很低，已經(jīng)低于了潤(rùn)滑油的凝固點(diǎn)，潤(rùn)滑油無法使用，因此，深冷領(lǐng)域也需要無油壓縮機(jī)；在食品、醫(yī)療等領(lǐng)域，為了保證產(chǎn)品的衛(wèi)生條件，同樣需要無油壓縮機(jī)[1]。

在無油壓縮機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，無油渦旋壓縮機(jī)以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高等顯著特點(diǎn)，特別是動(dòng)靜渦盤間摩擦副較低的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，使其相較于其他類型的容積式壓縮機(jī)更適合于無油化運(yùn)行，這也使得無油渦旋壓縮機(jī)的研究也成為了熱點(diǎn)。

本文將從無油渦旋壓縮機(jī)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)分析出發(fā)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果，就無油渦旋壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析與闡述，并進(jìn)一步總結(jié)目前國(guó)內(nèi)無油渦旋壓縮機(jī)的技術(shù)瓶頸和發(fā)展方向。

2 無油渦旋壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

渦旋壓縮機(jī)作為一種常用的容積式壓縮機(jī)，目前在空氣動(dòng)力、制冷領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。無油渦旋壓縮機(jī)技術(shù)為需要純凈壓縮氣體的行業(yè)帶來了生機(jī)，依托于傳統(tǒng)的渦旋壓縮機(jī)技術(shù)，并借鑒了無油螺桿和無油活塞式壓縮機(jī)的成熟技術(shù)，無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展。然而還有一些關(guān)鍵性的技術(shù)需要進(jìn)一步的去研究。本節(jié)將討論一些無油渦旋壓縮機(jī)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

(1)密封和潤(rùn)滑

無油渦旋壓縮機(jī)由于在壓縮過程中沒有潤(rùn)滑油參與，密封性能和潤(rùn)滑性能相較于有油的傳統(tǒng)壓縮機(jī)有一定的下降。含油壓縮機(jī)可以在壓縮腔的泄漏處形成一層油膜來達(dá)到密封的效果，同時(shí)在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部位也存在著油膜來達(dá)到潤(rùn)滑的目的；而目前無油壓縮機(jī)只能追求更高的加工精度來減小泄漏間隙，再輔以密封條，來達(dá)到減少泄漏的目的[2]。加工精度涉及工藝上的問題，隨著相關(guān)加工技術(shù)的發(fā)展必將逐步得到提高。關(guān)于密封條也存在著需要解決的問題，密封條的結(jié)構(gòu)尺寸如何設(shè)計(jì)，如何最優(yōu)化密封條等。

(2)冷卻

含油壓縮機(jī)在壓縮過程中存在潤(rùn)滑油可以帶走壓縮腔內(nèi)的大部分熱量，并且潤(rùn)滑油也可以帶走渦盤等運(yùn)動(dòng)件的熱量，對(duì)冷卻壓縮機(jī)起到了重要作用。而無油壓縮機(jī)只能通過導(dǎo)熱來帶走壓縮腔以及運(yùn)動(dòng)部件的熱量，傳熱效果較差。如果沒有進(jìn)一步進(jìn)行冷卻，那么壓縮腔的溫度過高將導(dǎo)致壓縮過程趨于絕熱過程，壓縮機(jī)的性能下降、功耗變大，因此，對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)的冷卻研究是十分必要的。為了提高無油渦旋壓縮機(jī)的散熱能力，需要在壓縮機(jī)的外部進(jìn)行冷卻，渦旋壓縮機(jī)需要進(jìn)行外部冷卻的部件主要有3個(gè)：動(dòng)、靜渦盤、支架以及電機(jī)外殼。目前主要冷卻方式是風(fēng)冷，冷卻效果不是特別理想。另外也有加裝冷卻水循環(huán)的研究，這種冷卻方式效果更好，但是應(yīng)用受限。無油渦旋壓縮機(jī)的冷卻也是關(guān)鍵的技術(shù)問題。

(3)防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

渦旋壓縮機(jī)與其他回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)相比存在著公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)部件，即動(dòng)渦盤，這造成了渦旋壓縮機(jī)需要解決的特有問題：防自轉(zhuǎn)。在渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行過程中渦盤會(huì)受到氣體力的影響，產(chǎn)生了使動(dòng)渦盤繞主軸偏心線的自轉(zhuǎn)力矩，如果不能控制這個(gè)力矩，渦旋壓縮機(jī)將無法正常運(yùn)行。在傳統(tǒng)含油渦旋壓縮機(jī)中常常采用十字聯(lián)軸節(jié)、球形聯(lián)軸節(jié)、柱銷與孔聯(lián)軸節(jié)等防自轉(zhuǎn)的裝置，潤(rùn)滑油可以很好地潤(rùn)滑這些存在摩擦的防自轉(zhuǎn)裝置，提高可靠性和使用壽命。但是在無油渦旋壓縮機(jī)中，由于沒有潤(rùn)滑油的存在，這些防自轉(zhuǎn)裝置都不能應(yīng)用，必須采用無需外來潤(rùn)滑油的防自轉(zhuǎn)裝置。目前，無油渦旋壓縮機(jī)應(yīng)用最為廣泛的是小曲拐機(jī)構(gòu)。因此，小曲拐的工作原理、受力分析、運(yùn)動(dòng)特性等都需要進(jìn)行較為徹底地研究，提高無油渦旋的防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可靠性。

以上的一些問題是無油渦旋壓縮機(jī)特有的關(guān)鍵技術(shù)問題，而對(duì)于有油渦旋壓縮機(jī)來說的一些問題如型線等同樣對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)至關(guān)重要，目前對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)的研究有很多，下面將分類進(jìn)行綜述。

3 無油渦旋壓縮機(jī)密封和潤(rùn)滑的研究

密封和潤(rùn)滑是無油渦旋壓縮機(jī)的最突出問題，也是研究熱點(diǎn)，新型的密封結(jié)構(gòu)和計(jì)算模型逐漸被。

無油渦旋壓縮機(jī)的齒頂密封常見有光滑間隙密封、齒頂迷宮密封，王建吉和劉濤[3]對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，利用工程流體力學(xué)和幾何方法，對(duì)上述兩種密封結(jié)構(gòu)泄漏量的算法進(jìn)行了推導(dǎo)，隨后提出了一種新型的徑向組合密封結(jié)構(gòu)，并對(duì)其泄漏量進(jìn)行計(jì)算。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，建立了無油渦旋壓縮機(jī)相鄰壓縮腔實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別測(cè)量了光滑間隙密封、齒頂迷宮密封、齒頂組合密封3種密封結(jié)構(gòu)在相同壓差條件下的泄漏量。理論計(jì)算的泄漏量與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的泄漏量基本吻合，其中隨著壓差的增大，光滑密封和迷宮密封的泄漏量增大，而組合密封的泄漏量減少。這表明在壓差比較大的壓縮機(jī)里，組合密封的小泄漏量更具優(yōu)勢(shì)。但是這種組合密封在壓差較大的情況下密封條的磨損也較大，因此使用壽命會(huì)受到影響，若要采用這種密封結(jié)構(gòu)，需要更加耐磨的材料作密封條。

李海生等[4-6]還提出了另外一種軸向間隙的密封結(jié)構(gòu)。如圖1所示，此密封結(jié)構(gòu)由密封槽、彈簧、自潤(rùn)滑的密封條構(gòu)成。密封槽在渦旋齒頂處開設(shè)，在密封槽內(nèi)裝有彈簧和密封條。彈簧施加彈簧力，背壓氣體力施加壓力，使得密封條與渦盤接觸，而渦齒兩側(cè)的壓差力使得密封條緊靠在密封槽壁面，實(shí)現(xiàn)了渦齒兩側(cè)的密封。這種密封結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，為了方便分析，該團(tuán)隊(duì)建立了簡(jiǎn)化的力學(xué)模型。結(jié)果表明，在壓差力為0的情況下，彈簧力為密封條提供了支撐力，可以依據(jù)此工況的條件來設(shè)計(jì)彈簧位移。在壓差力存在的情況下，彈簧力的作用逐漸減小，壓差力成為實(shí)現(xiàn)密封的主要作用力。這種密封結(jié)構(gòu)中，密封槽的深度是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，與密封結(jié)構(gòu)的各個(gè)幾何參數(shù)都密切相關(guān)，而背壓腔的氣體力也是密封結(jié)構(gòu)力平衡的重要組成。因此，彈簧位移、密封槽深度、背壓腔直徑成為這種密封結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，給設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

圖1 密封條工作原理模型

除了理論上進(jìn)行對(duì)密封圈的分析，利用有限元分析軟件也是十分有效地分析手段。李海生等[7]為了進(jìn)一步研究上述密封結(jié)構(gòu)的工作性能，對(duì)該密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，并利用有限元軟件進(jìn)行受力分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，沿著漸開線轉(zhuǎn)角的方向，密封條所在位置兩側(cè)的壓縮腔壓差是決定載荷的主要因素，而在不同的嚙合位置，壓縮腔之間的壓差也不同。如果壓縮腔之間沒有壓差，那么密封條也不會(huì)受到底面的載荷作用。另外密封條兩側(cè)的載荷分布不均勻，內(nèi)側(cè)高于外側(cè)。密封條沿著型線由內(nèi)往外所受載荷逐漸降低，形變也逐漸減小。這些分析結(jié)果都將有助于密封條的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

這種密封結(jié)構(gòu)中的密封條雖然采用自潤(rùn)滑材料，但是隨著溫度升高，密封條產(chǎn)生熱變形，會(huì)影響密封的性能。該團(tuán)隊(duì)通過有限元分析研究了這一問題。如圖2所示，結(jié)果表明，密封條的橫向溫度分布和壓力有關(guān)，在高壓側(cè)的溫度較高，低壓側(cè)溫度較低；密封條的縱向溫度分布是由下側(cè)彈簧接觸面到上部密封面逐漸降低。整體上溫度分布比較均勻，但是存在著溫度梯度較高的區(qū)域，這些地方溫差大，不同的熱變形量會(huì)使得密封條發(fā)生局部熱變形，從而影響到軸向間隙的大小。根據(jù)分析所得的結(jié)果，可以對(duì)密封條進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高這種密封結(jié)構(gòu)的性能。

圖2 等溫線及熱變形示意圖

對(duì)現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)的研究對(duì)無油渦旋密封性能的提升也具有重要意義。無油渦旋壓縮機(jī)在沒有特殊密封結(jié)構(gòu)時(shí)，通常是光滑密封結(jié)構(gòu)，一般只有十幾到幾十微米的泄漏間隙，這時(shí)泄漏間隙的表面粗糙度成為影響渦旋壓縮機(jī)泄漏量的主要因素。李超等[8]建立了二維模型研究表面粗糙度對(duì)泄漏量的影響。該模型用均勻的鋸齒狀粗糙元表示泄漏間隙的表面粗糙度，然后利用CFD軟件對(duì)間隙內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，表面粗糙元的高度越高、密度越大，泄漏通道的流動(dòng)阻力越大，泄漏量越小，密封效果越好。

密封效果越好，摩擦也越嚴(yán)重，在沒有潤(rùn)滑油的情況下，摩擦問題更加難以解決。動(dòng)靜渦盤端面上有著比較嚴(yán)重的摩擦，為了研究這一摩擦副的性質(zhì)，焦瑜[9]建立了無油渦旋壓縮機(jī)動(dòng)靜渦盤端面摩擦副摩擦力預(yù)測(cè)模型，這一模型基于分形理論，并且通過算例驗(yàn)證了模型的可靠性。最后通過分析模型得知，摩擦表面的分形維數(shù)存在一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)使得摩擦力降到最低，另外動(dòng)靜渦盤接觸面的接觸性質(zhì)如果得到改善，也可以降低摩擦力。因此，選用自潤(rùn)滑材料作為密封條不僅能降低渦盤運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦阻力，還可以提高壓縮機(jī)的可靠性和使用壽命。

摩擦不僅會(huì)帶來阻力，溫度也會(huì)隨之升高，無油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)動(dòng)靜渦旋端面摩擦溫度是反映壓縮機(jī)工作性能的重要參數(shù)。李超等[10]通過虛擬儀器軟件平臺(tái)abVIEW以及相關(guān)產(chǎn)品搭建了動(dòng)靜渦盤端面摩擦溫度測(cè)試系統(tǒng)，這套系統(tǒng)利用了非接觸熱平衡的測(cè)量方法，可以實(shí)時(shí)采集溫度信號(hào)，測(cè)量精度也比傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)高。應(yīng)用這套測(cè)量系統(tǒng)可以很好實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦副的溫度監(jiān)控，有助于無油渦旋壓縮機(jī)的溫度特性分析，對(duì)提高性能有重要意義。

彭斌[11-13]等為了研究泄漏和摩擦對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)性能的影響，從壓縮腔的容積變化規(guī)律出發(fā)，基于熱力學(xué)定律對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)的泄漏特性進(jìn)行了研究。研究表明：當(dāng)存在泄漏時(shí)，氣體的質(zhì)量流量受影響較大，而壓力受影響較小。另外，該團(tuán)隊(duì)為了研究無油渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力特性，對(duì)其進(jìn)行了受力分析，并且建立了無油渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，利用此動(dòng)力模型對(duì)渦旋壓縮機(jī)的摩擦受力進(jìn)行了分析，綜合分析表明，由于無由渦旋壓縮機(jī)軸處受到最大的切向力，所以影響渦旋壓縮機(jī)效率最嚴(yán)重的是主軸承處產(chǎn)生的摩擦，經(jīng)過計(jì)算還發(fā)現(xiàn)機(jī)械效率變化不大，因此無油渦旋壓縮機(jī)穩(wěn)定性也比較高。

4 無油渦旋壓縮機(jī)的冷卻研究

目前無油渦旋壓縮機(jī)的渦盤散熱以風(fēng)冷技術(shù)為主，即在動(dòng)、靜背面添加散熱翅片，并通過風(fēng)扇送風(fēng)，進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，這種散熱方式受翅片散熱系數(shù)影響較大，且需要消耗額外功耗，增加了動(dòng)靜渦盤的整體尺寸和加工難度。

王二利等[14]對(duì)微型渦旋壓縮機(jī)的風(fēng)冷技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，分別計(jì)算和測(cè)量了在自然冷卻、靜盤強(qiáng)制冷卻、動(dòng)盤強(qiáng)制冷卻三種冷卻方式的情況下無油渦旋壓縮機(jī)排氣溫度、排氣量、功率等性能參數(shù)的變化。結(jié)果表明，自然冷卻的效果最差，靜盤強(qiáng)制冷卻的效果更好，而動(dòng)盤強(qiáng)制冷卻的效果最好，這說明無油渦旋壓縮機(jī)存在著散熱性能差導(dǎo)致能耗過高的問題，因此如何對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行冷卻也成為了研究熱點(diǎn)。

李海生等[15]對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)的水冷卻系統(tǒng)(圖3)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)分別對(duì)靜渦盤側(cè)面、支架體腔內(nèi)潤(rùn)滑油和電機(jī)外殼3個(gè)部件進(jìn)行冷卻，通過傳熱計(jì)算得出了該冷卻系統(tǒng)所需要的循環(huán)水流量，隨后設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)該冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)和控制。這套系統(tǒng)有效地提高了壓縮機(jī)的冷卻性能，使得壓縮機(jī)的效率提高，另外，計(jì)算機(jī)操縱的冷卻水測(cè)控系統(tǒng)更加優(yōu)化了冷卻能力，提高了效率，為無油渦旋壓縮機(jī)的冷卻方式提供了更有效的選擇。

圖3 冷卻系統(tǒng)示意圖

5 無油渦旋壓縮機(jī)防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)研究

渦旋壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，切向力使動(dòng)渦盤自轉(zhuǎn)，方向是沿著主軸偏心線方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使得渦旋壓縮機(jī)不能正常的工作，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)原理防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能限制動(dòng)渦盤的自轉(zhuǎn)，保證了動(dòng)渦盤和靜渦盤渦旋齒的緊密嚙合，使整機(jī)達(dá)到穩(wěn)定工作的狀態(tài)。

渦旋壓縮機(jī)防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有多種：如十字滑環(huán)、滾珠、小曲拐等，由于小曲拐防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可采用自潤(rùn)滑軸承支撐，不需要潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，同時(shí)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、機(jī)械磨損功耗小、使用時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于無油渦旋壓縮機(jī)中。

由于小曲拐是無油渦旋壓縮機(jī)最重要的防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此對(duì)其受力情況的研究有重要意義。鄭尚書[16]建立了小曲拐的力與力矩的平衡方程，此平衡方程基于機(jī)構(gòu)學(xué)的平行四邊形運(yùn)動(dòng)原理，根據(jù)此方程求解出了小曲拐各個(gè)位置的受力情況，隨后利用有限元軟件求解出了在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)小曲拐的應(yīng)力應(yīng)變分布。根據(jù)分析結(jié)果可知，在小曲拐的兩端，應(yīng)力和應(yīng)變最大。

李超等[17]也根據(jù)機(jī)構(gòu)學(xué)原理分析了小曲拐機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立了小曲拐的運(yùn)動(dòng)方程，并且研究了不同數(shù)量的小曲拐同時(shí)運(yùn)作時(shí)的動(dòng)力特性。如圖4所示，根據(jù)對(duì)平行四邊形運(yùn)動(dòng)原理的分析以及多數(shù)目小曲拐模型的分析可知：小曲拐在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)都在受力，其中半個(gè)周期為拉力，半個(gè)周期為壓力，每半個(gè)周期都存在最大受力和最小受力；小曲拐受到動(dòng)渦盤的力隨著小曲拐數(shù)量的增加而降低，最大作用力也同時(shí)降低，另外，均勻?qū)ΨQ分布更加有力于各個(gè)小曲拐受力均衡，延長(zhǎng)使用壽命，因此小曲拐的數(shù)量為三且均勻分布在圓周上時(shí)，防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作能力最好。

圖4 小曲拐平面裝配簡(jiǎn)圖

彭斌等[18-19]同樣利用平行四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理簡(jiǎn)化了小曲拐的模型，并且基于動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)建立了方程，分析了小曲拐的受力及運(yùn)動(dòng)情況。并且采用仿真方法分析了小曲拐的受力、運(yùn)動(dòng)、變形等問題。首先利用SolidWorks軟件對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行了三維建模與虛擬裝配，隨后利用ADAMS軟件對(duì)該模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合，小曲拐防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可行性得到了驗(yàn)證，并且根據(jù)仿真結(jié)果，小曲拐也可以得到進(jìn)一步的優(yōu)化。他們又基于柔性化理論，通過ANSYS與ADAMS軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，從而建立了無油渦旋壓縮機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，根?jù)仿真結(jié)果，3個(gè)均勻分布的小曲拐都存在著7個(gè)最大的應(yīng)力節(jié)點(diǎn)，這些應(yīng)力節(jié)點(diǎn)都在相同位置，并且節(jié)點(diǎn)出的應(yīng)變的變化趨勢(shì)也一，與平行四連桿機(jī)構(gòu)模型相符；退刀槽處的形變是小曲拐的最大形變。根據(jù)這些分析結(jié)果，小曲拐的性能優(yōu)化也有了更明確的目標(biāo)。

6 無油渦旋壓縮機(jī)動(dòng)力特性研究

潤(rùn)滑密封、冷卻、防自轉(zhuǎn)等方面的研究針對(duì)了無油渦旋壓縮機(jī)的特有問題，而動(dòng)力特性研究更加反映壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)。方琪[20]為了研究無油渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力特性設(shè)計(jì)了動(dòng)力特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，首先根據(jù)無油渦旋壓縮機(jī)的幾何理論和力學(xué)理論進(jìn)行分析，隨后設(shè)計(jì)出了試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，選取了所需的各個(gè)傳感器，數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理模塊，設(shè)計(jì)出了測(cè)試硬件系統(tǒng)，基于LabVIEW開發(fā)出匹配的軟件測(cè)試系統(tǒng)。最后對(duì)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試無油渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力特性參數(shù)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試無油渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力特性參數(shù)具有可靠性和可行性，對(duì)研究無油渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力特性有重要意義。

趙曼[21]基于渦旋壓縮機(jī)各個(gè)部件的力學(xué)分析建立了各部件的力學(xué)模型，并且結(jié)合了摩擦學(xué)理論，在動(dòng)渦盤模型上建立了動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)的耦合關(guān)系式，而動(dòng)渦盤的運(yùn)動(dòng)特征和受力特征使得動(dòng)渦盤受到一個(gè)傾覆力矩的作用。此力矩的產(chǎn)生使得泄漏量增加，主軸承受的載荷也增加，影響了壓縮機(jī)的性能和使用壽命，為了研究這一傾覆力矩，建立了數(shù)學(xué)模型，定義了傾覆力矩的方位角，分析了力矩以及渦盤之間的摩擦力隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，為了無油渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。為了補(bǔ)償加工誤差造成的動(dòng)靜渦盤之間的間隙，通常會(huì)加入徑向隨變機(jī)構(gòu)，趙曼依據(jù)其工作原理，分析了偏心套筒式徑向隨變機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)對(duì)實(shí)際渦盤回轉(zhuǎn)半徑的影響，研究發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)會(huì)破壞轉(zhuǎn)子系機(jī)構(gòu)的平衡，同時(shí)會(huì)對(duì)軸承的承載產(chǎn)生影響。

方圓力[22-23]等分析了氣體力對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力特性的影響。無油渦旋壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中受到了3種不同的氣體力作用，分別為軸向氣體力、徑向氣體力、切向氣體力，利用數(shù)值分析并結(jié)合Matlab軟件進(jìn)行編程計(jì)算，詳細(xì)分析了3種氣體力對(duì)傾覆力矩和自轉(zhuǎn)力矩的影響。分析結(jié)果表明，渦盤所受的所有氣體力中軸向氣體力最大，徑向氣體力最小，并且徑向氣體力受力比較穩(wěn)定，軸向氣體力和切向氣體力的變化趨勢(shì)基本相同，而傾覆力矩對(duì)渦盤的影響更大，因此，控制傾覆力矩對(duì)渦旋壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。在機(jī)械中存在2個(gè)以上的機(jī)構(gòu)必然會(huì)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)之間傳動(dòng)的間隙，而運(yùn)動(dòng)間隙的存在必然會(huì)影響到傳動(dòng)系統(tǒng)的平衡，為了研究無油渦旋壓縮機(jī)動(dòng)力特性與傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)副間隙之間的聯(lián)系，利用動(dòng)態(tài)仿真的方法模擬了間隙對(duì)系統(tǒng)特性的影響，通過計(jì)算結(jié)果可知，載曲柄銷和小曲拐受力相對(duì)平衡的條件下，要使動(dòng)渦盤運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)副間隙范圍在0.02～0.03mm內(nèi)。接著利用ADAMS軟件模擬了動(dòng)靜渦盤的間隙對(duì)于整機(jī)動(dòng)力特性的影響，結(jié)果表明，軸向間隙相比徑向間隙對(duì)渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力特性影響更大，減小軸向和徑向的裝配間隙有利于減小渦旋壓縮機(jī)的軸向和徑向泄漏，提高壓縮機(jī)的性能，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性?？傊?，合理地控制軸承等運(yùn)動(dòng)副的裝配間隙有利于提高無油渦旋壓縮機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，減少泄漏量，提高使用壽命。

氣體力的存在不僅會(huì)使得渦盤產(chǎn)生傾覆力矩，還會(huì)導(dǎo)致渦盤變形，同時(shí)渦盤上的熱載荷也會(huì)導(dǎo)致渦盤產(chǎn)生變形。謝文君[24]為了研究氣體力以及熱載荷共同影響下的動(dòng)靜渦盤變形及應(yīng)力分布情況，利用了有限元軟件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：影響動(dòng)靜渦盤應(yīng)力應(yīng)變分布最主要的因素是熱載荷，而氣體力對(duì)動(dòng)靜渦盤應(yīng)力應(yīng)變的影響相似，靜渦盤的應(yīng)力應(yīng)變稍大于動(dòng)渦盤；氣體力影響的動(dòng)靜渦盤最大應(yīng)力和變形出現(xiàn)在第二個(gè)壓縮腔中部，熱載荷影響下的最大變形發(fā)生在靜渦盤散熱片中心，而最大應(yīng)力在軸承孔的內(nèi)邊緣；動(dòng)靜渦盤的散熱片增加了無油渦旋壓縮機(jī)的冷卻效率，壓縮腔內(nèi)的溫度降低，熱載荷對(duì)于渦旋齒變形的影響也減小。

通過研究分析無油渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力特性，能夠發(fā)現(xiàn)傾覆力矩、摩擦力矩、氣體力、熱載荷等因素對(duì)渦旋壓縮機(jī)密封、冷卻、摩擦、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等各個(gè)方面性能的影響，對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)以及性能優(yōu)化有重要的意義。

7 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的模擬分析

除了泄漏冷卻等關(guān)鍵技術(shù)問題的研究外，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)壓縮機(jī)工作過程的模擬也是研究的熱點(diǎn)，這些模擬的結(jié)果為無油渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù)，并且減少了實(shí)驗(yàn)成本以及研發(fā)周期。

肖根福等[25]依據(jù)熱力學(xué)原理建立了無油渦旋壓縮機(jī)壓縮腔的數(shù)學(xué)模型來模擬壓縮機(jī)工作的熱力過程，該模型采用單腔控制容積法，以單個(gè)月牙形壓縮腔作為控制容積，壓縮腔內(nèi)的氣體均假設(shè)為理想氣體，并且壓縮腔內(nèi)任意一點(diǎn)氣體的溫度、壓力都相同，該模型還考慮到了泄漏以及換熱，最后較為準(zhǔn)確地模擬出了壓縮腔內(nèi)的溫度、壓力的變化過程，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果基本吻合，仿真結(jié)果對(duì)研究無油渦旋壓縮機(jī)壓縮機(jī)的泄漏、傳熱有一定幫助，也能用于壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

孫興偉等[26-27]結(jié)合無油渦旋壓縮機(jī)的力學(xué)理論和磁懸浮技術(shù)設(shè)計(jì)出了不使用軸承和防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的無油渦旋壓縮機(jī)。經(jīng)過力學(xué)分析，該團(tuán)隊(duì)建立了渦旋齒節(jié)距不同情況下動(dòng)渦盤在不同轉(zhuǎn)角下的受力模型。隨后利用有限元軟件對(duì)為無油渦旋壓縮機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力的E-I型電磁鐵、U-I型電磁鐵和U-U型電磁鐵在不同氣隙下的吸引力進(jìn)行有限元仿真，仿真結(jié)果表明，理論上該無油渦旋壓縮機(jī)可以在不使用軸承和防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的情況下正常工作，同時(shí)還具備了磁懸浮技術(shù)摩擦低、無污染的優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)有限元分析對(duì)該團(tuán)隊(duì)研發(fā)新型無油渦旋壓縮機(jī)提供了有力依據(jù)。

相較于單一控制容積法，對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析更能體現(xiàn)出壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)，并且泄漏、傳熱等問題的研究會(huì)更加徹底。彭斌[28]等利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)(圖5)與CFD軟件對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，模擬的內(nèi)部流場(chǎng)為三維非定常流動(dòng)。根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：壓縮機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，壓縮腔內(nèi)的壓力和溫度隨著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)而逐漸變大，并且在同一壓縮腔內(nèi)，動(dòng)渦旋盤齒頭會(huì)在特定時(shí)刻對(duì)吸氣口及排氣口產(chǎn)生遮擋，從而使流場(chǎng)內(nèi)部氣流產(chǎn)生較大的擾流，致使氣體流動(dòng)不均勻，導(dǎo)致溫度和壓力也分布不均勻。

圖5 無由渦旋壓縮機(jī)的網(wǎng)格劃分

李博睿[29]利用Fluent軟件的動(dòng)網(wǎng)格功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的模擬，該模型將壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維流場(chǎng)，得到了流暢內(nèi)部速度、溫度、壓力等參數(shù)的分布情況。模擬結(jié)果表明，渦旋壓縮機(jī)動(dòng)渦盤公轉(zhuǎn)的方式導(dǎo)致內(nèi)部流場(chǎng)的工質(zhì)速度方向與壁面并不完全平行，而切向的泄漏是降低壓縮機(jī)工作性能的主要因素，并且在泄露間隙處的壓力變化最大；隨著動(dòng)渦盤的運(yùn)動(dòng)，工質(zhì)在進(jìn)口和出口處的流動(dòng)速度不斷發(fā)生變化。

李曉然等[30]利用PumpLinx軟件對(duì)無油渦旋進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得了無油渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的熱力參數(shù)分布。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在吸氣腔內(nèi)存在著“吸氣增壓”效應(yīng)，并且工質(zhì)從吸氣管進(jìn)入壓縮機(jī)后流入右側(cè)壓縮腔與動(dòng)盤公轉(zhuǎn)方向相同，相對(duì)于進(jìn)入左側(cè)壓縮腔更為順暢，這導(dǎo)致了兩側(cè)吸氣腔的壓力和溫度分布不均勻，也使得后續(xù)壓縮過程中對(duì)稱壓縮腔內(nèi)的溫度和壓力存在一定差別。

CFD等軟件在無油渦旋壓縮機(jī)的開發(fā)研究方面起到了越來越關(guān)鍵的作用，內(nèi)部流場(chǎng)的模擬研究更加直觀地體現(xiàn)出渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部的工作過程，為優(yōu)化無油渦旋壓縮機(jī)提供了幫助。未來，隨著計(jì)算機(jī)性能的提升和計(jì)算軟件的更新，模擬結(jié)果會(huì)更加接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且能體現(xiàn)出更多的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，為更進(jìn)一步的研究提供幫助。

8 無油渦旋壓縮機(jī)在熱力循環(huán)中的研究

無油渦旋壓縮機(jī)除了作為常用的空壓機(jī)外，還可以壓縮其他工質(zhì)。Y W Shen[31]對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)在JT制冷機(jī)中的影響做了實(shí)驗(yàn)研究，分析表明，壓縮機(jī)的實(shí)際性能對(duì)JT制冷機(jī)有顯著影響。當(dāng)使用不同的壓縮機(jī)時(shí)，優(yōu)化的預(yù)冷溫度和相應(yīng)的排氣壓力可以不同。實(shí)驗(yàn)中使用的壓縮機(jī)僅用一臺(tái)電機(jī)壓比便可以達(dá)到20，同時(shí)也提供了所需的質(zhì)量流量，然而這樣子壓縮機(jī)的壽命得不到保障，未來采用新型材料可以提高壓縮機(jī)的壽命。實(shí)驗(yàn)表明，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高制冷機(jī)的效率。

Mendoza[32]提出了一種新型無油共轉(zhuǎn)渦旋壓縮機(jī)，并將此無油渦旋壓縮機(jī)應(yīng)用于混合吸收式熱泵循環(huán)，用空氣和不同的水?dāng)z取率對(duì)該壓縮機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和建模。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以在干和濕2種條件下運(yùn)行，而不需要額外的內(nèi)部潤(rùn)滑。此外確定了冷卻和加熱模式下COP的最大值分別為3.3和4.3。此外，Mendoza[33]還提出了一種共轉(zhuǎn)的無油渦旋壓縮膨脹機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。為了確定輸入變量對(duì)機(jī)器性能的影響，對(duì)機(jī)器在各種運(yùn)行條件下進(jìn)行了測(cè)試。壓氣機(jī)模式內(nèi)等溫效率最高為53%，膨脹機(jī)模式下等溫效率由34%提高到84%。

9 結(jié)語

無油渦旋壓縮機(jī)具有普通渦旋壓縮機(jī)具備的絕大部分優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闆]有潤(rùn)滑油，所以應(yīng)用范圍更廣，同時(shí)相較之前的壓縮機(jī)，它具有整機(jī)設(shè)計(jì)緊湊，體積小質(zhì)量輕，零件少易于裝配的優(yōu)勢(shì)。然而因?yàn)闊o潤(rùn)滑油，所以泄漏、摩擦、冷卻方面的問題比較突出，本文主要概述了以下幾個(gè)方面的研究現(xiàn)狀：

(1)無油渦旋的密封研究，主要集中于泄漏模型的建立以及密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，齒端面密封機(jī)構(gòu)模型、微間隙的二維模型等模型為渦旋密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。新型徑向組合密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化了泄漏問題，卻也增加了密封磨損量。理論模型、數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的研究成為密封的研究方向。

(2)無油渦旋的防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)研究，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、磨損功耗小使用時(shí)間長(zhǎng)，小曲拐逐漸成為防自轉(zhuǎn)的主要機(jī)構(gòu)，近些年小曲拐的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)特性研究為小曲拐的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了可行的依據(jù)，在建立模型以后基于有限元的仿真分析也成為小曲拐應(yīng)力應(yīng)變的主要研究手段。

(3)無油渦旋的冷卻研究，風(fēng)冷是冷卻渦盤的主要方法，也有利用水進(jìn)行冷卻的研究，但是還無法實(shí)際使用，新型的的冷卻方式以及風(fēng)冷技術(shù)的優(yōu)化是無油渦旋冷卻的研究方向。

(4)無油渦旋的動(dòng)力、熱力特性研究，主要通過試驗(yàn)測(cè)試以及數(shù)值模擬來進(jìn)行研究，試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各動(dòng)力參數(shù)的測(cè)試和采集，具有可行性和可靠性，而數(shù)值模擬可以靈活改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，更有效率的研究不同參數(shù)下對(duì)動(dòng)力性能等的研究，二者相互結(jié)合來進(jìn)行研究是更有效率更加可靠的研究手段。

無油渦旋壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如食品、醫(yī)療、電子、印刷、化工等領(lǐng)域，而且高品質(zhì)純凈壓縮空氣的需求也越來越大，因此對(duì)無油渦旋壓縮機(jī)的研究十分有價(jià)值。