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渦旋壓縮機(jī)發(fā)展歷程、工作原理和技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 英華特    2023-07-10

渦旋壓縮機(jī)是繼往復(fù)壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)之后的又一種新型高效容積式壓縮機(jī)，被公認(rèn)為是技術(shù)先進(jìn)的第三代壓縮機(jī)。與同等容量的往復(fù)壓縮機(jī)相比，主要零部件僅為往復(fù)式的 40%，體積減小 40%左右，噪聲下降 5-8dB，效率提高 10%，重量減輕 15%，驅(qū)動(dòng)力矩的波動(dòng)幅度僅為往復(fù)式的 1/10。由于渦旋壓縮機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使其具有優(yōu)良的熱力性能和力學(xué)性能。

①渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展歷程

渦旋機(jī)械理論的提出，可以追溯到 19 世紀(jì)末與 20 世紀(jì)初。1905 年法國(guó)人Leon Creux 以可逆轉(zhuǎn)的渦旋膨脹機(jī)為題申請(qǐng)了美國(guó)專利；1925 年 L Nordi 申請(qǐng)了渦旋液體泵的專利。在隨后近 70 年里，渦旋機(jī)械都沒有得到更深入的研究和發(fā)展，其原因主要是由于渦旋機(jī)械的關(guān)鍵部件——渦旋盤渦旋齒型線的加工精度無(wú)法得到保證，各種加工手段、工藝設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備都不能保證高精度渦旋型線的加工與檢測(cè)。

直到 20 世紀(jì) 70 年代，由于能源危機(jī)以及溫室效應(yīng)的出現(xiàn)，使得對(duì)節(jié)省能源和環(huán)境保護(hù)的要求日益高漲，渦旋機(jī)械以其效率高、振動(dòng)噪聲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等顯著優(yōu)點(diǎn)滿足了人們對(duì)節(jié)能和環(huán)保的要求；同時(shí)高精度數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，也為渦旋機(jī)械的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。

1972年，美國(guó)Arthur D.Littl（e 簡(jiǎn)稱A.D.L）公司首次采用雙伸軸兩級(jí)壓縮的結(jié)構(gòu)，成功開發(fā)出了排氣壓力為 1.7MPa 的氦氣渦旋壓縮機(jī)，展現(xiàn)出渦旋機(jī)械獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。把它用在遠(yuǎn)洋海輪上，并在此基礎(chǔ)上與瑞士合作開發(fā)了多種工質(zhì)的渦旋壓縮機(jī)樣機(jī)，標(biāo)志著渦旋壓縮機(jī)實(shí)用化年代的到來(lái)，從而揭開了渦旋壓縮機(jī)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的序幕。

1973~1976 年間，美國(guó)和瑞士先后開發(fā)了空氣、氮?dú)饧胺旱冉橘|(zhì)的渦旋壓縮機(jī)，從此渦旋壓縮機(jī)的系列化產(chǎn)品相繼出現(xiàn)。1981 年，日本三菱重工推出了用于汽車空調(diào)的渦旋壓縮機(jī)；1982 年，三電公司開始批量生產(chǎn)汽車空調(diào)渦旋10劉振全主編，《渦旋式流體機(jī)械與渦旋壓縮機(jī)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2009 年 4 月第一版壓縮機(jī)；

1983 年，日立公司開發(fā)出 2~5hp（0.15~3.73kW）的全封閉渦旋壓縮機(jī)用于單元式空調(diào)和柜式空調(diào)；松下電器于 1990 年開始大規(guī)模生產(chǎn)小型立式空調(diào)渦旋壓縮機(jī)，又于1992 年成功地研究開發(fā)了分體式空調(diào)臥式渦旋壓縮機(jī)；豐田公司大批量生產(chǎn)渦旋式汽車空調(diào)壓縮機(jī)用以裝備其公司生產(chǎn)的轎車；東芝公司把渦旋壓縮機(jī)作為新干線高速火車的空調(diào)壓縮機(jī)，成為新干線高技術(shù)組合的一部分。目前渦旋壓縮機(jī)的研究制造主要集中在美國(guó)、日本、丹麥、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)。

②渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)

渦旋壓縮機(jī)主要由動(dòng)渦盤、靜渦盤、支架、偏心軸、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其他配件構(gòu)成。典型的渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖：

渦旋壓縮機(jī)的核心部件為動(dòng)渦盤和靜渦盤，其結(jié)構(gòu)如下圖：

③渦旋壓縮機(jī)的工作原理

渦旋壓縮機(jī)由一個(gè)固定的漸開線渦旋盤和一個(gè)呈偏心回旋平動(dòng)的漸開線運(yùn)動(dòng)渦旋盤組成壓縮腔，通過(guò)動(dòng)渦盤的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓縮器容積的變化而提高氣體壓力，屬于容積式回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。

在吸氣、壓縮、排氣的工作過(guò)程中，靜渦旋盤固定在機(jī)架上，動(dòng)渦旋盤由偏心軸驅(qū)動(dòng)并由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制約，圍繞靜渦旋盤基圓中心，作很小半徑的平面轉(zhuǎn)動(dòng)。氣體通過(guò)空氣濾芯吸入靜渦旋盤的外圍，隨之偏心軸的旋轉(zhuǎn)，氣體在動(dòng)靜盤嚙合所組成的若干個(gè)月牙形壓縮腔內(nèi)被逐步壓縮，然后由靜渦旋盤中心部件的軸向孔連續(xù)排出。

④渦旋壓縮機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）零件數(shù)少、無(wú)氣閥等易易損件，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、重量輕、可靠性高。

2）無(wú)吸排氣閥，因而氣體流動(dòng)損失小、吸排氣損失小、無(wú)氣閥的敲擊噪聲和由此引起的振動(dòng)。

3）吸氣過(guò)程是主動(dòng)的包容運(yùn)動(dòng)且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)吸氣余隙，容積效率高。

4）工作腔容積變化過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因而壓縮平穩(wěn)、排氣接近連續(xù)，氣流脈動(dòng)小。

5）主軸回轉(zhuǎn)半徑小，且可對(duì)旋轉(zhuǎn)零件進(jìn)行平衡，因而旋轉(zhuǎn)慣性力小、運(yùn)動(dòng)平衡性能好、整件振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

6）動(dòng)、靜兩渦旋盤之間相對(duì)滑動(dòng)速度小，因而摩擦磨損小、主軸可選用較12劉振全主編，《渦旋式流體機(jī)械與渦旋壓縮機(jī)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2009 年 4 月第一版高轉(zhuǎn)速。

7）可實(shí)現(xiàn)徑向和軸向隨變，能夠?qū)崿F(xiàn)徑向和軸向的磨損補(bǔ)償、對(duì)系統(tǒng)雜質(zhì)和液體具有較高的容許量。

8）定壓縮比壓縮，因而啟動(dòng)性能好，轉(zhuǎn)速可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)且效率變化不大，變轉(zhuǎn)速特性好。

9）多個(gè)壓縮腔同時(shí)工作，因而轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)力矩的變化幅度小。

10）相鄰壓縮腔的壓差小，因而工作腔間的密封性好，氣體泄漏小。

⑤渦旋壓縮機(jī)與轉(zhuǎn)子式和活塞式壓縮機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

各種容積式壓縮機(jī)機(jī)技術(shù)路徑的比較

注 1：○—優(yōu)、△—良、×—差；

注 2：該圖表所呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，是基于一定的樣本模型及當(dāng)時(shí)技術(shù)水平下得出的數(shù)據(jù)，在此僅參考其三種技術(shù)路徑的相對(duì)比較趨勢(shì)，單項(xiàng)數(shù)據(jù)的具體值不具普通參考意義；

注 3：隨著渦旋式壓縮機(jī)應(yīng)用的推廣，在熱泵和冷鏈用的機(jī)型里，往往也配置了排氣閥。

渦旋式壓縮機(jī)在能源效率上，相對(duì)于活塞式、轉(zhuǎn)子式和螺桿式的壓縮機(jī)，具有原理性上的優(yōu)勢(shì)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度看，渦旋式壓縮機(jī)在整個(gè)工作過(guò)程中，扭矩變化和壓力變化，均相對(duì)小而平穩(wěn)，使得產(chǎn)品的振動(dòng)和噪音數(shù)據(jù)，都表現(xiàn)優(yōu)秀。由于渦旋式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)帶來(lái)了級(jí)數(shù)的可靠性利好，也帶來(lái)了成本的優(yōu)勢(shì)。

與家用空調(diào)及制冷設(shè)備相比，商用制冷設(shè)備市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品品牌美譽(yù)度、可靠性、更好的能效和更低的噪音是有支付能力的，對(duì)成本敏感度相對(duì)較低。從技術(shù)路徑而言，渦旋式壓縮機(jī)在能效、噪音和可靠性方面均具有原理性的優(yōu)勢(shì)。