半封闭单机双级螺杆压缩机的研究与研发(2)

冷链运输是以制冷学科为基础在运输储存上扩充的一项平台项目。从设施配套的视角看，整个冷链业的演进最终表现在三个方面：冷藏物流设施、冷库以及工业制冷设备。在城市化和消费升级的双轮驱动下，给冷链行业带给长期的演进需求，并且城市化会对保鲜产品的贮藏和物流的需求加大。但我国冷链发展水准相当落后，且发展速度迅速。目前我国综合冷链流通率仅为19%。而其它发达国家的冷链流通率已达85%，其中部分发达国家肉禽冷链流通率已经超过100%，蔬菜、水果冷链流通率也达95%以下。与发达国家相比，我国冷链流通率显著下降。且国内冷链基础设施与冷链设备短缺、陈旧。冷库是冷链的核心环节，结构更新空间大。我国冷库经过50年多年的发展，经历了从几立方米大型室内库到几万立方米大型室外库，从普通冷库过度到多种类、多规格气调冷库的过程。我国现在拥有各品种型的冷库约6137万立方米，库容860万吨，但结构存在不合理现象：其中自用冷库以厂商自建为主；公用冷库主要是国家的储备库，市场型、物流型偏少；冷库主要以肉水产为主，果蔬、加工型和批零零售型较少。目前，大小型冷库逐步演进成为低端客户服务的冷链运输中心，冷库功能已从“低温仓储型”向“冷链运输仓储型”发展。

冷冻保鲜是饮料加工业的基础，我国在食品冷冻冷藏等技术方面也获得了重大突破。食品低温冻结、冷藏加工业对制冷设备需求很大。食品迅速冻结所规定的湿度通常为-35℃,相比蒸发温度来说（通常在-42℃～-45℃）偏低，所以肉类冷冻设施必须功耗大耗电量多。对于配套冷源的选用，首先考量的就是机组的能耗问题和安全难题。常用的配套冷源有氨工质和氟里昂工质空调风机，选用的锅炉形式无绕着压缩机主要研究工作有以上几个方面：热力学（换热的化学模型、排气孔口流动）过程的探究，型线几何和转子几何，间隙、气体泄漏和油的妨碍，相关研究，生产实际中的弊端研究，转子振动与噪音,转子碰撞、喷液螺杆机研究等[1]。

西安交通大学的邢子文、彭学院等人总结了转子型线与转子几何特征计算方式，研究研发运用windows为操作系统的螺杆压缩机设计计算工具SCCAD[2]对空气源热泵机组变载荷运行进行改进设计和性能分析。王伟，马最良，姚杨等人成立了机组4个主要零件（压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器）的稳态仿真物理建模。其中压缩机模型的构建采用了基于BP算法的人工神经网络方式，换热器选用了分区集中参数方式创建模型。并且将模拟结果与试验数据进行了对比，验证了所制定模型的靠谱性与通用性[3-4]。意识到制冷剂泄漏和被预热对螺杆压缩机螺杆的制做精度和工作过程冷却程度有着重要制约，考虑到实际厂商的螺杆设计和加工科技的不同，因此计算的方式确认螺杆式压缩机的体积效率是非常难的。黄忠等强调一种可适于工程设计的体积效率的计算方式[5]。王文军、平雪良等人在特色的螺杆型线设计原则的基础上，提出了一种更准确的螺杆型线设计方式，称为反向设计方式。这种办法是基于利用三维激光扫描仪测得的螺杆的点云检测数据，采用NURBS曲线，将螺杆截面数据拟合成螺杆型线[6]。在双级压缩研究方面，曾宪阳、谢英柏等人研究了以CO2为工质的跨临界双级压缩的热力学性质及其机组的循环性能[789]，以氨为制冷剂的一次节流后面完全冷却两级压缩制冷循环，模拟两级压缩的制冷循环系数或者压缩机单位面积制冷量随着载荷和高低压长度比差异的状况，为两级压缩高低压长度比及其最佳工况的确认提供了参考[10]，郑东宏等人采用一级节流后面不完全冷却和一级节流后面完全冷却的两级制冷系统对极高环境湿度下的单级制冷系统进行优化，使得压缩机的排气温度得到了有效的控制，提高了性能系数使得增加了压缩机性能[11]。

徐明分析了蒸发温度为-15℃时，不同冷凝温度对单级或者双级压缩的适用情况[12]。盛健、李蕊、申晓宇等人进行了同样制冷工况条件下，四种两级压缩制冷循环的制冷系数的理论计算和非常分析，认为在在制冷剂允许的条件下，应优先选择后面完全冷却的方法；而在选取一次节流而是两次节流时应综合考量平台其它原因，而不必考虑制冷剂和制冷系数因素[13]。刘思煦研究了单级压缩空气源热泵系统的性能，建立了单级压缩空气源热泵系统模型及其两级节流后面不完全冷大连交大大学学位博论文-3-却、两级节流后面完全冷却、一级节流后面不完全冷却、一级节流后面完全冷却四种两级压缩系统模型。分析对比了不同平台的优劣点，以及各自适用的工况[14]。王勇等人对将单级螺杆压缩机借助打孔引入中压进气变成了两级压缩在同一压缩腔内进行的“准二级压缩”螺杆压缩机进行了理论探讨并进行实际计算，认为只要是在低温制冷工况下，使用双级制冷循环也有有利的[15]。1.2.2国外研究状况螺杆压缩机在20世纪初Lysholm[16]使用了对称圆弧型线后，相应其他型线的研究也逐渐展开。型线的演进大致经历了三个演进历程：第一代是对称圆弧型；20世纪60年代后，随着喷油技术的演进，产生了以SRM-A型线为代表的第二代转子型线，为不对称型线，该型线的泄漏面积比以下一代要小，大力度增强了螺杆机性能；80年代后，在以计算机科技为形式的研究下，型线类型发展非常快速。

新型线的形成与研究根据螺杆啮合原理。邓定国、束鹏程总结的详解法失败应用在端面型线上[17]；邢子文阐述了的计算方式可以应用在型线与转子几何特征上[18]；StosicN将螺栓与轴承的蜗杆原理应用于螺杆压缩机的工件研究课题之中，发展了N型线。该型线具备较大的流动面积，较低的泄漏和较小摩擦的特征。该团队还深入探究在保留非常广[21-23]；I.K.Smit将数值模拟应用在转子上，可以确认新型结构的喷油压缩机转子可以较好的减小压缩机的压力比[24]；Fujiwara和Osada通过计算确认了螺杆压缩机所必须的流动性和热交换性，可以等价于空气为工作介质的试验，并失败的可分析压缩机的性能[25]。

Susanne以喷油式压缩机为例，对双螺杆压缩机进行数值动态模拟对能量损失进行探究，数值结果也试验结果吻合很好[26]；Litvin，Su和Tseng研究了矢量模式的转子型线的表达形式[27-28]，hiang和Fong提出一种新的刀片分布数学建模，可以在同一位置插入许多刀片，只需确认了刀片的次数和位置，就可以将这种嵌入式刀片螺旋的放到刀上，从而运行成本低，便于更换，保证良好的几何度[29]。JackSauls研究了转子与气缸间实际间隙下的热功耗，在转子传热方面和转子避免热交换方面作出了研究[30]；针对如何确认转子配合间隙，三吉清忠根据转子热弹性变半封闭单机双级螺杆压缩机的研究与研发-4-形的理论，采用补偿设计法对转子齿形进行了进一步的修正，与不考量热变形的转子缝隙相比，间隙可以增加了近一半[31]；FONGZK用转子间轴向缝隙在轮缘齿面看到的投影作为转子间隙，得到了转子间隙的登高线分布情况的理想情况[32]；JohnB.VandeVooede利用滑移网格，提出一种非常独特的算法，对螺杆压缩机外部瞬态进行了数值模拟，该网格算法成功的在无油螺杆压缩机的几何图案上的应用表明了这些算法的实用性[33]。

1.3本课题主要探究的内容与含义美国最早研究和研发半封闭单机双级螺杆压缩机的公司为中国神户制钢制作所（KOBELCO）。神钢公司自1905年以来致力于钢铁产品的生产与应用开发。该公司自60年代生产中国第一台螺杆冷冻机以来，目前螺杆压缩机已占世界行业总量的40%以下。在定频螺杆压缩机科技基础之上，神钢于2002年开发氟利昂R22半封闭变频螺杆冷冻机，凭借其超强的开发能力在全球范围内打造单机双级调速螺杆低温空调技术和风机。其中，在速冻机应用中，节能效果约10%以下；速冻库应用中，节能效果约15%以下；在-25℃以下冷冻库中，节能效果达20%以下，该产品一经打造便受到行业追捧。台湾复盛公司为满足日渐下降的低温冷冻行业需求，也打造了SDL系列低温单机双级半封闭螺杆压缩机。该压缩机容调系统及容调电磁阀控制方法采用三段式，使压缩机在满载运转时，全部容调电磁阀呈现“断电”模式，提高了容调平台的稳定性、可靠度及使用寿命。本课题对当前半封闭单机双级螺杆压缩机结构方式上强调新的看法。半封闭单机双级螺杆压缩机通常由高压级、低压级与驱动电机三部分构成，高低压级之间借助耦合器联接，压缩机在工作中推动双段压缩，相当于两台独立的单级压缩机同时在工作，通过双段压缩的方法来提高单级压缩机转子的压比，进而增加齿间泄漏，提高工作强度和经济性。

课题将对螺杆压缩机转子型线进行全新设计，拟采取高效的N型线，达到压缩机转子更注重壮和轻便的目的，同时还具备排气量高、结构更紧凑和工作更高效的特征。课题将对压缩机整体构架进行深入研究，采用转子水平排列结构；通过有限元预测方式对压缩机的机体结构进行探讨，力求压缩机结构更轻型、受力好，节省材料及非常简洁。另外，国内绝大多数低温冷冻装置选用单机头或多机头并联冷凝风机，无法做到能量连续控制。即使安装了滑阀等卸载装置，由于压缩机原本和电机结构限制，其能量调节与电机匹配相当有限，电机轴电压能够推动等比衰减，越是高温工况节能效果越差。另外，单机头大机器随机开启，对电网冲击也非常大，存在平台性安全弊端。通常状况下，用户装机容量要预留30%以下，初投资与运行成本较高。本课题拟引入变频科技，大连交大大学学位博论文-5-在部分负荷工况下，变频压缩机可以灵活地借助调整压缩机转速以匹配客户即时变化的负荷，压缩机温度从1500～5000r/min之间无级差异，以超过最佳冷量/输入容量比，实现系统较高的COP值，预期可避免电力消耗10%～30%以下，这对提高压缩机的运行能耗意义重大。本课题主要探究目标是参考国内公司类似产品，开发具备自主常识产权的半封闭单机双级螺杆压缩机，低压级叶轮公称长度为110mm；高压级转子公称长度为80mm。

主要内容如下：⑴转子设计；⑵压缩机结构设计；⑶吸、排气孔口计算；⑷压缩过程热力计算；⑸转子受力及轴承寿命计算；⑹转子轴效率校核计算；⑺压缩机有限元分析；⑻压缩机性能试验。半封闭单机双级螺杆压缩机的研究与研发-6-2压缩机设计过程2.1压缩机设计载荷确定本课题研发的半封闭单机双级螺杆压缩机主要用做冷凝机组，为低温运输库等场所提供冷源。结合冷凝机组实际应用状况，课题确定制冷工质为R22，压缩机设计载荷参数如表2.1所示：表2.1设计工况参数表Table.2.1Designworkingconditionparameterlist参数项目设计参数备注工质R22冷凝温度tk=40℃蒸发温度to=-40℃过冷度ΔtC=42℃吸气过热度ΔtH=20℃冷凝压力15.335bar蒸发压力1.0495bar2.2转子参数设计在轴套压缩机中，转子是最为核心的构成部分。转子设计的好坏与否直接决定了压缩机性能优劣。因此，压缩机设计过程中转子设计是首先要进行仔细考量的弊端。2.2.1型线的选用螺杆式压缩机在分类中属于回转容积式，压缩机的齿形设计的优劣与否对压缩机工作性能影响很大。

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