基于R454B制冷剂应用的涡旋压缩机非对称型线设计研究.pdf

12 2023中国家电科技年会论文集0 引言随着技术和工艺的不断发展，涡旋压缩机逐步走向市场。涡旋压缩机最早诞生于1905年，由法国工程师Leon Creux发明，但直到20世纪80年代初，才随着加工技术的进步实现批量生产，具有体积小、重量轻、噪声低、振动小、排气连续、运行平稳等特点1-3，被广泛应用于容积式流体机械。国内进入涡旋压缩机开发领域起步较晚，经验积累相对较少，尤其是在涡旋能效提升方面，而与竞品竞争时高能效是必须考虑的最重要因素之一，因此进行能效提升技术研究具有极高的价值和意义。本文以R410A制冷剂切换为R454B制冷剂后，轻负荷工况下能效衰减问题为切入点，从热力学及流体力学角度出发，结合R454B制冷剂特性，利用CFD仿真技术探究了与涡旋型线有关的参数对泵体性能的影响，研究结果可为低背压涡旋产品乃至其他涡旋品类能效提升提供参考。1 研究方法及思路本文主要针对某型号低背压涡旋压缩机，由R410A制冷剂切换为R454B制冷剂后，轻负荷工况下能效衰减问题，本文通过压缩腔CFD动网格仿真技术计算不同型线参数对泵体能效的影响进行研究。涡旋压缩机泵体通过动涡盘与静涡盘的啮合运动实现吸排气作者简介：马英超（1987），男，工程师，学士学位。研究方向：涡旋压缩机及制冷技术。联系地址：广东省佛山市顺德区工业大道美的全球创新中心，邮编528300。E-mail:。基于R454B制冷剂应用的涡旋压缩机非对称型线设计研究马英超 杨志鹏 杨帆 洪嘉华广东美芝制冷设备有限公司 广东佛山 528300摘 要：基于压缩腔动网格CFD仿真，结合R454B制冷剂特性从型线方程、内容积比、吸排气形式等角度研究了低背压涡旋压缩机型线参数对泵体性能、轴向气体力的影响，在原代数螺旋型线的基础上优化出一种基于圆渐开方程形式的非对称吸气型线，通过测试验证，新型线相比于原型线整机性能提升约1%1.5%。关键词：CFD仿真；R454B制冷剂；流动机理；涡旋压缩机；能效；压缩机Research on asymmetric profile design of scroll compressor based on r454b refrigerant applicationMA Yingchao YANG Zhipeng YANG Fan HONG JiahuaGuangdong Meizhi Precision Manufacturing Co.,Ltd.Foshan 528300Abstract:Based on the dynamic grid CFD simulation of the compression chamber and combined with the characteristics of R454B refrigerant,the influence of low back pressure vortex compressor model line parameters on pump performance and axial gas force was studied from the perspectives of line equation,content product ratio,and suction and exhaust form.On the basis of the original algebraic spiral profile,an asymmetric suction profile based on the circular involute equation form was optimized.Through testing and verification,the new line improved the overall performance by about 1%1.5%compared to the prototype line.Keywords:CFD simulation;R454B refrigerant;Flow mechanism;Vortex compressor;Energy efficiency;Compression中图分类号：TB6 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.003 132023中国家电科技年会论文集的压缩过程，而压缩腔CFD动网格仿真就是模拟动涡盘与静涡盘的啮合运动过程。因此压缩腔CFD动网格仿真是涡旋压缩机最重要的仿真技术之一4-5，既可以获得动盘运动时各点的压力、温度、速度分布，还可以考虑轴向、径向泄漏间隙在压缩过程中对性能的影响，相比于传统的一维算法结果更加准确。笔者以某型号压缩腔CFD动网格仿真计算流域主要包括：压缩腔、进口域、出口域、动盘底部凹槽、动、静涡旋盘顶部轴向间隙，及动、静涡旋盘径向啮合间隙等参数。其中，底部凹槽、动涡旋盘顶部轴向间隙与动盘运动规律一致，为动网格，其他流体域为静止域。压缩机结构如图1所示，仿真模型及压力云图分布展示如图2所示，并已经过实验校准。图1 压缩机泵体模型示意提效目标工况主要为DOE-B工况，具体工况参数如表1所示。a)压缩仿真模型 b)仿真压力云图 图2 涡旋压缩机压缩腔CFD动网格仿真模型和压力云图原型线采用K=1的代数螺旋线6，而当涡旋齿高度与涡旋体壁厚、吸气容积与形成容积比一定时，基圆渐开线型线与其它渐开线型线相比具有最短的轴向间隙泄漏线长度和最短的特征形状几何中心至渐开线终点的距离。故针对本文涡旋型线的优化研究主要从以下几个思路进行：（1）对比R454B制冷剂与R410A制冷剂理论压缩循环差异性对比，寻求突破点。（2）提高机械效率考虑，应减小各相对运动件间的接触力以减小摩擦功耗轴向气体力尽量小（降低磨损风险）。（3）提高容积效率考虑，应减小泄漏线长度涡齿高度与型线总长度的匹配、型线方程类型变更尝试。（4）平稳性考虑，应减小各零部件的作用力、力矩尤其是倾覆力矩、惯性力矩A/B腔（见图2所示）内容积比一致性设计、吸气形式变更尝试。（5）流动阻力考虑，吸排气孔口要大非对称齿头修正。（6）加工和检测考虑，应易于保证加工精度，便于检测控制齿头修正最小圆弧直径。2 仿真结果分析2.1 R454B 制冷剂与 R410A 压缩物性对比R454B制冷剂有着更低的GWP值，同时需要更少的设计变更，成为北美地区大中型制冷机组的发展应用方向7,8。两个制冷剂物性参数对比如表2所示。针对目标工况下的理论性能计算，如表3所示。可以发现，相同工况下R454B制冷剂：（1）吸气密度小，单位容积制冷量小，相同体积压缩机，其吸表1 定速低背压涡旋压缩机评价工况工况名称蒸发温度（）冷凝温度（）ARI7.254.4DOE-A1046.1DOE-B1037.7注：吸气过热度、过冷度分别设定为11.1 K、8.3 K。表2 制冷剂物性参数参数R410AR454B制冷剂类型HFCHFC组分R32/R125R32/R1234yf比例（%）(50%/50%)(68.9%/31.1%)GWP1924467安全等级A1A2L临界温度（）70.278.1沸点（）-51.6-51.7温度滑移（）0.11.3表3 理论性能对比制冷剂工况排气温度（）气体密度（kg/cm3）对比*（%）制冷量（W）功率（W）COPR410AARI8435.41BaseDOE-A7238.8DOE-B60.638.8R454BARI8927.5795.46%93.50%102.10%DOE-A7629.9993.40%93.27%100.14%DOE-B6429.9992.63%93.02%99.57%注*：容积效率和等熵效率均按100%计算。14 2023中国家电科技年会论文集气侧过热影响加剧，容积效率降低。（2）排气温度高，使用同样冷冻油，其粘度降低，摩擦副润滑和压缩腔密封性降低，容积效率下降。（3）随着工况减轻，功率降幅小于冷量降幅，致使能效衰减加剧。一方面随着工况负载降低后，压缩机电机在定负载下的效率点不配，使电机效率降低。2.2 吸气形式目前，涡旋压缩机吸气形式主要有对称吸气及非对称吸气两种，前者多用于低背压涡旋压缩机，有倾覆力矩小、惯性力矩分布均匀等优点，后者多用于高背压变频涡旋压缩机，具有同排量下较低的齿高和较低的型线总长度，便于小型化，二者主要区别如图3所示。a)对称吸气形式 b)非对称吸气形式 图3 涡旋压缩机压缩腔对称、非对称吸气示意图非对称吸气可以保证排量不变，齿高、型线总长度更短，即泄漏长度更短。故设计非对称型线V1仕样并与原型线进行CFD仿真对比，V1型线具体参数如表4所示，仿真计算结果如表5所示。结果表明非对称吸气结构相比对称吸气结构，当排量、型线总长度一定时，齿高最大可降低约10%，COP提高约2%（所有计算不考虑等熵效率），但齿高降低后，轴向气体力会增加约6%，动盘及止推面磨损有恶化风险，可靠性应用存在极大风险9。2.3 型线方程当保持齿高不变，同时将K=1的代数螺旋线转为圆渐开型线，即相应的型线参数如表6所示时，计算结果如表7所示。表6 定速低背压涡旋压缩机非对称吸气型线V3仕样Base1V3/Base1100%齿高（mm）/100%齿厚（mm）/100%偏心量（mm）/100%内容比A/B/100%吸气方式对称非对称型线方程代数螺旋圆渐开表7 非对称吸气型线V3计算结果对比仕样说明 轴向气体力（N）吸气流量（kg/s）动盘功率（W）仿真制冷量（W）COPBase1/V3-10.12%1.38%1.26%1.32%0.05%结果表明，齿高不变，缩短型线总长度，COP基本不变，故可认为，齿高对泄漏的影响占比最大，型线总长度相对较小。而圆渐开型线的轴向气体力可以比代数螺旋线再低10%，止推面摩擦损失较base1有所改善。2.4 内容积比通过热力计算发现，对于DOE-B工况，R454B制冷剂，涡旋压缩机最佳内容积比约为2.16。而非对称吸气，A/B腔内容积比若相等则需要将型线头部进行非对称修正设计。故重新设计原型线和新型线V5，相应的型线参数如表8所示，计算结果如表9所示。在V3型线的基础上调整内容积比至DOE-B工况的理论最佳计算值2.16，同时考虑齿头做非对称修正，即V5仕样。结果表明，内容积比降低，轴向气体力会降低，V5仕样轴向气体力较V3仕样可继续下降约1.9%，而COP较Base2可以提高约1.2%。3 实验分析本次测试在一个25 kW冷量台位进行压缩机性能测试。实验表4 定速低背压涡旋压缩机非对称吸气型线V1仕样Base1V1/Base1100%齿高（mm）/90%齿厚（mm）/100%偏心量（mm）/内容比A/B/吸气方式对称非对称型线方程代数螺旋/表5 非对称吸气型线V1计算结果对比仕样说明 轴向气体力（N）吸气流量（kg/s）动盘功率（W）仿真制冷量（W）COPBase1/V16.33%0.92%-1.30%0.96%2.29%表8 定速低背压涡旋压缩机型线参数表仕样Base2V5/Base2100%齿高（mm）/100%齿厚（mm）/100%偏心量（mm）/100%内容比A/B/100%吸气方式对称非对称型线方程代数螺旋圆渐开表9 型线V5计算结果对比仕样说明 轴向气体力（N）吸气流量（kg/s）动盘功率（W）仿真制冷量（W）COPBase2/V5-10.69%1.19%0.00%1.25%1.26%152023中国家电科技年会论文集资源同时满足GB/T 57732016 容积式制冷剂压缩机性能试验方法10。确定优化型线，对新型线进行出图、加工及装机实验，实测结果如表10所示。表10 定速低背压涡旋压缩机型线实验结果对比型线方案工况入力（W）冷量（W）COP新型线DOE-B-0.50%-2.04%1.57%ARI-0.75%-1.41%0.65%DOE-A-0.94%-2.06%1.14%旧型线DOE-B/ARI/DOE-A/实验测试表明，新型线DOE-A和DOE-B工况COP均有超过1%的提高，与仿真趋势一致。4 结论本文基于R454B制冷剂压缩腔动网格CFD仿真技术，以低背压涡旋压缩机为载体，研究了与型线相关的参数对泵体性能的影响，主要结论如下：（1）对于低背压涡旋压缩机，所建立的CFD压缩腔动网格仿真技术COP的计算趋势与实验趋势基本一致，可以用来指导能效提升技术研究。（2）对于低背压涡旋压缩机，齿高参数对轴向气体力、泵体内泄漏影响较大。非对称吸气形式同样适用于低背压涡旋压缩机，可以在排量、型线总长度不变的情况下进一步降低齿高，为型线提供优化空间。（3）K=1的代数螺旋线与等壁厚圆渐开型线在COP计算结果上相差不大，但圆渐开型线有更小的轴向气体力，使低背压涡旋压缩机中主机架止推面的摩擦磨损优化空间更大。（4）针对不同工况，设计合理的内容积比对性能影响同样非常重要。尤其当采用非对称吸气形式时，A/B腔内容积比应尽量保持相等，且需对动静盘齿头做非对称修正设计，以保证动盘齿头对排气口侵入面积最小。参考文献1 夏克盛,魏钟南.世界压缩机发展趋势J.制冷技术,2001,21(01):48-53.2 缪道平,吴业正.制冷压缩机M.北京:机械工业出版社,2001.3 李敏霞,王派,马一太,等.转子压缩机与涡旋压缩机的对比与发展J.制冷学报,2019,40(01):25-31.4 聂新.涡旋压缩机的流固耦合分析D.重庆:重庆理工大学,2019.5 王柳,林江波.涡旋压缩机用电机冷却系统CFD传热分析J.流体机械,2017,45:57-61.6 邵兵,王训杰,田玉恒,等.代数阿基米德螺旋涡旋型线的研究J.兰州理工大学学报,2004(05):64-67.7 欧阳军,张龙.R454B和R32应用于漩涡式压缩机的对比研究J.制冷与空调,2022(12):91-94.8 王晓东,马麟,姚文虎,等.替代R410A低GWP制冷剂R454B和R452B的特性研究J.制冷与空调,2020(09):85-89.9 赵远扬,李连生,束鹏程.热泵用涡旋压缩机可靠性研究J.家电科技,2004(zk):93-95.10 GB/T 57732016容积式制冷剂压缩机性能试验方法S.