輕商用大規格變頻轉子式壓縮機的開發

1 市場背景

近些年來，多聯機技術不斷提升，價格持續下降。隨著人們收入增加及對高品質生活的追求，消費者對多聯機的青睞程度增加，同時家電企業對多聯機的資源及研發投入、終端推廣等推動了國內多聯機市場迅速發展。2014年以來多聯機市場的增長率見圖1。

隨著多聯機市場份額的快速擴大，吸引了越來越多的企業不斷加入，競爭越演越烈。從定頻到變頻再到渦旋，從風冷到水冷，多聯機技術的不斷提高推動著中國多聯機市場的繁榮和發展。

目前市場上的多聯機主要有數碼多聯機和變頻多聯機。數碼多聯機的壓縮機為谷輪的數碼渦旋壓縮機，它不需要變頻控制器，通過控制動靜渦盤在單位時間內的接觸和分離時間來控制冷媒流量，以變容量的方式來適應負載的變化。其優點是無電磁輻射、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。

變頻多聯機分為交流變頻多聯機和直流變頻多聯機，由于直流變頻壓縮機性能優于交流變頻多聯機，目前市場上以直流變頻多聯機為主。其壓縮機主要為變頻渦旋壓縮機，但由于變頻旋轉壓縮機改變工況性能的優勢和其技術的不斷進步，旋轉壓縮機的應用越來越受到重視。

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

無論多聯機市場還是熱泵采暖市場，近幾年均發展迅速，大規格轉子式壓縮機作為強有力的競爭對手，發展也較快，因此開發高效、高可靠性、低噪音的大規格壓縮機非常重要。

2 渦旋壓縮機與轉子壓縮機的差異

渦旋壓縮機是利用動靜渦旋盤的相對公轉運動形成封閉容積的連續變化，實現壓縮氣體的目的。旋轉式壓縮機是利用一個偏心曲軸，帶動活塞在汽缸內轉動來縮小工作容積，以實現氣體的壓縮。圖3和圖4為渦旋壓縮機和轉子壓縮機的示意圖，其優缺點見表1所示。

3 IPLV與APF標準的差異

2016年7月1日，國家相關部門開始正式實施GB/T 18837-2015能效標準，在此標準中明確提出了關于APF相關要求，并明確了APF測試的各數據的計算方法及測試要求。該標準的實施，提高了行業的準入門檻，同時推動了中央空調廠家的技術創新及發展，屆時，多聯機一直沿用的IPLV值的能效標簽將正式退出歷史舞臺，由更能體現空調標準的標示APF值代替。

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

其中：A=機組100%負荷時的效率；B=機組75%負荷時的效率；C=機組50%負荷時的效率；D=機組25%負荷時的效率

a、b、c、d ：

嚴寒地區：1.0%、32.7%、51.2%、15.1%；

寒冷地區：0.7%、36.2%、53.4%、9.8%；

夏熱冬冷地區：2.3%、38.6%、47.2%、11.9%；

夏熱冬暖地區：0.7%、46.3%、41.7%、11.3%；

全國加權平均：1.3%、40.1%、47.3%、11.3%。

備注1：部分負荷百分數計算基準是名義制冷量

備注2：部分負荷性能系數IPLV代表了平均的單臺機組的運行工況，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。

在制冷季節及制熱季節中，機組進行制冷（制熱）運行時從室內除去的熱量及向室內送入的熱量之和與同一期間內消耗的電量總和之比。

CSTL——在制冷季節中，機組從封閉空間、房間或者區域內除去的熱量總和；

HSTL——在制熱季節中，機組向封閉空間、房間或者區域內送入的熱量總和；

CSTE——在制冷季節中，機組進行制冷運行時所消耗的電量總和；

HSTE——在制熱季節中，機組進行制熱運行時所消耗的電量總和。

圖1 2014年-2017上半年多聯機市場增長率對比圖

圖2 2012-2016年中國多聯機市場規模

圖3 渦旋式壓縮機

圖4 轉子式壓縮機

從上述可以得到，相比IPLV標準，APF更加全面更加準確地評價了一款機組的節能性。一款壓縮機APF優越，是要求在全工況制冷及制熱下COP性能高，即變頻壓縮機全轉速范圍內效率比較高，因此從圖5也可以得到，相比渦旋式壓縮機，轉子式壓縮機的綜合效率更優，在以APF標準評價多聯機機組性能的時代，轉子式壓縮機更具優越性。

圖5 全轉速范圍轉子式與渦旋式壓縮機綜合效率比較

圖8 有無第三支撐對曲軸變形影響

4 開發大規格轉子式壓縮機所要解決的關鍵技術問題

4.1 軸系結構可靠性設計

常規壓縮機結構如圖6所示，壓縮機由壓縮部件、電機組件、殼體、上下殼蓋和儲液器組成。壓縮部件位于電機下方，通過上缸蓋與殼體連接，定子通過熱套方式與殼體連接，該結構我司從1hp到5hp，相對比較成熟。但目前要開發大規格的直流變頻大壓縮機應用在輕商領域，目標定為16hp～20hp，相比量產的機種，排量、能力、轉速、負載均向上拓展，但壓縮機的軸徑、殼徑受限，因此常規壓縮機的結構無法滿足要求。

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

表1 渦旋式壓縮機與轉子式壓縮機的優缺點比較

表2 不同的排氣結構方案

表3 不同方案下閥片可靠性校核對比

該結構與常規壓縮機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子處的間隙和主支撐的軸受，提高了壓縮機的可靠性。

4.2 長配管安裝狀態下的出油率控制

結合空調多聯機的實際應用，如多聯機空調系統運行時，部分潤滑油會隨著制冷劑一起排出壓縮機，進入到系統配管、冷凝器和蒸發器中，要維持油的動態平衡，才能確保壓縮機不缺油。這對多聯機尤其是超長配管系統的多聯機，顯得尤為重要。

目前我司開發的大規格轉子式變頻壓縮機通過對出油孔大小角度優化、油孔型式改進（已申請專利）、氣流通道特殊設計（已申請專利）及分離路徑優化使得油循環率在目前相近規格的壓縮機中具有優勢，見圖10，使得該壓縮機潤滑油動態平衡。

4.3 噪音低減優越性

大規格轉子式壓縮機主要競爭對手是渦旋壓縮機，其在噪音方面相比轉子式優勢明顯，在設計上采用獨特的專利技術，第三輔助支撐結構，實現壓縮機高轉速下軸系的穩定性提升，同時還需更優越的降低噪音手段。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 排氣結構優化

大規格的轉子式壓縮機，轉速高排氣量大，對排氣結構要求較高。針對排氣閥片、閥片擋板進行有效分析，提高閥系可靠性是非常必要的。

根據壓縮機閥片實際運動過程，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，接觸應力過大，一定次數后造成閥片破損。（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，閥片出現不規則的顫振，常伴隨異常音，閥片不規則運動，因此可能形成各種異常的失效。

因此主要通過對排氣結構處進行合理設計，使得彎曲應力、沖擊應力、及閥片運動速度均滿足要求。

對排氣結構的幾個不同方案，進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 不同機型的壓縮機油循環率（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力；加大閥片厚度，閥片所受的彎曲應力上升，但是閥片沖擊速度及沖擊應力大大減小；降低擋板升程，對閥片的受力大大減小，閥片運動速度、彎曲應力、沖擊應力均減小，因此在性能不降低的前提條件下，保證大規格轉子式壓縮機的閥系可靠性，可以通過合理設計閥片結構及擋板形狀來實現。

5 總結

近幾年多聯機市場及低溫采暖市場均發展迅速，大規格轉子式壓縮機較渦旋壓縮機競爭優勢明顯，所占比例來越大。作為強有力的競爭對手，開發高效、高可靠性、低噪音的大規格轉子式壓縮機是非常必要的。（大規格轉子式壓縮機主要的關鍵技術點為：（1）設計高可靠性的軸系結構，我司通過應用獨特的第三支撐結構使得軸系運轉平穩，同時高轉速下定轉子氣隙更均勻；（2）設計優越的泵油系統或油循環路徑，使得潤滑油達到動態平衡，在長配管的安裝條件下，保證壓縮機內部潤滑；（3）高效地低噪音設計或者降噪手段；（4）較高的閥系結構可靠性。除此之外，低溫采暖用壓縮機的噴射結構設計、長時間高溫度高負荷狀態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注重點，篇幅所限，不再贅述。

參考文獻

[1] 繆道平, 吳業正. 《制冷壓縮機》, 機械工業出版社, 2008年第一版.

[2] 馬國遠, 李紅旗. 《旋轉壓縮機》, 機械工業出版社, 2003年第一版.

[3] 《公共建設節能設計標準（公共建筑部分）》.