新型高壓低重斜盤式壓縮機結構性能研究

海 方，蘇智劍

（鄭州大學機械工程學院，河南 鄭州 450001）

1 引言

隨著機載武器的高速發展，對高壓空氣壓縮機的高氣壓、輕量化、安全性要求愈來愈高，當前我國壓縮機主要以單級活塞式為主，普遍存在體積大、重量重、氣壓低等問題，無法搭載在機載武器系統中使用；對比國外先進作戰飛機，如X45，F35 等，其內掛式武器彈射已經大量裝備了高壓的純凈空氣系統，即HiPPAG系統，其重量輕、氣壓高便于搭載[1]。該設計突破了機載高壓空氣壓縮系統的技術瓶頸，可為我國生產符合機載要求的高壓輕量化壓縮機提供技術支持。壓縮機的結構形式有斜盤式和滑片式兩種，滑片式壓縮機滑片與轉子間的摩擦會隨著工作量的增加產生更多熱量，加快元器件磨損，將極大降低其工作效率和使用壽命，難以滿足高壓空氣壓縮機的性能要求；斜盤式壓縮機摩擦小、效率高，目前廣泛應用于汽車空調系統中，但因壓力較低且為單級壓縮，只可部分借鑒。單級壓縮的壓縮比在（8～12）之間，并且會出現熱量高、效率低等情況，所以當壓縮比要求高于這一數值時可通過多級壓縮來實現，通過針對多級壓縮配合級間冷卻的方式進行創新化設計和研究，以滿足高氣壓、輕量化、安全性并存的高壓空氣壓縮機。該設計氣缸的中心軸線與轉軸中心線平行，整體形狀類似于圓筒，具備結構微型輕量化、總壓縮比高、振動噪聲低等特點，可運用于航空航天、汽車、醫療器械等領域。

2 新型斜盤式壓縮機的結構及工作原理

新型斜盤式壓縮機由箱體、斜盤、主軸、前后氣缸蓋、進出氣閥、氣缸、活塞等結構組成，主軸與斜盤通過一體化成型加工而成，雙作用的柱塞位于斜盤兩側，二者通過滑靴和滑履連接，且柱塞上設置單向閥配流，同一級氣缸并聯，不同級氣缸串聯，四級氣缸相互配合完成壓縮[2]。為了方便后期的安裝和維護，該結構采用分體設計，分為左右兩個箱體，用M6 的螺栓緊固連接并設置定位銷保證其安裝精度。箱體外設計一些小氣孔，減輕重量的同時保證有效散熱，并在每級之間插入冷卻管路，使散熱效果更為突出。

內部結構圖，如圖1 所示。內有上下兩個活塞桿，位于上方的活塞桿兩端為二級和三級氣缸，下方活塞桿兩端為一級和四級氣缸，均通過通過活塞固連，氣缸兩端均設置進氣閥和排氣閥，一級氣缸的排氣閥通過翅片管與二級氣缸的進氣閥連接，二級與三級氣缸、三級與四級氣缸亦如此，在主軸轉動一周的情況下完成氣缸的四級壓縮運動。每個氣缸上均配有進氣閥和排氣閥進行進、排氣過程，同時設置單向閥配流，另外氣缸的直徑是逐級縮小的以便于高氣壓的實現[3]。

圖1 斜盤壓縮機內部結構圖Fig.1 Internal Structure of the Swash Plate Compressor

壓縮旋轉部分，如圖2、圖3 所示。斜盤通過鍵連接的方式安裝在主軸（階梯軸）上，兩端設置軸套和軸肩實現定位且其上設計2mm 的滑道，滑片置于滑道中防止斜盤磨損，磨損嚴重時也便于更換，采用性能較好的巴氏合金潤滑。主軸帶動斜盤運動通過滑靴作用于雙作用連桿，連桿連接壓縮活塞，在氣缸內做往復運動，完成氣缸的壓縮過程，雙作用活塞外壁附有活塞環用以密封和潤滑，氣缸一側為閥板其上有兩個圓柱形內孔壁用來安裝吸氣閥和排氣閥（圖3 兩端的位置），避免進、排氣閥之間相互傳熱影響正常工作，進、排氣閥采用模塊化設計外形尺寸相同。

圖2 壓縮機斜盤旋轉部分Fig.2 Swash Plate Rotating Part of Compressor

圖3 壓縮機壓縮部分Fig.3 Compression Section of Compressor

3 壓縮機的運動學過程數學模型

3.1 活塞運動的位移、速度、加速度的變化規律

斜盤式壓縮機的往復壓縮過程中，主軸以一定的轉速作旋轉運動，各個氣缸的軸線以主軸為中心，分布在一定半徑的圓周上即氣缸分布圓，斜盤是以一定的傾斜角套在主軸上，所以氣缸的分布圓與斜盤會呈一定的傾斜角，因此分布圓與斜盤的交線為橢圓，如圖4 所示。

圖4 斜盤運動的結構示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Structure of the Swash Plate

把主軸旋轉的速度假設為n（r/min）、角速度ω，其轉角可表示為θ=ωt、活塞的位移S、工作容積v、活塞的運動速度v 和加速度a 如下：

其中：w=700r/min，Sa=17.68cm2，r=37.5mm，我們可以看出，活塞運動的各參數均與主軸轉角成正弦或余弦的運動關系[4]，通過仿真分析可得到一級活塞各參數變化關系圖。

圖5 一級氣缸的位移、速度、加速度、工作容積隨轉角變化圖Fig.5 Variation of Displacement、Velocity、Acceleration and Working Volume of the First-Stage Cylinder with the Rotation Angle

3.2 接觸點的相對運動

假設活塞與斜盤的接觸點為B′，它隨斜盤的運動軌跡為橢圓形，如圖4 所示。斜盤表面接觸點B 繞O 點旋轉的相對角速度為：

當接觸點在斜盤上做橢圓形運轉時，接觸點在斜盤上運動一周所用的時間等于主軸旋轉一周所用的時間[5]，所以相對運動的角速度的平均值ωm與主軸轉動的角速度ω 相等，即ωm=ω，圖4 中，設Oyz 坐標系B 點的相對運動速度分量Vy 和Vz；在Oy′z′坐標系中，B′點的相對運動分量Vy′和Vz′。

接觸點B 在斜盤表面沿橢圓軌跡運動的線速度為：

3.3 斜盤壓縮工作的四個過程壓力與各參數之間的關系

壓縮機的壓縮工作包括吸氣、膨脹、壓縮和排氣四個過程。其中膨脹和壓縮是按絕熱過程進行的，即氣缸內部與外界無熱量交換，而進氣和排氣過程是按等壓過程進行的，即壓力始終是保持不變的。

假設活塞距離斜盤最遠處為運動起始點，指向斜盤方向為運動的正方向，那么活塞在氣缸內最初運動為氣體的膨脹過程[6]。

（1）膨脹過程

式中：Pd—排氣的壓力；ac—余隙容積系數；m—膨脹過程指數；L—活塞行程，L=2rtanα，令P=Ps（Ps進氣壓力）可得出臨界角θ1，吸氣閥打開，膨脹過程結束。

（2）進氣過程：P=Ps，式中：Ps—進氣壓力，當等于θ=π 時，活塞處于最小位移處，進氣過程結束。

（3）壓縮過程：

式中：Ps—排氣的壓力；ac—余隙容積系數；n—壓縮過程指數；L—活塞行程，L=2rtana。令P=Pd時，可算的臨界角θ2，排氣閥打開，壓縮過程結束。

（4）排氣過程，排氣過程為P=Pd 的等壓過程，當θ=2π 時，壓縮機一個工作循環結束。

初始狀態為標準大氣壓，即氣壓為1.0×105壓縮完成后排氣口的壓力為30MPa。按等壓力比計算，分四級壓縮則每級的壓縮比U4=300 得U=4.16。當各級壓力按等壓力比分配時會使等溫指示效率最高，僅適合于理想或近似理想狀態氣體且各級壓縮多方過程指數相等的情況[7]。

表1 各級壓力級壓縮過程指數Tab.1 Pressure Level Compression Process Index of Each Level

實際過程中氣體的壓力和環境溫度都會有所不同，因此各級壓縮多方過程指數是不同的[8]。對于實際壓縮過程來說，應該根據各級功率相等來分配壓力比，確定進出口壓力。可得U=4.6，進氣口的壓力為0.1MPa，則排氣口的壓力為0.46MPa。根據實際氣體狀態方程可得一級壓縮過程相關參數：T11=293K，P11=0.1MPa，P12=0.46MPa，壓縮過程指數n=（0.93～0.95）k，等嫡系數k=1.4，得n=1.33。同理可得其他各級的壓強，過程指數等相關參數，如表1所示。

通過MATLAB 分析出各級氣缸壓強與轉角的之間的變化關系，如圖6 所示。

圖6 MATLAB 分析壓強與轉角的變化關系圖Fig.6 Matlab Analysis of Relationship Between Pressure and Rotation

綜上分析可得，氣缸內壓強p 是轉角的分段函數，可知氣缸內各狀態的壓強值，通過多級（四級）壓縮可使其氣壓逐漸增加最后達到超高壓的目的（35MPa），單級壓縮氣壓最高為1.2MPa，同時逐級縮小氣缸的尺寸更有效的實現超高壓，通過該設計方案可使壓縮機的壓力相比單級活塞式提高15 倍以上，且高壓氣體相對持續和穩定。

4 壓縮機的高效級間冷卻及管路設計

4.1 冷卻管路的布置原則

新型壓縮機的結構設計可使超高壓和輕量化得以實現，但該過程將會產生大量熱量，因此過程冷卻將成為較為重要的問題，該方案的新穎之處是通過多級壓縮配合級間冷卻來完成，空氣進入到第一級氣缸壓縮后氣體的溫度將升高，上一級的排氣溫度高將會給下一級壓縮造成影響，級間冷卻便能很好的解決這一問題，每級之間設置冷卻管路通過冷卻管路的氣體經冷卻后再進入后級氣缸，依次類推到最后一級，然后至儲氣罐中，以此達到降低各級排氣氣體的溫度、提高工作效率的目的。

（1）（2）（3）（4）分別是四個冷卻管道，如圖7 所示。在每一級的壓縮之后用來冷卻氣體降低其溫度。

圖7 冷卻管路布置圖Fig.7 Cooling Piping Layout

4.2 新型冷卻管路的設計方案

圖表6 可得各級進出口壓力和壓縮過程指數即一級壓縮中：p11=0.1MPa，p12=0.46MPa，n=1.33，對于實際氣體壓縮過程是一個較為復雜的多變過程，滿足氣體過程和狀態方程。

實際氣體過程方程：

式中：Kt—溫度等嫡指數；Kv—容積等嫡指數；Z—壓縮因子，溫度和壓強的關系可以根據空氣等嫡指數查找所得，根據對應態原理，不同的物質當它們處于對應態時具有相同的壓縮因子。

所以壓縮機的壓縮過程滿足下式：

第一級壓縮的壓縮過程相關參數：T11=293K，P11=0.1MPa，P12=0.46MPa，n==1.33 代入式（9）可得T12=427.8K。經冷卻管路后第n 級進氣溫度需滿足Tn1≤T0+10（n-1），其中，T0=273K，n=1.33，代入上式可得T21=303K，通過冷卻管道后溫度差降△T=T12-T21=427-303=124K。

根據溫度的下降量確定一二級氣缸間冷卻管路[9]。由空氣等體積比熱容公式Q=CV*m*△T，CV=727J（kg*k）可以求得壓縮機在工作的過程中氣體所產生的的熱量。其中，m=ρV，空氣的密度ρ=1.205kg/m3，將各參數代入可得釋放的熱量為3.04J，再將此過程產生的熱量在冷卻管道內進行冷卻。

冷卻管道的簡圖，如圖8 所示。其散熱過程是通過冷卻管道的管壁內的氣體與外界通過其圓柱形壁面完成熱交換。冷卻管內為高溫高壓氣體，外為常溫常壓的大氣，壁厚δ，寬度D，冷卻管道半徑r，長度L，由于冷卻管道的寬度和高度尺寸遠大于壁厚δ，所以可簡化為一維導熱問題，根據牛頓冷卻定律和傅立葉導熱定律進行計算[10]。

圖8 冷卻管路設計簡圖Fig.8 Cooling Piping Design Sketch

高溫高壓氣體與冷卻管內壁滿足牛頓冷卻定律：

冷卻管壁內部為熱傳導，滿足傅里葉導熱定律：

冷卻管外壁與大氣傳熱，滿足牛頓冷卻定律：

由式（10）～式（12）可得：

冷卻管壁的熱導率相對于氣體的較大，δ/λ 的值較小可忽略不計，可簡化為Q=h（Tf1-Tf2）S，h 為綜合傳熱系數，根據圍護結構熱阻公式R0=R1+R+Re，R0=1/h，可得h=1/（R1+Re），R1為表面換熱電阻，Re 為外表面換熱電阻，電阻R 的值可忽略不計；考慮到冷卻管翅管的存在，假設翅化比為m，圓柱形冷卻管的表面積S=2πrL，再將h=1/（R1+Re）和S=2πr 代入Q=h（Tf1-Tf2）S，得冷卻管道散發的總熱量。

上式中各參數值為：Tf1=293K，Tf2=427.8K，Ri=0.11（m2k）/W r=6cm，Re=0.04（m2k）/W。

根據壓縮機的型號及相關的工作指數，t=60s，Q=2.42Ln 其中翅化比10＜n＜24 之間，取n=10，Q=3.04J，得L=0.13m，因此可得冷卻管直徑為6cm、長度為13cm，冷卻時間為5s，即可達到系統級間冷卻的要求滿足管道溫度標準，相比傳統壓縮機能有效降低冷卻溫度、縮短冷卻時間（5s 內），提高壓縮機的工作效率。

4.3 冷卻管路模型求解與仿真

以多級壓縮中的其中一個過程為例，根據狀態方程PV=mRT，其中P、V、T、m 均為變化的，只有R 為定值，所以：

將該一階非線性的變系數微分方程進行模擬計算，通過龍格庫塔法對數值進行求解，在ansys 中仿真該冷卻管路冷卻完成后溫度的下降量，得出溫度和壓強的變化曲線。

在多級壓縮過程中溫度、壓強的變化，如圖9 所示。其中T0、T4分別為一級進氣和四級排氣壓力，從一級到四級壓縮過程中溫度、壓強的變化曲線為1-a-a′-b′-b-c-c′-d-d′，一級壓縮過程為1-a-a′，p0為一級進氣壓力，p1為一級排氣壓力，二級壓縮過程為a′-b-b′，p1為二級進氣壓力，p2為二級排氣壓力，三級壓縮過程為b′-c-c′，p2為三級進氣壓力，p3為三級排氣壓力，四級壓縮過程為c′-d-d′，p3為四級進氣壓力，p4為四級排氣壓力。

圖9 各級壓力與溫度的變化關系圖Fig.9 Diagram of the Relationship Between Pressure and Temperature of Each Level

綜上可知，此冷卻管路設計的仿真實驗在壓縮全過程中，每一級壓縮完成后，壓力不變溫度降低至標準值以下，即冷卻過程，分級壓縮每一級產生的熱量相比單級壓縮較少，再加上級間冷卻，該方式使每一級溫度降低的同時總的排氣溫度也降低至合理范圍，滿足冷卻標準，且提高工作效率，該冷卻管道設計方案得以驗證。

5 結論

（1）新型高壓低重的空氣壓縮機結構設計著重突出的特點是其超高壓、輕量化、低損耗的特點，更好的服務于機載武器的彈射。通過分析新型壓縮機工作過程中速度、加速度、壓強等隨轉角的變化關系，可得壓力波動較小且持續可控，運動過程平穩。同時這一技術用于氟利昂、液壓油等領域將會有很好發展前景。（2）采用多級（四級）壓縮和逐級減小氣缸直徑的方式有效地提高了總壓縮比，相比傳統壓縮機壓力可提高15 倍左右且壓力持續可控，與單級壓縮方式相比極大地減小了壓縮過程中指示功，降低系統溫度。（3）冷卻系統的設計較為新穎，多級壓縮配合分級冷卻，在完成每一級壓縮后冷卻及時的將熱量散發出，相比其他壓縮機有效地縮短冷卻時間（5s 內）、降低排氣溫度。此管路設計可使其冷卻效果達到最佳狀態，使高壓低重壓縮機高效、穩定可靠的運行。該設計為壓縮機的進一步研究提供了一種全新的、切實可行的思路，此研究將會為這一領域帶來較為深遠的意義和應用價值。