新型高壓低重斜盤式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)性能研究

海 方，蘇智劍

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

隨著機(jī)載武器的高速發(fā)展，對高壓空氣壓縮機(jī)的高氣壓、輕量化、安全性要求愈來愈高，當(dāng)前我國壓縮機(jī)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(jī)載武器系統(tǒng)中使用；對比國外先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)，如X45，F(xiàn)35 等，其內(nèi)掛式武器彈射已經(jīng)大量裝備了高壓的純凈空氣系統(tǒng)，即HiPPAG系統(tǒng)，其重量輕、氣壓高便于搭載[1]。該設(shè)計突破了機(jī)載高壓空氣壓縮系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，可為我國生產(chǎn)符合機(jī)載要求的高壓輕量化壓縮機(jī)提供技術(shù)支持。壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有斜盤式和滑片式兩種，滑片式壓縮機(jī)滑片與轉(zhuǎn)子間的摩擦?xí)S著工作量的增加產(chǎn)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(jī)的性能要求；斜盤式壓縮機(jī)摩擦小、效率高，目前廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)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(xiàn)熱量高、效率低等情況，所以當(dāng)壓縮比要求高于這一數(shù)值時可通過多級壓縮來實(shí)現(xiàn)，通過針對多級壓縮配合級間冷卻的方式進(jìn)行創(chuàng)新化設(shè)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(jī)。該設(shè)計氣缸的中心軸線與轉(zhuǎn)軸中心線平行，整體形狀類似于圓筒，具備結(jié)構(gòu)微型輕量化、總壓縮比高、振動噪聲低等特點(diǎn)，可運(yùn)用于航空航天、汽車、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

2 新型斜盤式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

新型斜盤式壓縮機(jī)由箱體、斜盤、主軸、前后氣缸蓋、進(jìn)出氣閥、氣缸、活塞等結(jié)構(gòu)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(cè)，二者通過滑靴和滑履連接，且柱塞上設(shè)置單向閥配流，同一級氣缸并聯(lián)，不同級氣缸串聯(lián)，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(hù)，該結(jié)構(gòu)采用分體設(shè)計，分為左右兩個箱體，用M6 的螺栓緊固連接并設(shè)置定位銷保證其安裝精度。箱體外設(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。內(nèi)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(shè)置進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)動一周的情況下完成氣缸的四級壓縮運(yùn)動。每個氣缸上均配有進(jìn)氣閥和排氣閥進(jìn)行進(jìn)、排氣過程，同時設(shè)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(shí)現(xiàn)[3]。

圖1 斜盤壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal Structure of the Swash Plate Compressor

壓縮旋轉(zhuǎn)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(shè)置軸套和軸肩實(shí)現(xiàn)定位且其上設(shè)計2mm 的滑道，滑片置于滑道中防止斜盤磨損，磨損嚴(yán)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(yùn)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(nèi)做往復(fù)運(yùn)動，完成氣缸的壓縮過程，雙作用活塞外壁附有活塞環(huán)用以密封和潤滑，氣缸一側(cè)為閥板其上有兩個圓柱形內(nèi)孔壁用來安裝吸氣閥和排氣閥（圖3 兩端的位置），避免進(jìn)、排氣閥之間相互傳熱影響正常工作，進(jìn)、排氣閥采用模塊化設(shè)計外形尺寸相同。

圖2 壓縮機(jī)斜盤旋轉(zhuǎn)部分Fig.2 Swash Plate Rotating Part of Compressor

圖3 壓縮機(jī)壓縮部分Fig.3 Compression Section of Compressor

3 壓縮機(jī)的運(yùn)動學(xué)過程數(shù)學(xué)模型

3.1 活塞運(yùn)動的位移、速度、加速度的變化規(guī)律

斜盤式壓縮機(jī)的往復(fù)壓縮過程中，主軸以一定的轉(zhuǎn)速作旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Structure of the Swash Plate

把主軸旋轉(zhuǎn)的速度假設(shè)為n（r/min）、角速度ω，其轉(zhuǎn)角可表示為θ=ωt、活塞的位移S、工作容積v、活塞的運(yùn)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(yùn)動的各參數(shù)均與主軸轉(zhuǎn)角成正弦或余弦的運(yùn)動關(guān)系[4]，通過仿真分析可得到一級活塞各參數(shù)變化關(guān)系圖。

圖5 一級氣缸的位移、速度、加速度、工作容積隨轉(zhuǎn)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(diǎn)的相對運(yùn)動

假設(shè)活塞與斜盤的接觸點(diǎn)為B′，它隨斜盤的運(yùn)動軌跡為橢圓形，如圖4 所示。斜盤表面接觸點(diǎn)B 繞O 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的相對角速度為：

當(dāng)接觸點(diǎn)在斜盤上做橢圓形運(yùn)轉(zhuǎn)時，接觸點(diǎn)在斜盤上運(yùn)動一周所用的時間等于主軸旋轉(zhuǎn)一周所用的時間[5]，所以相對運(yùn)動的角速度的平均值ωm與主軸轉(zhuǎn)動的角速度ω 相等，即ωm=ω，圖4 中，設(shè)Oyz 坐標(biāo)系B 點(diǎn)的相對運(yùn)動速度分量Vy 和Vz；在Oy′z′坐標(biāo)系中，B′點(diǎn)的相對運(yùn)動分量Vy′和Vz′。

接觸點(diǎn)B 在斜盤表面沿橢圓軌跡運(yùn)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(shù)之間的關(guān)系

壓縮機(jī)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(jìn)行的，即氣缸內(nèi)部與外界無熱量交換，而進(jìn)氣和排氣過程是按等壓過程進(jìn)行的，即壓力始終是保持不變的。

假設(shè)活塞距離斜盤最遠(yuǎn)處為運(yùn)動起始點(diǎn)，指向斜盤方向?yàn)檫\(yùn)動的正方向，那么活塞在氣缸內(nèi)最初運(yùn)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(shù)；m—膨脹過程指數(shù)；L—活塞行程，L=2rtanα，令P=Ps（Ps進(jìn)氣壓力）可得出臨界角θ1，吸氣閥打開，膨脹過程結(jié)束。

（2）進(jìn)氣過程：P=Ps，式中：Ps—進(jìn)氣壓力，當(dāng)?shù)扔讦?π 時，活塞處于最小位移處，進(jìn)氣過程結(jié)束。

（3）壓縮過程：

式中：Ps—排氣的壓力；ac—余隙容積系數(shù)；n—壓縮過程指數(shù)；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(jié)束。

（4）排氣過程，排氣過程為P=Pd 的等壓過程，當(dāng)θ=2π 時，壓縮機(jī)一個工作循環(huán)結(jié)束。

初始狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(tài)氣體且各級壓縮多方過程指數(shù)相等的情況[7]。

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

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

通過MATLAB 分析出各級氣缸壓強(qiáng)與轉(zhuǎn)角的之間的變化關(guān)系，如圖6 所示。

圖6 MATLAB 分析壓強(qiáng)與轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系圖Fig.6 Matlab Analysis of Relationship Between Pressure and Rotation

綜上分析可得，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)p 是轉(zhuǎn)角的分段函數(shù)，可知?dú)飧變?nèi)各狀態(tài)的壓強(qiáng)值，通過多級（四級）壓縮可使其氣壓逐漸增加最后達(dá)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(shí)現(xiàn)超高壓，通過該設(shè)計方案可使壓縮機(jī)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(xù)和穩(wěn)定。

4 壓縮機(jī)的高效級間冷卻及管路設(shè)計

4.1 冷卻管路的布置原則

新型壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計可使超高壓和輕量化得以實(shí)現(xiàn)，但該過程將會產(chǎn)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(jìn)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(shè)置冷卻管路通過冷卻管路的氣體經(jīng)冷卻后再進(jìn)入后級氣缸，依次類推到最后一級，然后至儲氣罐中，以此達(dá)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(shè)計方案

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

實(shí)際氣體過程方程：

式中：Kt—溫度等嫡指數(shù)；Kv—容積等嫡指數(shù)；Z—壓縮因子，溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系可以根據(jù)空氣等嫡指數(shù)查找所得，根據(jù)對應(yīng)態(tài)原理，不同的物質(zhì)當(dāng)它們處于對應(yīng)態(tài)時具有相同的壓縮因子。

所以壓縮機(jī)的壓縮過程滿足下式：

第一級壓縮的壓縮過程相關(guān)參數(shù)：T11=293K，P11=0.1MPa，P12=0.46MPa，n==1.33 代入式（9）可得T12=427.8K。經(jīng)冷卻管路后第n 級進(jìn)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(jù)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(jī)在工作的過程中氣體所產(chǎn)生的的熱量。其中，m=ρV，空氣的密度ρ=1.205kg/m3，將各參數(shù)代入可得釋放的熱量為3.04J，再將此過程產(chǎn)生的熱量在冷卻管道內(nèi)進(jìn)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(nèi)的氣體與外界通過其圓柱形壁面完成熱交換。冷卻管內(nèi)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(yuǎn)大于壁厚δ，所以可簡化為一維導(dǎo)熱問題，根據(jù)牛頓冷卻定律和傅立葉導(dǎo)熱定律進(jìn)行計算[10]。

圖8 冷卻管路設(shè)計簡圖Fig.8 Cooling Piping Design Sketch

高溫高壓氣體與冷卻管內(nèi)壁滿足牛頓冷卻定律：

冷卻管壁內(nèi)部為熱傳導(dǎo)，滿足傅里葉導(dǎo)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(dǎo)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(shù)，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)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(fā)的總熱量。

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

根據(jù)壓縮機(jī)的型號及相關(guān)的工作指數(shù)，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(dá)到系統(tǒng)級間冷卻的要求滿足管道溫度標(biāo)準(zhǔn)，相比傳統(tǒng)壓縮機(jī)能有效降低冷卻溫度、縮短冷卻時間（5s 內(nèi)），提高壓縮機(jī)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(jù)狀態(tài)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(shù)微分方程進(jìn)行模擬計算，通過龍格庫塔法對數(shù)值進(jìn)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(qiáng)的變化曲線。

在多級壓縮過程中溫度、壓強(qiáng)的變化，如圖9 所示。其中T0、T4分別為一級進(jìn)氣和四級排氣壓力，從一級到四級壓縮過程中溫度、壓強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣壓力，p4為四級排氣壓力。

圖9 各級壓力與溫度的變化關(guān)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(shè)計的仿真實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)值以下，即冷卻過程，分級壓縮每一級產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，且提高工作效率，該冷卻管道設(shè)計方案得以驗(yàn)證。

5 結(jié)論

（1）新型高壓低重的空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計著重突出的特點(diǎn)是其超高壓、輕量化、低損耗的特點(diǎn)，更好的服務(wù)于機(jī)載武器的彈射。通過分析新型壓縮機(jī)工作過程中速度、加速度、壓強(qiáng)等隨轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，可得壓力波動較小且持續(xù)可控，運(yùn)動過程平穩(wěn)。同時這一技術(shù)用于氟利昂、液壓油等領(lǐng)域?qū)泻芎冒l(fā)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(tǒng)壓縮機(jī)壓力可提高15 倍左右且壓力持續(xù)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(tǒng)溫度。（3）冷卻系統(tǒng)的設(shè)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(fā)出，相比其他壓縮機(jī)有效地縮短冷卻時間（5s 內(nèi)）、降低排氣溫度。此管路設(shè)計可使其冷卻效果達(dá)到最佳狀態(tài)，使高壓低重壓縮機(jī)高效、穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。該設(shè)計為壓縮機(jī)的進(jìn)一步研究提供了一種全新的、切實(shí)可行的思路，此研究將會為這一領(lǐng)域帶來較為深遠(yuǎn)的意義和應(yīng)用價值。