陳 凱，劉益才，張建平，辛天龍，陳思明

（1.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.湖南云箭集團(tuán)公司，湖南 長沙 410083）

1 引言

20世紀(jì)70年代以來，由于能源危機(jī)的加劇和高精度數(shù)控銑床的出現(xiàn)，為渦旋機(jī)械的發(fā)展帶來了機(jī)遇。美國的ADL公司首次提出了渦旋氮?dú)鈮嚎s機(jī)的研究報告，并證明了渦旋壓縮機(jī)所具有其他壓縮機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，從而為渦旋壓縮機(jī)的大規(guī)模的工程開發(fā)和研制走上了迅速發(fā)展的道路。

渦旋式壓縮機(jī)的工作原理如圖1所示:用漸開曲線等創(chuàng)造的具有螺旋形的靜渦盤和動渦盤相互嚙合，可以形成幾個壓縮腔。讓動渦盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，壓縮腔向中心轉(zhuǎn)移的同時，其容積減少，利用這種作用吸入壓縮冷媒。因?yàn)檫@時存在幾組壓縮腔，所以按順序連續(xù)往復(fù)循環(huán)完成吸氣、壓縮、排氣等循環(huán)行程。

圖1 渦旋壓縮機(jī)工作原理圖

無油渦旋壓縮機(jī)作為渦旋壓縮機(jī)的一個分支和最新研究熱點(diǎn)，其工作原理和普通的渦旋壓縮機(jī)基本相同[1,2]，唯一不同的就是在無油渦旋壓縮機(jī)的動靜渦盤壓縮腔內(nèi)沒有潤滑油來實(shí)現(xiàn)密封和潤滑，在無油渦旋壓縮機(jī)的渦旋齒端面開槽嵌入由自潤滑材料制成的密封條來實(shí)現(xiàn)和代替有油潤滑渦旋壓縮機(jī)中的潤滑油的相關(guān)功能[3]。

近年來，由于世界壓縮機(jī)市場的迅速擴(kuò)大，和在能源危機(jī)及環(huán)境保護(hù)的壓力下，渦旋壓縮機(jī)以其優(yōu)于其他傳統(tǒng)類型壓縮機(jī)獨(dú)特的優(yōu)勢，其發(fā)展必將突飛猛進(jìn)。目前，大多數(shù)的渦旋壓縮機(jī)都是采用有油潤滑，但是隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的場合需要用到無油污染的純凈壓縮氣體，如質(zhì)子交換膜燃料電池[4]中所需要的壓縮空氣就是不能有油的。傳統(tǒng)的無油活塞式和螺桿式等壓縮機(jī)的技術(shù)相對成熟，但無油渦旋壓縮機(jī)在小排氣量的情況下具有無可比擬的優(yōu)勢[5,6]。近年來，越來越多的科研人員進(jìn)行了無油渦旋壓縮機(jī)多個方面的研究，使得其技術(shù)也越來越進(jìn)步和成熟。但針對無油渦旋壓縮機(jī)的難點(diǎn)問題[7,8]，還有待突破，今后也需要努力進(jìn)行技術(shù)上的創(chuàng)新，給無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展帶來美好的前景。

2 無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

2.1 無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展歷史

自從1973年美國ADL．公司首次提出了渦旋氮?dú)鈮嚎s機(jī)的研究報告，并證明了渦旋壓縮機(jī)所具有其他壓縮機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)以來，使得渦旋壓縮機(jī)的大規(guī)模的工程開發(fā)和研制走上了迅速發(fā)展的道路。1982年，日本三電公司拉開了汽車空調(diào)渦旋式壓縮機(jī)批量生產(chǎn)的序幕，其后，日立公司、三菱電氣、大金、松下，美國的考普蘭和特靈也開始了渦旋壓縮機(jī)的批量生產(chǎn)。

在中國，渦旋壓縮機(jī)的起步是在最近十幾年，先后有西安交通大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、合肥通用機(jī)械研究所、中南大學(xué)制冷及低溫研究所等。無論是在國外還是國內(nèi)，無油渦旋壓縮機(jī)的研究及其發(fā)展都是伴隨著渦旋壓縮機(jī)一起走過的，在早期，渦旋式空氣壓縮機(jī)的研究就是主要針對無油渦旋壓縮機(jī)，該類壓縮機(jī)工作腔內(nèi)氣體的密封完全依靠動靜渦盤的加工精度來控制，型線的加工精度要求極高[9]，加工不好則很容易形成縫隙，造成泄露，影響渦旋壓縮機(jī)的性能。因此，隨著型線加工技術(shù)不斷發(fā)展，將會給無油渦旋壓縮機(jī)技術(shù)的成熟提供動力。

2.2 無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國外渦旋壓縮機(jī)公司已經(jīng)形成美國谷輪,日本大金、三菱、韓國三星等幾大公司，并呈現(xiàn)出幾個特點(diǎn):一是各公司年產(chǎn)量及發(fā)展生產(chǎn)潛力都很大；二是各公司有各自技術(shù)特色的專利產(chǎn)品——谷輪可以說是渦旋壓縮機(jī)的“王者”，其獨(dú)創(chuàng)的數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)不但被眾多廠商用在家用空調(diào)高端機(jī)型，更被眾多小型商用空調(diào)廠商所青睞，該公司最為出名的產(chǎn)品為TWO STEP渦旋式變?nèi)輭嚎s機(jī)，該種壓縮機(jī)是目前全球最佳的變?nèi)萘考夹g(shù)方案，而日本大金壓縮機(jī)以低噪和高效技術(shù)見長；三是小型化趨勢更明顯——無油渦旋壓縮機(jī)在小排氣量領(lǐng)域有著傳統(tǒng)壓縮機(jī)不可比擬的優(yōu)勢，各公司相繼推出了更小型化無油渦旋壓縮機(jī)產(chǎn)品；四是各公司都十分注重安全可靠性——在全球的制造商眼里，安全都是一個彌補(bǔ)高技能勞動力資源缺乏的方法，由于對總投資回報的意識越來越強(qiáng)，策略性安全計劃成為了制造商的重中之重；五是各大公司都適應(yīng)全球化經(jīng)濟(jì)時代的大發(fā)展而在世界各國設(shè)立分廠。

無油渦旋壓縮機(jī)作為渦旋壓縮機(jī)的一個研究分支，各大壓縮機(jī)制造公司在無油渦旋壓縮機(jī)的研究上都有大投入，借助于渦旋壓縮機(jī)的研究技術(shù)成果，都在希望及其可能突破無油渦旋壓縮機(jī)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。然而到目前為止，并不是各大壓縮機(jī)公司都在無油渦旋壓縮機(jī)這一領(lǐng)域取得了成功。日本是第一個掌握無油渦旋空氣式壓縮機(jī)技術(shù)的國家，2009年9月，江西惟思特科技發(fā)展有限公司投資1200萬元，試產(chǎn)建成我國首條無油渦旋空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)線。今年1月，經(jīng)國家權(quán)威部門檢測，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)全部合格，其中兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)超過進(jìn)口水平。這標(biāo)志著我國已成為繼日本后第二個全面掌握無油渦旋空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)技術(shù)的國家。2010年2月23日，國內(nèi)首個無油渦旋壓縮機(jī)生產(chǎn)基地在江西省豐城市正式開建，項(xiàng)目建成后，將年產(chǎn)30萬臺無油渦旋空氣壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)產(chǎn)值64億元。

3 無油渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無油渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)

較于普通有油潤滑的渦旋壓縮機(jī)其壓縮腔內(nèi)沒有潤滑油，而在有油潤滑的時候，潤滑油可以實(shí)現(xiàn)壓縮腔的密封，同時也能導(dǎo)出部分壓縮腔的熱量，提高壓縮效率；無油渦旋壓縮機(jī)則不同，其完全應(yīng)該由動靜渦盤的加工精度來控制壓縮腔的泄露，同時在渦盤的端面開槽，放入由自潤滑材料制成的密封條。

圖2所示為無油渦旋空氣壓縮機(jī)的實(shí)物圖，表示了渦旋壓縮機(jī)部分。

圖2 無油渦旋空氣壓縮機(jī)的實(shí)物圖

無油渦旋壓縮機(jī)主要由以下部分組成：

1）動靜渦盤：作為無油渦旋壓縮機(jī)的核心部件，在動靜渦盤嚙合而形成的壓縮腔內(nèi)，工作介質(zhì)不停的被吸收和排除，從而循環(huán)完成壓縮過程。

2）支架體：支撐動靜渦盤的機(jī)構(gòu)。

3）曲軸：連接電機(jī)和動渦盤的機(jī)構(gòu),電機(jī)通過帶動曲軸的旋轉(zhuǎn)來控制動渦盤的啟動。

4）密封條：密封條是設(shè)置在動靜渦盤端面所開的槽內(nèi)，這對于無油渦旋壓縮機(jī)來說至關(guān)重要，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮腔的密封而且能夠增加耐磨性，延長動靜渦盤的工作壽命。

5）電機(jī)：電機(jī)對于一體化無油渦旋壓縮機(jī)來說是非常重要的，其提供了動靜渦盤之間相對運(yùn)動的直接動力。

3.2 無油渦旋壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

渦旋式壓縮機(jī)的出現(xiàn)帶動了壓縮機(jī)行業(yè)的變革，無油渦旋壓縮機(jī)技術(shù)為需要純凈壓縮氣體的行業(yè)帶來了生機(jī)，依托傳統(tǒng)的渦旋壓縮機(jī)技術(shù)，借助于無油活塞式和螺桿式壓縮機(jī)的成熟技術(shù)[10,11,12]，無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，然而對于其中的一些關(guān)鍵技術(shù)，還需要進(jìn)一步的研究和升華?，F(xiàn)從幾方面對無油渦旋壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討和總結(jié)。

（1）密封和潤滑

針對無油渦旋壓縮機(jī)，首要的問題就是密封和潤滑[13]，有油潤滑渦旋壓縮機(jī)可以通過潤滑油所形成的油膜來實(shí)現(xiàn)對壓縮腔的密封和相關(guān)運(yùn)動部件的潤滑；無油潤滑渦旋壓縮機(jī)內(nèi)則不允許有油出現(xiàn)，其主要是依靠渦盤的加工精度來控制泄露問題，同時在渦旋齒端面開槽，在槽內(nèi)添加由填充的聚四氟乙烯制成的密封條來實(shí)現(xiàn)密封（如圖4所示），在渦盤底部與支架體接觸的地方加耐磨片來保證渦盤底平面的形位公差，降低密封條和渦盤底平面摩擦因數(shù)。

圖4所示的是密封條的工作原理：當(dāng)氣體通過高低不平的間隙時受到節(jié)流的作用，壓力由高降低，在高壓一側(cè)密封條與槽產(chǎn)生側(cè)間隙，密封條底部由于彈簧作用產(chǎn)生背間隙，在背間隙處產(chǎn)生一背壓作用，從而將密封條壓緊。

但是這里將引入一些問題：1）密封槽開多深合適，開得淺，密封條將會有很大一部分伸出槽外，由此可能導(dǎo)致密封效果不佳；密封槽開設(shè)太深的話，加工困難，且浪費(fèi)材料。2）密封條距離靜渦盤端部多少合適，如果距離太遠(yuǎn)的話，當(dāng)壓縮氣體時，背向的壓力不足而將密封條頂向渦盤頂部，從而會造成密封不良的問題；但是如果太近的話，當(dāng)壓縮氣體時，背向的氣體壓力會將密封條壓縮過緊，從而造成摩擦力加大，消耗功率增大。所以，這里就有一個最佳距離的設(shè)計計算問題——既要保證密封的同時，又能夠?qū)⒛Σ翐p耗降到最小，在不同排氣量的無油渦旋壓縮機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個最佳距離的計算模型，當(dāng)然此問題的研究與解決還有待時日，如能取得突破性進(jìn)展，無油渦旋壓縮機(jī)的密封和潤滑問題將會得到很好的解決。

圖3 渦旋齒端面密封示意圖

圖4 密封條工作原理示意圖

無油渦旋壓縮機(jī)的潤滑問題還要涉及以下幾個方面：1）支架體端面的自潤滑；2）防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的自潤滑；3）曲軸軸承的自潤滑等。在這些需要潤滑的地方加自潤滑材料來完成潤滑過程。

（2）冷 卻

圖5 無油渦旋壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖

有油潤滑渦旋壓縮機(jī)可由潤滑油帶走壓縮腔及部分運(yùn)動部件所產(chǎn)生的熱量，而無油潤滑渦旋壓縮機(jī)壓縮腔內(nèi)不允許有潤滑油，只能通過渦盤壁的熱傳導(dǎo)和自潤滑密封條的熱傳導(dǎo)來導(dǎo)出壓縮腔內(nèi)的熱量，因此壓縮腔的壓縮過程近似為絕熱壓縮，而絕熱壓縮的耗功率是非常大的。我們希望能夠?qū)С鰤嚎s腔內(nèi)的部分或者絕大多數(shù)的壓縮熱，讓壓縮過程近似為等溫壓縮，在此情況下的壓縮耗功率最小，所以有必要對無油渦旋壓縮機(jī)的外部進(jìn)行冷卻。需要冷卻的部分主要有3個：靜盤側(cè)面，支架體腔內(nèi)潤滑油，電機(jī)外殼。圖5所示的是無油渦旋壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的示意圖。在3個需要冷卻水的地方加冷卻水水道，通過冷卻水的循環(huán)流動來帶走無油渦旋壓縮及所產(chǎn)生的部分熱量，從而提高壓縮效率，降低功耗。但吸收了熱量的水溫度會升高，必須由空氣對循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻，冷卻水的流量可以由3個需冷卻的地方所散的熱量與水的比熱乘以循環(huán)水進(jìn)出冷卻系統(tǒng)的溫差。當(dāng)然，水對壓縮機(jī)的材料有一定的影響，所以要求其材料需要有抗銹的功能，一般采用鋁合金制成的。

（3）防自轉(zhuǎn)[14,15]

渦旋壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，作用在動渦盤上的切向力產(chǎn)生了使動渦盤繞主軸偏心線的自轉(zhuǎn)力矩，會破壞渦旋壓縮機(jī)的正常工作，因此，在結(jié)構(gòu)上必須嚴(yán)格限制其自轉(zhuǎn)，從而保證動靜渦盤的正確嚙合，使渦旋壓縮機(jī)工作可靠穩(wěn)定。

十字聯(lián)軸節(jié)、球形聯(lián)軸節(jié)、柱銷與孔聯(lián)軸節(jié)等都是典型的防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，但以上的防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時候必須有潤滑油對其進(jìn)行潤滑。而無油渦旋壓縮機(jī)來說，這些是不可取的,針對于此，引入無需外來潤滑油進(jìn)行潤滑的小曲拐防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因其使用自潤滑軸承，圖6所示的是小曲拐的安裝示意圖——將動盤與渦旋壓縮機(jī)的支架體之間通過小曲拐來連接，從而可以很好的控制動渦盤的自轉(zhuǎn)，這里將引入一個問題：小曲拐的運(yùn)動特性的分析及其工作原理，受力分析等都應(yīng)該要有一個相對完整的數(shù)學(xué)模型來闡述。

以上所探討的只是無油渦旋壓縮機(jī)相對于普通渦旋式壓縮機(jī)來說的一些特征，且很多渦旋壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)仍然是研究熱點(diǎn)[16,17]。像型線的設(shè)計就是渦旋壓縮機(jī)的最基本問題，多年來研究者在型線的研究上也取得了可喜的成果。同時柔性結(jié)構(gòu)的研究也是無油渦旋壓縮機(jī)的一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

4 無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展展望

目前國內(nèi)外的無油活塞式和螺桿式壓縮機(jī)[18]技術(shù)相對較為成熟，而無油渦旋壓縮機(jī)尚處于初級的階段，有很多技術(shù)問題需要借鑒前兩者的成熟經(jīng)驗(yàn)。但是無油渦旋壓縮機(jī)以其自身獨(dú)特的優(yōu)勢在需要純凈壓縮氣體的行業(yè)占據(jù)了重要的位置，尤其是小用氣量的情況下，所以其研究和開發(fā)受到各界的廣泛重視，渦旋式空氣壓縮機(jī)具有廣闊的市場前景和發(fā)展空間。為此，必須在依靠和借鑒其他形式無油壓縮機(jī)的成熟技術(shù)[19,20]的基礎(chǔ)上，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列產(chǎn)品。在此，作者對無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展提出幾個展望。

（1）型線的研究及開發(fā)

渦旋壓縮機(jī)首當(dāng)其沖的問題就是型線的研究，開發(fā)出具有更高容積效率的型線，進(jìn)一步改進(jìn)和開發(fā)高精度高可靠性渦盤加工方法，引入計算機(jī)技術(shù)來輔助研究型線的開發(fā)設(shè)計。

（2）提高無油渦旋壓縮機(jī)的排氣量

目前，無油渦旋壓縮機(jī)主要在小排氣量領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，而相對于用氣量大的場合，無油渦旋壓縮機(jī)的應(yīng)用基本上沒有。開發(fā)大排氣量的無油渦旋壓縮機(jī)勢在必行，但大排氣量必須加大動靜渦盤的尺寸，從而加大自轉(zhuǎn)力矩。

（3）拓寬無油渦旋壓縮機(jī)的應(yīng)用場合

需要純凈氣體的場合非常多，像燃料電池供氣系統(tǒng)，目前很多需要無油純凈氣體的場合所用的都是傳統(tǒng)的無油壓縮機(jī)技術(shù)，應(yīng)發(fā)揮無油渦旋壓縮機(jī)的自身優(yōu)勢，取代傳統(tǒng)技術(shù)，成為這一領(lǐng)域的帶頭者。

（4）建立理論與實(shí)驗(yàn)相應(yīng)發(fā)展的統(tǒng)一體系

在其他形式無油壓縮機(jī)的成熟技術(shù)之上，借鑒和參照其實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)，為無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展提供準(zhǔn)確的方向。

（5）密封問題[21]

因?yàn)闇u旋壓縮機(jī)最主要的還是通過加工精度來控制其泄露，嚙合程度的好壞直接影響壓縮機(jī)的效率，無油渦旋壓縮機(jī)的密封技術(shù)也是一大難題，雖然現(xiàn)今的研究對抑制其泄露有一定的幫助，但是還是沒有突破技術(shù)難點(diǎn)，以后的研究者應(yīng)該在無油渦旋壓縮機(jī)的密封方面多研究與實(shí)驗(yàn)。

圖6 小曲拐安裝剖面示意圖

5 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，低碳、節(jié)能將會是本世紀(jì)的一個主題。壓縮機(jī)行業(yè)也必將興起一股降低能耗的風(fēng)潮，而渦旋壓縮機(jī)以其體積小、質(zhì)量輕、噪聲低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)迅速在壓縮機(jī)行業(yè)崛起，渦旋壓縮機(jī)技術(shù)的應(yīng)用也將越來越廣。無油渦旋壓縮機(jī)技術(shù)作為一個渦旋壓縮機(jī)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[22-25]，其技術(shù)是個十分值得深究的研究項(xiàng)目，科研價值是非常大的。作者先介紹了無油渦旋壓縮機(jī)的工作原理及其關(guān)鍵技術(shù)，同時也對其存在的問題做了相關(guān)論述，針對現(xiàn)有的無油渦旋壓縮機(jī)使用技術(shù)中的不足進(jìn)行了闡述，盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展無油渦旋壓縮機(jī)在大發(fā)展方向上早就有所突破，但還有相當(dāng)多細(xì)節(jié)問題需要研究，特別是針對提高無油渦旋壓縮機(jī)排氣量和無油渦旋壓縮機(jī)的密封問題，將依舊是當(dāng)今及今后無油渦旋壓縮機(jī)的重點(diǎn)突破難點(diǎn)。而從節(jié)能、環(huán)保的角度來說，現(xiàn)今的汽車發(fā)動機(jī)的替代燃料——燃料電池以其卓越的優(yōu)點(diǎn)及接近零排放的優(yōu)勢將會長久盛行，而無油渦旋壓縮機(jī)又是最新熱點(diǎn)技術(shù)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)所必不可少的一部分，燃料電池的發(fā)展必將引領(lǐng)無油渦旋壓縮機(jī)的進(jìn)步。從無油渦旋壓縮機(jī)的市場需求和發(fā)展的現(xiàn)狀來說，是個很有潛力價值的項(xiàng)目，如今隨著人們生活水平的提高和工業(yè)的發(fā)展，越來越多的場合需要純凈壓縮氣體。針對無油渦旋壓縮機(jī)的密封及發(fā)展問題作者作了探討，了解和明了無油渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展方向，可以為從事無油渦旋壓縮機(jī)技術(shù)研究的人員提供幫助。

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