張加揚(yáng) 孫敬偉 劉彬豪 鄧志華

（汕頭大學(xué)，汕頭 515041）

渦旋壓縮機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)小、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)[1]，在電動(dòng)汽車空調(diào)制冷領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)空氣制冷壓縮機(jī)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者近年來(lái)在這方面做了大量的研究，本文主要從渦旋壓縮機(jī)的型線設(shè)計(jì)優(yōu)化、壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其應(yīng)用技術(shù)擴(kuò)展等方面對(duì)近年的相關(guān)研究成果進(jìn)行綜述。

1 型線設(shè)計(jì)開發(fā)及修正優(yōu)化

渦旋型線的類型和基本參數(shù)決定了渦旋壓縮機(jī)的整機(jī)性能及工作效率[2]。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一種性能較好的渦旋型線對(duì)渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)起著至關(guān)重要的作用[3]。在單一型線方面，目前主要有以下幾種類型：基圓漸開線、變徑基圓漸開線以及線段漸開線等[4]。其中，應(yīng)用最廣泛的類型為基圓漸開線。隨著工程應(yīng)用需求提高及加工技術(shù)的進(jìn)步，變徑基圓漸開線型線設(shè)計(jì)開發(fā)的渦旋壓縮機(jī)在綜合性能表現(xiàn)上有較大提升。在同工況條件下，與定基圓漸開線型線類渦旋壓縮機(jī)相比，變徑基圓漸開線渦旋齒的受力結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、剛度更好，且具有更好的幾何特性及動(dòng)力學(xué)特性。

然而，得到廣泛應(yīng)用的單一型線也具有明顯的缺點(diǎn)：特定幾何輪廓及曲線模型的固定限制了設(shè)計(jì)的通用性。因此，在這樣單一型線建模重復(fù)、設(shè)計(jì)結(jié)果誤差較大、資源浪費(fèi)較大的情況下，通用型線的先進(jìn)性更適合型線的設(shè)計(jì)工作，主要體現(xiàn)在其統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型能高效概括已經(jīng)建立的幾何模型。同時(shí)，為了消除傳統(tǒng)型線生成方法的局限性，可以根據(jù)通用型線的特性生成參數(shù)化模型，并建立一系列相關(guān)參數(shù)控制系數(shù)與性能指標(biāo)的映射關(guān)系曲線來(lái)實(shí)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)有研究利用等距曲線方法創(chuàng)建一種由圓和圓弧組成的漸開線渦旋輪廓線，并在此基礎(chǔ)上以實(shí)例證明了二階連續(xù)渦旋型線比一階連續(xù)渦旋型線具有更好的型線體積比及氣動(dòng)力穩(wěn)定性。然而，基于單一學(xué)科或者單一性能對(duì)渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)并不能取得創(chuàng)新突破。為使設(shè)計(jì)開發(fā)的渦旋壓縮機(jī)具有理論實(shí)際和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，結(jié)合多學(xué)科、考慮整機(jī)多性能耦合效能的協(xié)同設(shè)計(jì)機(jī)制在未來(lái)的研究中將極具前景。

通過(guò)修正渦旋齒形實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，不僅能夠提升渦旋齒強(qiáng)度，還能提高壓縮機(jī)整機(jī)表現(xiàn)。目前，有關(guān)型線修正的應(yīng)用最多的是圓弧類和直線齒頭類型線修正。例如，國(guó)內(nèi)學(xué)者建立了以圓弧修正型線為基礎(chǔ)的n對(duì)圓弧修正型線（n-CMW）的幾何模型，得到了幾何參數(shù)的一般相互依賴關(guān)系及模擬結(jié)果。在相同條件下，采用n對(duì)圓弧修正的渦旋型線壓縮機(jī)，其排氣壓力要明顯高于圓弧修正的渦旋型線，證明n對(duì)圓弧修正壓縮機(jī)的容積效率要更好。有研究通過(guò)對(duì)比圓弧修正型線、圓弧加直線修正型線和非對(duì)稱圓弧修正型線3個(gè)CMP實(shí)例在相同吸入體積下的排氣壓力，結(jié)果表明：在相同條件下圓弧修正的排氣壓力大于圓弧加直線修正型線，且對(duì)稱修正型線的壓縮效率優(yōu)于非對(duì)稱修正型線，所提出的設(shè)計(jì)方法有助于設(shè)計(jì)出機(jī)械性能更好的新型先進(jìn)CMP。

2 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

新能源汽車對(duì)運(yùn)行工況的特殊要求，如無(wú)油、低流量下的高壓比、高效率、低質(zhì)量、小體積和輕量化等對(duì)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)有了更高的要求。國(guó)內(nèi)外對(duì)渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的研究較多，主要涉及結(jié)構(gòu)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化[5]、動(dòng)力學(xué)分析及動(dòng)平衡優(yōu)化、有限元模擬仿真優(yōu)化等。

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]分別以壓縮機(jī)比功率和能效比為目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，對(duì)渦旋壓縮機(jī)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，得到了目標(biāo)函數(shù)隨參數(shù)變化的規(guī)律。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]采用協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法建立多學(xué)科優(yōu)化模型并集成至iSIGHT軟件進(jìn)行智能優(yōu)化得到綜合性能較優(yōu)的尺寸結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，優(yōu)化后齒厚增加、渦旋圈數(shù)減少，目標(biāo)函數(shù)值下降7.09%。

表1 優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)的取值

為了提高尋優(yōu)性能，通過(guò)采用改善種群隨機(jī)搜索模式的蟻群算法，加速收斂速度，以能效比為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化后提升壓縮機(jī)工作效率。文獻(xiàn)[10]提出基于群智能的隨機(jī)優(yōu)化算法能快速簡(jiǎn)捷地求解壓縮機(jī)多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化過(guò)程如圖1所示。從圖1可以看出，該方法能夠取得良好的效果，其成本函數(shù)變得越來(lái)越少，且優(yōu)化過(guò)程平穩(wěn)，CPSO的速度快于PSO且不易陷入局部?jī)?yōu)化，其他性能指標(biāo)也足夠好。將粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用到渦旋壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中將極具發(fā)展前景。

2.2 動(dòng)平衡優(yōu)化及振動(dòng)故障檢測(cè)

在動(dòng)平衡優(yōu)化方面，對(duì)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)研究較多。在渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程中，其驅(qū)動(dòng)主軸做偏心運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生慣性離心力，且易與氣體力耦合帶來(lái)周期性受迫振動(dòng)，從而影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在動(dòng)平衡方面，相關(guān)人員建立了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，為曲拐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論參考依據(jù)。在理論模型計(jì)算方面，通過(guò)建立平衡方程對(duì)壓縮機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行動(dòng)平衡設(shè)計(jì)計(jì)算，并以動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)平衡設(shè)計(jì)方案的正確性。在振動(dòng)故障檢測(cè)方面，有研究針對(duì)采樣過(guò)程對(duì)診斷過(guò)程存在影響這一問(wèn)題提出了一種綜合熵和灰色關(guān)聯(lián)度的通用方法來(lái)識(shí)別壓縮過(guò)程中的故障類型，但對(duì)各典型故障信號(hào)的特征分量和能量分布仍缺乏準(zhǔn)確的識(shí)別和揭示[11]。

2.3 有限元模擬仿真優(yōu)化

在有限元模擬仿真方面，結(jié)合ANSYS有限元軟件的運(yùn)用研究是最為常見的。在壓縮機(jī)工作過(guò)程中，氣體壓縮產(chǎn)生的熱力學(xué)效應(yīng)需要重點(diǎn)關(guān)注。目前，渦旋壓縮機(jī)的熱力學(xué)特性研究主要集中在工質(zhì)泄漏和傳熱方面，其流固熱耦合分析是較為全面的熱力學(xué)、流體力學(xué)研究，在此領(lǐng)域研究人員做了大量的數(shù)值模擬研究。文獻(xiàn)[12]詳細(xì)介紹了壓縮機(jī)瞬態(tài)仿真分析過(guò)程，基于質(zhì)能守恒方程建立了壓縮機(jī)的瞬態(tài)熱力學(xué)關(guān)系，并用改進(jìn)的求解方法得到了排氣溫度及各腔室氣體質(zhì)量流量的變化規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)提供了重要依據(jù)。文獻(xiàn)[13]則完善研究了壓縮機(jī)內(nèi)部流道氣體的流動(dòng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)壓力場(chǎng)均勻分布，氣體溫度不均勻，且表現(xiàn)為有渦流現(xiàn)象，最終發(fā)現(xiàn)氣體泄漏是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因。近幾年，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)被研究人員應(yīng)用于壓縮機(jī)模擬仿真方面。文獻(xiàn)[14]采用CFD離散相模型對(duì)壓縮氣體油液流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)可視化模擬計(jì)算得到了油滴分布尺寸并與原結(jié)果比較，表明離散相模型具有模擬油液內(nèi)部流動(dòng)的研究前景。渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化未來(lái)更多要依靠CFD技術(shù)和有限元理論，而且要考慮密封泄漏內(nèi)部流場(chǎng)變化，從而使模擬工況更貼近實(shí)際運(yùn)行工況。

3 其他應(yīng)用技術(shù)擴(kuò)展

新能源汽車渦旋壓縮機(jī)的振動(dòng)與噪聲水平會(huì)直接影響行車舒適性、安全性以及設(shè)備的使用壽命和工作效率，從而直接影響產(chǎn)品市場(chǎng)占有率，造成經(jīng)濟(jì)效益受損。因此，降噪及輕量化技術(shù)研究將有助于渦旋壓縮機(jī)高速化發(fā)展。目前，變頻技術(shù)在汽車空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用給渦旋壓縮機(jī)帶來(lái)了很多性能效益。未來(lái)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)以智能控制為核心，從本地控制到云端控制，從程序控制到人工智能，從而提高智能化水平。另外，全球變暖帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題會(huì)使新能源車用空調(diào)制冷劑向著更加環(huán)保的方向發(fā)展，因此低全球變暖潛值（Global Warming Potential，GWP）將成為制冷劑發(fā)展的新趨勢(shì)[15]。然而，新的制冷工質(zhì)對(duì)渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有更高的設(shè)計(jì)要求。因?yàn)橐紤]新型制冷劑對(duì)壓縮機(jī)及其系統(tǒng)的可靠性及其耦合效應(yīng)的影響，同時(shí)要考慮排量、制冷量及系統(tǒng)運(yùn)行范圍的匹配限制等因素，所以制冷劑還需持續(xù)進(jìn)行應(yīng)用性相關(guān)研究。

4 結(jié)語(yǔ)

在新能源汽車行業(yè)中，渦旋式制冷壓縮機(jī)有著極具發(fā)展?jié)摿Φ难芯壳熬?。?guó)外在這方面的研究開展得較早，相關(guān)技術(shù)水平也高，但隨著國(guó)家政策的扶持及本行業(yè)未來(lái)的發(fā)展前景越來(lái)越好，渦旋壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究會(huì)越來(lái)越成熟，從而推動(dòng)新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展。