劉　華,張治平,謝艷群
　　(珠海格力電器股份有限公司,廣東珠海　519070)
　　摘　要：高溫制冷離心壓縮機是一種應用于高溫離心式冷水機組的新型離心式壓縮機。本文通過對常規(guī)離心壓縮機的特性分析,探討了高溫制冷離心壓縮機的性能特性及其開發(fā)方案,提出了高溫離心壓縮機設計與優(yōu)化方案。通過高溫離心式冷水機組的性能試驗驗證了高溫制冷壓縮機的設計方案。
　　關(guān)鍵詞：高溫離心式冷水機組;高溫離心壓縮機;壓比;性能特性;開發(fā)方案
　　中圖分類號：TH452　　文獻標識碼：A　　　　文章編號：　1005—0329(2010)02—0074—05
　　1　前言
　　高冷凍出水溫度離心式冷水機組因其優(yōu)越的能效指標而逐漸成為空調(diào)行業(yè)關(guān)注的焦點,在大型辦公建筑、工業(yè)廠房和工藝流程中具有廣泛的應用前景,特別適用以下區(qū)域: (1)采用溫、濕度獨立控制的大型空調(diào)系統(tǒng); (2)所有需要使用1~20℃冷水的場所; (3)西北部低空氣濕度地區(qū)無需除濕的大型供冷系統(tǒng)。
　　高溫離心式冷水機組其冷凍水出水溫度1~20℃,相比標準工況[1](即冷凍水出水溫度7℃),其系統(tǒng)蒸發(fā)溫度有了很大的提高,直接引起其吸氣比容和級的工作壓比(排氣壓力/吸氣壓力)大大降低。如何在壓縮機工作狀態(tài)改變情況下保證高溫離心式冷水機組的正常工作及其節(jié)能性,需要進一步對離心壓縮機進行設計改進研究。本文主要介紹設計的一臺以R134a為制冷劑,制冷量為4000kW的單級壓縮高溫制冷離心壓縮機設計開發(fā)及其研究結(jié)果。
　　2　離心壓縮機的特性分析
　　離心壓縮機的特性不同于容積式壓縮機,其壓縮機特性曲線如圖1所示。壓縮機特性曲線顯示:壓縮機壓比隨流量增大而逐漸減少,壓縮機效率隨流量增大也逐漸減少。若簡單地將常規(guī)離心壓縮機直接匹配系統(tǒng)讓其工作在高溫工況,從特性曲線可以看出其運行工況嚴重偏離了壓縮機的設計工況,必然導致壓縮機效率嚴重衰減,機組性能系數(shù)難以大幅度提高。
　　為了進一步獲得常規(guī)離心機在高溫工況下壓縮機特性變化數(shù)據(jù),對一臺制冷量為4000kW的常規(guī)離心式冷水機組進行了實測分析。測試工況和測試結(jié)果見表1。
　　從實測數(shù)據(jù)可以看出,按照標準工況設計的常規(guī)離心式冷水機組,當工作在高出水溫度時,其壓縮機絕熱效率大幅度下降,降幅達18. 70%,而制冷量僅增加3. 20%,并沒有顯著的增加。這樣盡管壓縮機壓比下降了25. 30%,但壓縮機耗功并沒有得到很大的降幅,因而造成整機性能系數(shù)僅提高了10. 70%。從制冷循環(huán)的理論分析得出,冷凍水出水溫度由7℃提高至16℃,機組性能系數(shù)可以達到8. 01W /W,而實測COP僅為6.40W /W。此測試結(jié)果反映由于設計工況的限制,常規(guī)機型運行在高溫工況下性能系數(shù)提高十分有限,無法實現(xiàn)該工況下的卓越節(jié)能性。因此,要開發(fā)高溫離心式冷水機組必然要重新設計滿足于高溫工況的離心壓縮機。
　　3 　離心壓縮機設計與優(yōu)化
　　設計滿足高溫工況運行的高溫離心壓縮機的關(guān)鍵是葉輪的設計,通過初步研究確定了兩種設計方案: (1)在常規(guī)離心機的基礎上降低葉輪轉(zhuǎn)速; (2)全新設計應用于高溫工況的葉輪。以下對兩種方案進行詳細介紹。
　　3. 1　降低葉輪轉(zhuǎn)速方案
　　3. 1. 1　離心壓縮機隨轉(zhuǎn)速變化的性能特性
　　離心壓縮機級壓力的提高是由葉輪對氣體做功的大小決定的,一般離心式制冷壓縮機都是軸向進入葉輪,葉輪對每1kg氣體所作的功,即每1kg氣體所得到的理論能量頭為：
　　葉輪能量頭hth正比于u2的平方,即正比于轉(zhuǎn)速n的平方,當轉(zhuǎn)速n減少,壓縮機的壓比及出口壓力將明顯降低。
　　對于離心壓縮機,當葉輪的轉(zhuǎn)速變化時,其性能曲線的變化見圖2、3[2]。
　　當工況改變時,可通過調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速,移動壓縮機性能曲線,從而改變壓縮機工作點來滿足運行工況要求?？梢?對于高溫離心壓縮機,可在現(xiàn)有常規(guī)離心機通過改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速降低壓比來滿足高溫工況的運行。
　　為進一步研究常規(guī)離心壓縮機改變轉(zhuǎn)速方法的可行性以及壓縮機特性變化數(shù)據(jù)。特通過在現(xiàn)有4000KW常規(guī)離心機進行調(diào)整轉(zhuǎn)速實驗研究。
　　3. 1. 2　葉輪轉(zhuǎn)速的確定
　　在現(xiàn)有制冷量為4000kW常規(guī)離心壓縮機上降低葉輪轉(zhuǎn)速,以滿足高溫工況運行要求,葉輪型線及結(jié)構(gòu)未作任何更改。壓比與壓縮機轉(zhuǎn)速平方成正比[2]:
　　采用CONCEPTNREC離心壓縮機分析軟件對常規(guī)4000KW離心機一維分析,不同轉(zhuǎn)速下其壓比與流量關(guān)系如圖4所示。
　　對于4000kW的高溫離心機,壓縮機容積流量1. 105 m3/s,壓比為2. 0,該工況點S′正好落在曲線圖上0. 85倍設計轉(zhuǎn)速圖上。
　　綜合以上分析結(jié)果,同時結(jié)合增速齒輪傳動設計要求,最終確定葉輪轉(zhuǎn)速為:n′=0.854n。
　　3. 1. 3　調(diào)整轉(zhuǎn)速前后壓縮機性能變化
　　為了研究改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速時壓縮機的性能變化情況,在現(xiàn)有的常規(guī)離心機上,保持壓縮機葉輪、擴壓器、進口可轉(zhuǎn)導葉機構(gòu)以及機組其他結(jié)構(gòu)均不改變的基礎上,通過更換不同傳動比的齒輪來改變?nèi)~輪的轉(zhuǎn)速。
　　離心機組測試時,調(diào)整轉(zhuǎn)速前后,都保證進口可轉(zhuǎn)導葉處于全開狀態(tài)和冷凍水出水溫度不變(即常規(guī)離心機7℃,高溫離心機16℃),通過改變冷卻水進水溫度來研究壓縮機性能曲線。測試結(jié)果如圖5、6所示。
　　測試結(jié)果反映,改變壓縮機轉(zhuǎn)速后性能曲線近似一種平行移動的狀態(tài),壓縮機轉(zhuǎn)速降低到0.854倍設計轉(zhuǎn)速,壓縮機壓比下降了27. 8%,容積流量減少了31. 8%,同時壓縮機仍能保持較高效率,效率僅降低3. 72%。
　　從降低葉輪轉(zhuǎn)速的方案可以看出采用現(xiàn)有常規(guī)離心機通過降低壓縮機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)高溫工況運行是一種相對較簡單的可行方案,壓縮機無需作太大的改動,但此方案的壓縮機級效率存在一定程度的衰減,因此要獲得更高壓縮機效率,簡單通過降低轉(zhuǎn)速是不夠的,必須對離心壓縮機葉輪進行全新設計,即方案2。
　　3. 2　全新葉輪設計
　　在離心式壓縮機中,葉輪是整個壓縮機的心臟,通過葉輪對氣體做功,使氣體獲得能量,壓力升高。葉輪設計的好壞,對于級的性能起決定性作用,直接影響壓縮機的效率。高溫離心壓縮機特點是:壓縮機壓比較低,進口容積流量小。相比常規(guī)離心機葉輪,在滿足葉輪壓比的同時可以獲得較低的葉輪進口相對馬赫數(shù)Mau。研究表明,隨著Mau的增大,壓縮機級效率降低,因此從理論上分析,高溫工況離心壓縮機更能獲得高效率。基于此,利用美國ConceptsNREC公司離心壓縮機設計軟件對高溫離心壓縮機葉輪進行更進一步優(yōu)化和改進。
　　影響葉輪性能的主要參數(shù)包括葉輪葉片數(shù)、葉輪出口寬度、葉輪葉片型線及葉輪出口葉片厚度。
　　3. 2. 1　葉輪葉片數(shù)的確定
　　對于葉輪,要獲得滿意的性能,就必然有一個最佳的葉片數(shù),且最佳的葉片數(shù)取決于葉片進、出口安裝角和輪徑比D2/D1。最佳葉片數(shù)[2]:
　　同時考慮到葉輪進口相對馬赫數(shù)較低,進口不容易產(chǎn)生堵塞,經(jīng)研究分析,高溫離心機葉輪葉片全為長葉片較佳,葉片數(shù)在16~18片較為合適,圖7、8分別為改進前后葉輪進口流場情況。從葉輪進口流場可以看出,優(yōu)化后葉片葉尖激波明顯得到改善,流場得到了很大的改善。
　　3. 2. 2　葉輪出口寬度的確定
　　葉輪出口寬度b2,葉輪出口直徑D2,b2/D2稱為相對寬度。葉輪相對寬度過大、過小的都是不利的,一方面葉輪的寬度將影響到擴張角,擴壓度和截面的水力直徑,而這些參數(shù)是影響流動損失重要因素;另一方面在一定的流量下,葉輪寬度對輪阻損失和內(nèi)泄漏損失系數(shù)均有影響。葉輪寬度過小時,水力直徑和雷諾數(shù)小,致使摩擦損失顯著增加;同時,輪阻損失和內(nèi)泄漏損失系數(shù)也增加,使級效率降低。葉輪寬度過大時,由于通常葉片都是非扭曲的,不能適應氣流在通道內(nèi)流動的空間特性,因此會增大擴壓度以及分離損失,使級效率下降[2]。
　　通過對高溫工況葉輪CFD分析研究,兼顧考慮到空調(diào)用制冷壓縮機運行工況范圍廣的特點,分析認為比較合理的b2/D2在0.05~0.06之間。
　　3. 2. 3　葉輪葉片型線的確定
　　為獲得高的葉輪效率及寬的穩(wěn)定運行工況范圍,在葉輪出口選取-55度后彎角并前傾25度。葉片型線采用這種后彎前傾的結(jié)構(gòu)方式,對葉片載荷進行更進一步的優(yōu)化,并采用CFD進行更進一步優(yōu)化分析,調(diào)整前后葉輪內(nèi)部流場情況如圖9、10所示。
　　從CFD流場分析結(jié)果可以看出,調(diào)整前的長短葉片方式,流場內(nèi)部有較大的低速區(qū),靠近輪蓋側(cè)極易產(chǎn)生二次流損失;調(diào)整后葉片角度分布后,內(nèi)部流場均勻,形成低速區(qū)較少,較為合理。
　　3. 2. 4　葉輪出口葉片厚度的確定
　　高溫工況離心機葉輪,其轉(zhuǎn)速比常規(guī)制冷離心機葉輪低,葉輪出口線速度在160m/s~170m/s之間,葉輪結(jié)構(gòu)強度要求偏低,因此在葉輪出口的葉片厚度可以減薄,減少葉片的尾跡損失。調(diào)整前后葉輪厚度分布及CFD分析的尾跡損失,如圖11~14所示。
　　從葉輪出口流場CFD分析結(jié)果看,調(diào)整前葉輪出口有較大的尾跡損失,調(diào)整后的葉輪尾跡損失較少,更利于葉輪效率的提高。
　　4　壓縮機性能測試驗證
　　4. 1　壓縮機滿負荷性能測試
　　采用與常規(guī)離心機相同的試驗方法,即將壓縮機進口導葉全開和保證壓縮機吸氣壓力465KPa不變,調(diào)整冷卻水進水溫度不斷調(diào)整壓縮機排氣壓力,測試壓縮機性能特性。通過檢測壓縮機吸排氣口溫度壓力參數(shù),計算壓縮機的壓比及絕熱效率;通過檢測機組的制冷量計算壓縮機的容積流量。測試結(jié)果如圖15所示。
　　測試數(shù)據(jù)顯示,調(diào)整葉輪后的壓縮機性能在設計點90% ~105%之間能效最高,絕熱效率有較大幅度的提高,約為3% ~4%,整機滿負荷COP得到了很大的提高。
　　4. 2　部分負荷性能測試
　　參照GB/T18430.1中IPLV(綜合部分負荷性能系數(shù))測試工況(冷凍水出水溫度16℃)對壓縮機進行了部分負荷性能測試[1],測試結(jié)果如圖16所示。
　　部分負荷性能測試結(jié)果顯示,隨著負荷減少壓縮機壓比、進口可轉(zhuǎn)導葉開度、壓縮機絕熱效率都存在不同程度的降低。全新設計的高溫壓縮機在部分負荷仍能穩(wěn)定可靠運行,而常規(guī)離心壓縮機應用于高溫離心機,由于其設計壓比較高幾乎不能在部分負荷運行。因此全新設計的葉輪,不僅保證了機組滿負荷高效運行,同時也保證了機組在部分負荷穩(wěn)定可靠運行。
　　5　結(jié)論
　　(1)在常規(guī)離心壓縮機的基礎上降低葉輪轉(zhuǎn)速是一種較簡單且可行的開發(fā)方案,但壓縮機效率存在一定程度的降低;
　　(2)全新設計葉輪的方案很好地滿足了高溫工況的滿負荷和部分負荷運行,且與常規(guī)離心壓縮機相比,壓縮機效率和機組性能系數(shù)均有大幅度提高,很好地實現(xiàn)了高溫離心式冷水機組卓越的節(jié)能性,是一種全新的設計方案。
　　參考文獻
　　[1]　GB/T18430. 1-2007蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組第1部分:工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水(熱泵)機組[S].
　　[2]　徐忠.離心式壓縮機原理[M].西安:西安交通大學, 2008.
　　作者簡介:劉華(1977-),工程師,長期從事制冷技術(shù)的研究。通訊地址: 519070廣東珠海市珠海格力電器股份有限公司。