油循環率對渦旋壓縮機性能影響分析及試驗研究

魏子杰

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

0 引言

汽車渦旋壓縮機通常在高轉速下運行，為了確保壓縮機在高速運行時保持平穩，需要提供足夠的潤滑油[1]。然而當潤滑油過多時會影響壓縮機的性能。因此，研究渦旋壓縮機的油循環率是很有必要的。

楊傳波等[2]對渦旋壓縮機（R134a）進行研究，建立了數學模型并驗證其準確性，研究在不同工況條件下油循環率對壓縮機性能的影響，結果為當油循環率介于7%～9%時，渦旋壓縮機可獲得較佳的工作性能; 陳志明等[3]對電動渦旋壓縮機（R22）進行了仿真和實驗對比研究，研究OCR對壓縮機排氣溫度、容積效率等的影響，結果表明，當油循環率介于5% ～12%時，壓縮機的性能達到最佳值。胡青等[4]研究了斜盤式壓縮機（R12）并進行實驗，采用物性修正計算法對壓縮機的性能進行計算，實驗結果表明，當OCR介于5% ～8%時壓縮機的性能最佳，但當OCR約為10%時油對測量誤差的影響達到8%～10%。張斌等[5]研究了油循環率變化對補氣式壓縮機性能的影響，結果表明油循環率在5.5%左右時制熱COP（制熱效率）達到最高值；與非補氣狀態對比，補氣壓力為0.35 MPa時的系統制熱量和制熱COP分別提升了5.7%、2.0%；此時壓縮機出口排氣溫度會隨含油量的增加而下降。Ossorio等[6]實驗研究各參數對變頻渦旋壓縮機（R290）油循環率的影響，并得出結論：轉速和蒸發溫度是影響油循環率的主要因素。

本文構建了基于汽車空調的渦旋壓縮機工作過程熱力學模型，并建立渦旋式壓縮機數值模型，搭建壓縮機性能實驗臺及OCR測量裝置用以驗證數值模型準確性。OCR定義為

式中：OCR為油循環率；Woil為潤滑油質量流量：Wref為制冷劑質量流量，kg/s。

本文研究在不同工況下汽車空調渦旋壓縮機排氣溫度、制冷量和軸功率與油循環率的關系。

1 數學模型

1.1 幾何模型

渦旋壓縮機在工作過程中動渦旋盤繞靜渦旋盤做公轉平動，使得動靜渦旋盤之間的容積成周期性變化從而實現吸氣、壓縮和排氣工作，渦旋齒的幾何參數基本一致，安裝時將動渦旋齒和靜渦旋齒錯開180°安裝。某時刻其壓縮機工作腔模型如圖1所示。

圖1 渦旋壓縮機工作腔模型

1.2 傳熱模型

渦旋壓縮機工作過程中在吸排氣過程、各壓縮腔之間均存在換熱現象，壓縮機工作腔內的熱傳遞現象主要包括吸氣加熱和工作腔加熱兩部分[7]。

吸氣加熱公式為

壓縮機工作腔內加熱公式為

式中：Cp為平均質量定壓熱容；Lp和Ls分別為壓縮機進氣管溫度和最初的進氣溫度；bp和fp分別為壓縮機進氣管的直徑和長度；hc為對流換熱系數；M（φ）和M（k，f）分別為壓縮腔內介質平均溫度和壓縮機第k個腔在θf時的溫度，θf為形成第k個工作腔時的主軸轉角；A為傳熱面積。

1.3 徑向泄漏和切向泄漏模型

由于在實際加工和安裝的過程中不可避免地會產生偏差，因此渦旋壓縮機內部會存在內泄漏，主要有徑向泄漏和切向泄漏兩種形式。工作腔內的氣體變化率為

式中：ml－1為從第l-1個壓縮腔泄漏到第l個壓縮腔的氣體質量。

徑向泄漏的泄漏量為

切向泄漏的泄漏量為

式中：L為軸向間隙長度，g為重力加速度，um為平均流速，ρ為密度，D為當量直徑，λ為摩擦因數。

2 數值模型

2.1 網格模型

本研究利用SolidWorks軟件對渦旋壓縮機的壓縮腔進行建模，并將所構建的模型導入CFD軟件以進行網格劃分。利用CFD商業軟件Pumplinx中嵌入的移動網格算法控制變形渦旋子域的運動。在整個工作過程中，網格不斷重新網格化，配合移動變形邊界。在仿真域中，徑向間隙為0.02 mm，由于密封條和軸向柔性調節機構的存在，忽略了軸向間隙。對包括進氣道、工作腔和排氣管在內的整個壓氣機流域生成六面體結構網格。

2.2 湍流模型

渦旋壓縮機內流體流動與所有流動現象一樣都要受質量、動量以及能量守恒定律等基本定律的支配。本文基于渦旋壓縮機內流道氣液兩相流進行模擬，用歐拉模型來模擬潤滑油與制冷劑之間的相互作用。由于標準模型不能準確模擬強旋流等流動，從而選用了RNG k-ε模型，其控制方程如下：

2.3 徑向間隙對進出口質量流量影響分析

設定壓縮機在轉速為2000 r/min時，時間步長為每步0.000 01 s，共2000步，故0.02 s為模擬壓縮機轉動一圈所花時間。壓縮機內部流體從高壓腔到低壓腔的泄漏，會使工作腔之間存在質量交換，引起腔內流體質量的變化。圖2為3個周期內進出口質量流量，可以看出在渦旋壓縮機穩定工作后，進出口差值的平均質量流量穩定在0.121 kg/s。這是因為渦旋壓縮機動靜盤實際徑向間隙為2 μm，而仿真徑向間隙設置為20 μm，如果間隙再縮小，在生成動網格的過程中會產生負體積，無法進行網格建模，故產生內泄漏，內泄漏也會導致仿真性能分析實驗結果產生偏差[8]。

圖2 進出口質量流量

3 壓縮機實驗系統

3.1 壓縮機性能測試裝置

為了驗證本文數值模型的 準 確性，需對數值模擬結果通過實驗進行對比。該實驗裝置根據第二制冷劑量熱器法搭建。性能實驗系統如圖3所示。

圖3 壓縮機性能實驗系統

第二制冷劑量熱器法是：在密閉容器中裝有適量的第二制冷劑，電加熱器在第二制冷劑中被完全浸沒。制冷系統工作時，形成的第二制冷劑蒸汽進入液面上方的氣相空間。制冷劑在蒸發器內蒸發需要吸收熱量，同時將第二制冷劑蒸汽冷凝成液滴并落入第二制冷劑，形成熱量傳輸。在穩態情況下，制冷劑帶走的熱量與電加熱器傳輸進量熱器中的熱量相等。實驗采用R22作為第二制冷劑，R134a作為制冷系統中的制冷劑。

質量流量計可對制冷劑的質量流量進行直接測量。

3.2 油循環率測試裝置

為了調節油循環率，在壓縮機和冷凝器之間安裝了一個潤滑油的分離器（分離率99.9%）。這樣可以將制冷劑與潤滑油分離開。潤滑油經過中返回壓縮機內部，并通過油質量流量計進行測量，以獲取油的質量流量。油質量流量計與油分離器上的流量控制裝置組成控制回路，用于調節油的循環率OCR。

3.3 實驗對象及工況

本研究以排量為27 mL的電動汽車渦旋壓縮機作為研究對象。選擇轉速為2000、3000 r/min，對2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%共9種不同的油循環率進行對比實驗研究，可以對比轉速、油循環率的影響。壓縮機的吸氣壓力為0.25 MPa，排氣壓力為1.39 MPa。

4 實驗結果分析

4.1 油循環率對排氣溫度的影響分析

9種狀態下排氣溫度隨油循環率變化的實驗結果和仿真結果對比如圖4所示。仿真中壓縮機的排氣溫度由于壓縮腔內潤滑油對溶質的冷卻下降[10]，當潤滑油占比增加,壓縮機排氣口的出口溫度降低。還因為制冷劑與壓縮機有一定的互溶性，一部分制冷劑會在壓縮機的運行中溶解在潤滑油里，從而造成制冷劑的缺失。而且油循環率的上升也會減小制冷劑的比例，隨著參與壓縮的制冷劑含量降低，壓縮效果減弱。

圖4 排氣溫度隨油循環率變化

從圖4中可以看出，實驗結果與仿真結果趨勢接近，但實驗得到的出口溫度數值比仿真結果要高。原因為：仿真徑向間隙比實際間隙值偏大，所以仿真過程中制冷劑與油的泄漏量也更大，導致壓力降低，使仿真結果值比實驗結果低?？紤]到上述因素，仿真結果和實驗結果基本一致。

4.2 油循環率對軸功率的影響分析

圖5所示為油循環率對軸功率的影響，數值模擬中軸功率可近似看成渦旋壓縮機動盤功率，圖中壓縮機轉速為3000 r/min時軸功率油循環率的變化幅度不大，而轉速為2000 r/min時，仿真分析油循環率從2.0%到3.5%軸功率緩慢下降，3.5%～4.5%時軸功率下降速度加快，在OCR達到4.5%后軸功率趨于平穩，實驗測得軸功率會在油循環率大于4.0%以后驟降。這是因為：當油含量較低時，壓縮機的各個摩擦件之間摩擦損失增加，從而導致功耗變大。而隨著油循環率逐漸增加，改善了潤滑條件，從而使壓縮機的功耗降低，在到達臨界點后軸功率降低。高轉速情況下雖然變化趨勢不明顯，軸功率也在到達臨界點后緩慢下降。圖中數值模擬結果略高于試驗結果，原因是：動靜盤徑向間隙的增大，會導致壓縮腔的壓力差增加，從而導致動盤的軸功率增大。

圖5 軸功率隨油循環率變化

4.3 油循環率對制冷量的影響分析

圖6是油循環率和制冷量的關系曲線，由圖中可以看出，轉速在3000 r/min時，制冷量隨著油循環率的增加而上升，油循環率為2%～4%時，制冷量逐漸上升，4.5%后迅速下降。轉速為2000 r/min時制冷量在油循環率2%～4%時幾乎沒有變化，4%以后制冷量緩慢下降，但是變化趨勢依然不大，這說明在轉速較小的情況下油循環率對制冷量的影響趨勢相對較弱。原因是：在油循環率較低時影響壓縮機性能的主要因素是泄漏。油循環率增加，油的密封作用也會隨之加強。當油循環率超過4%以后，過多的潤滑油就會增大流道阻力，使吸氣壓力下降，降低容積效率，造成制冷量的損失。

圖6 制冷量隨油循環率的變化

5 結論

本文基于熱力學第一定律和質量守恒定律對車用渦旋式壓縮機工作過程數學模型進行了仿真模擬，并對渦旋壓縮機進行了數值模擬仿真，用第二制冷劑量熱器法搭建了壓縮機性能實驗臺及OCR測量裝置，研究油循環率對壓縮機性能影響。結果驗證了仿真的正確性，排氣溫度在兩種工況下都是隨著油循環率的增長逐漸下降，高轉速下溫度下降較慢，仿真分析趨勢與實驗相同，由于潤滑油占比增加和與制冷劑的互溶導致仿真結果比實驗略低。制冷量在轉速3000 r/min時，隨著油循環率的增加上升，在OCR達到4%后制冷量迅速減小，制冷量在轉速為2000 r/min時受油循環率影響較小。軸功率在轉速為2000 r/min時油循環率大于4%后陡降，在3000 r/min時軸功率受油循環率影響較小，2%～5%的油循環率工況下緩慢上升，OCR超過5%后軸功率下降。故油循環率在4.5%時渦旋壓縮機可以獲得較佳的工作性能。