我国制冷空调行业螺杆制冷机的开发研制历程
原合肥通用机械研究所 高级工程师 吴进发 |
一、简要回顾
1. 课题立项
1972年由机械工业部下达任务责成合肥通用机械研究所牵头,组织制冷行业进行螺杆制冷机机型系列产品的开发研制工作。
2. 螺杆机型的固有优势
螺杆机型几乎没有易损件,可以直接向压缩机腔喷油进行润滑、冷却、密封,并降低噪声,对湿行程不敏感,运转周期长——可持续运行5万小时(而与之相同容量的活塞机型,即使是A等产品,也只有8 000小时的运转周期),冷量覆盖范围宽,工况适应范围广??,这些优势已被当时西方工业先进国家所证实。而且以螺杆机型取代活塞机型的进程在快速的推行之中。这就是当时我国螺杆机型立项的国际背景。
3. 我国螺杆机型立项的当时状况
当时,我国制冷行业尚未真正着手螺杆机型的研究工作,而以上海精业厂、上海第二压缩机厂、无锡压缩机厂等压缩机行业厂曾少量试制过螺杆压缩机。上一冷也曾借用压缩机厂生产的转子,制作机体生产过几台螺杆冷冻机。但不论是螺杆空压机还是螺杆冷冻机,都由于其功耗大、噪声大、启动困难等一系列缺陷几乎无法正常使用。高频的“啸叫”工作环境,也使操作人员无法承受,使用不久便被用户弃之不用,而以别的机型取代。可以说在此期间,螺杆机型是声名狼藉,不被社会所接受。这也是螺杆制冷机型当时立项的国内背景。
二、技术准备
1.螺杆型线
螺杆型线的研究是该机型的关键所在,非对称型线在减小泄漏三角、缩短接触线长度等方面,明显优于对称圆弧型线,使压缩过程中的内泄漏大幅减少,提高了机器的启动容积效率,也就成为提高能效比的关键。便于形成油膜改善密封效果,亦减小机器运行中的噪声,均优于对称型线。这在整个学术界中均有共识,毫无疑义。但长期以来,由于庞大的计算量及制造工艺的难度,使人们不得不在很长的一段时间内,宁可选用较为容易实现的对称圆弧型线,也正因为如此,即使在西方国家,该机型在此期间之优势也无以彰显,推广使用也同样处境尴尬。上世纪50年代末60年代初,由于计算机技术的突飞猛进,并在计算机技术的引导下,加工技术大幅度提升,高精度检测计量技术也达到了一个崭新的水平。这些都为高科技水平的非对称型线的研究技术奠定了基础,也为该机的发展奠定了基础。
2. 排气口的设计与布局
螺杆与活塞虽均为容积式机型,但是二者在排气瞬间的确定方面却存在巨大差异。活塞式以排气阀与排气腔形成一种相互呼应的关系,自动追加平衡,确定了不同工况下的排出瞬间,这是它的一大特点。而螺杆式却是借助于滑阀与机体组成的轴向与径向排气孔口来适应排气腔的沟通。由于外界环境的变化及工况的变化,这个排气瞬间的确定是十分困难的,往往不相适应的情况居多。这就必然会引起在压缩过程结束时,在排气口处产生所谓等容膨胀或等容压缩过程,将引起功耗增大。若能在排气孔口的设计即布局方面仔细研究推敲,特别是在结构设计上有所突破,是我们以后研究工作的一个关键所在。
3. 中间补气节能系统
螺杆机为单向运转,这就使得在介质流动过程及节流过程中由于不可逆产生的气体(中间气体)被导入螺杆机压缩腔中成为可能。这就是通常所说的中间补气节能系统。关键是补气点位置的确定。系统结构并不复杂,但节能效果却是显而易见的。
4. 内容积式无级调节机构
冷冻机运行中由于环境的变化,工况的变化是随时随地都要遇到的问题,螺杆机使用滑阀变化排出孔口位置来适应的滑阀的数量是有限的,一般配备三档供用户选取。这不可能满足变化多端的冷冻机运行状况。鉴于此我们提出了一个“内容积式无级调节机构”科研命题,且国际间尚无此先例。
5. 型线研究及样机的测试测绘
由通用所压缩机与冷冻机专业共同开展对螺杆非对称型线的研究并进行了中间试验。型线的计算在北京科学院计算机中心进行。中间试验是在无锡压缩机厂完成的。这就是第一次确定了螺杆机型的非对称型线,当然也是初步的。
当时通用所有2台国外厂商来华制冷展中留下的样机。我们在通用所制冷机实验台上对样机的性能进行了测试,对样机性能及结构进行了分析消化,这些对我们进一步深入认识该机型是有收益的。
三、螺杆制冷机系列产品联合设计及样机的试制试验研究
1. 由通用所起草了螺杆制冷机产品的系列型谱——型式参数、技术指标、技术要求等相应的配套技术标准,作为该机型发展的遵循依据。
2. 联合设计
经过两年多的技术准备于1974年4月,由通用所主持在烟台冷冻机厂开展了有烟冷、大冷、上冷、上一冷等行业厂参加的螺杆制冷机系列产品联合设计。历时100天。这是一次十分规范完整的设计工作。汇总资料十分丰富,为后来螺杆机的设计研究积累了丰厚的技术基础。型线数据由通用所统一提供。
3. 样机的试制试验
在联合设计的基础上由烟冷、武冷,首先投入样机的试制工作,由于工艺准备的工作量大,几乎等于重新研制,生产螺杆尚无工装设施,所以试制周期旷日持久,直到1978年8月烟冷、武冷先后完成了样机的试制及性能测试工作
4. 样机的鉴定验收批量投产及推广应用
由机械部组织了样机的鉴定验收工作,应该说样机的设计试制是很成功的。技术指标达到了课题立项任务书的要求,与会者给予了很高的评价。随鉴定之后,螺杆机投入批量生产且在国民经济各部门推广应用。如攀枝花工程、三峡大坝工程、大型冷库工程,螺杆机型逐步被广泛接受,也开始了我国以螺杆机型取代活塞机型工作的进程。
四、螺杆机型在我国的技术进步
通过20多年的不断研究实践,螺杆机型在我国的科研成果真可谓硕果累累。该机型的技术进步是飞跃式的。如:
1. 螺杆型线
对螺杆型线的研究探索一直在进行之中,也取得了长足的进步。这里特别提出的是以西安交大制冷教研室在型线方面的研究成果颇具代表性。以邢子文教授为代表的团队在此领域可以说当之无愧地站在国际水平的最高点。在我国制冷压缩机行业被广泛采用,取得了良好的社会效益与经济效益。
2. 经济器系统
经济器系统,又称之为中间进气系统,是单向运转孔口机型的一大特色。当然,目的是为了提高机械运行的能效比。实际上就是将制冷剂流动过程中及节流过程中产生的中间气体导入压缩容积中再压缩排出。关键是充注瞬间点的选取。简单说,充气口开在何处?武冷、烟冷、通用所、华中工学院等单位共同对该课题进行了一系列实验研究,取得很好的节能效果。而且适应工况范围很宽,在行业厂的螺杆机上无一例外地被广泛采用。
3. 内容积比无级调节机构
“内容积比无级调节机构”是螺杆机型在结构设计中的一大突破,为我国首创,迄今国际间尚无此先例。这里要特别提到为此做出杰出贡献的武冷吕志钧高级工程师,他巧妙地构思将容量调节、工况调节融为一体,颇具特色,使螺杆机的能效比达到了一个新的高度。
4. 加工工艺及计量技术
烟冷、武冷、大冷等生产螺杆机的主要行业厂,在加工工艺及计量检测等科研技术方面,作了大量卓有成效的工作。螺杆机型的技术进步,这方面的技术支撑是关键之一。各种加工设备、加工中心、各种高精度的计量检测设备的设计制造及技术引进,形成了相应的生产线。为批量生产奠定了丰实的基础。在冷冻机行业,螺杆机型的加工设施与计量技术亦具有典型意义。
五、螺杆机型的水平评估
经过制冷机行业20余年来孜孜不倦的追求探索,螺杆机型在科技领域取得了丰硕的成果。例如:2001—2004年间,烟台冰轮集团与西安交通大学一起,集中力量对螺杆机型进行了全方位的改进提高,将历年来所取得的科研成果总成汇集于一身,取得了优异的成绩,这可借鉴定结论予以佐证:
1. 螺杆型线,拥有两项国家专利——接触线短、漏气三角形小、转子力矩分配合理,使压缩机效率高、噪声低、加工工艺性好。
2. 结构设计方面,拥有一项国家专利——内容积比和能量调节机构,可根据实际工况在2.6?5.0之间进行无级内容积比调节,节能效果显著。能量可在15%?100%范围内连续无级调节,在部分负荷运转时仍具有良好的性能指标。
3. 配套设施方面,拥有两项专利——双作用转子柱塞泵,具有优良的性能指标,确保压缩机的可靠运转;油冷却器,传热效率高、体积小、质量轻、采用离心、重力分油及高效过滤等多种结构设计的新型油分离器,使油耗指标达到了5?10 PPM。
鉴定结果为:新型高效螺杆制冷压缩机是具有自主知识产权、各项性能指标达到当代国际先进水平的机型。
我们认为,在我国冷冻空调行业发展进程中,螺杆制冷压缩机组的发展具有典型意义。由于工程技术人员的不懈努力,并正确利用了产学研相结合的科技开发政策,我们在螺杆型线、内容积比和能量调节机构及油泵、油分离器等方面拥有多项专利,多项具有自主知识产权的核心技术,所以我们可以当之无愧地说,螺杆制冷压缩机整体水平我们走在世界的前列。
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