一种高温制冷压缩机的开发和应用

　　　刘　华,张治平,谢艳群
　　(珠海格力电器股份有限公司,广东珠海　519070)
　　摘　要：高温制冷离心压缩机是一种应用于高温离心式冷水机组的新型离心式压缩机。本文通过对常规离心压缩机的特性分析,探讨了高温制冷离心压缩机的性能特性及其开发方案,提出了高温离心压缩机设计与优化方案。通过高温离心式冷水机组的性能试验验证了高温制冷压缩机的设计方案。
　　关键词：高温离心式冷水机组;高温离心压缩机;压比;性能特性;开发方案
　　中图分类号：TH452　　文献标识码：A　　　　文章编号：　1005—0329(2010)02—0074—05
　　1　前言
　　高冷冻出水温度离心式冷水机组因其优越的能效指标而逐渐成为空调行业关注的焦点,在大型办公建筑、工业厂房和工艺流程中具有广泛的应用前景,特别适用以下区域: (1)采用温、湿度独立控制的大型空调系统; (2)所有需要使用1~20℃冷水的场所; (3)西北部低空气湿度地区无需除湿的大型供冷系统。
　　高温离心式冷水机组其冷冻水出水温度1~20℃,相比标准工况[1](即冷冻水出水温度7℃),其系统蒸发温度有了很大的提高,直接引起其吸气比容和级的工作压比(排气压力/吸气压力)大大降低。如何在压缩机工作状态改变情况下保证高温离心式冷水机组的正常工作及其节能性,需要进一步对离心压缩机进行设计改进研究。本文主要介绍设计的一台以R134a为制冷剂,制冷量为4000kW的单级压缩高温制冷离心压缩机设计开发及其研究结果。
　　2　离心压缩机的特性分析
　　离心压缩机的特性不同于容积式压缩机,其压缩机特性曲线如图1所示。压缩机特性曲线显示:压缩机压比随流量增大而逐渐减少,压缩机效率随流量增大也逐渐减少。若简单地将常规离心压缩机直接匹配系统让其工作在高温工况,从特性曲线可以看出其运行工况严重偏离了压缩机的设计工况,必然导致压缩机效率严重衰减,机组性能系数难以大幅度提高。
　　为了进一步获得常规离心机在高温工况下压缩机特性变化数据,对一台制冷量为4000kW的常规离心式冷水机组进行了实测分析。测试工况和测试结果见表1。
　　从实测数据可以看出,按照标准工况设计的常规离心式冷水机组,当工作在高出水温度时,其压缩机绝热效率大幅度下降,降幅达18. 70%,而制冷量仅增加3. 20%,并没有显著的增加。这样尽管压缩机压比下降了25. 30%,但压缩机耗功并没有得到很大的降幅,因而造成整机性能系数仅提高了10. 70%。从制冷循环的理论分析得出,冷冻水出水温度由7℃提高至16℃,机组性能系数可以达到8. 01W /W,而实测COP仅为6.40W /W。此测试结果反映由于设计工况的限制,常规机型运行在高温工况下性能系数提高十分有限,无法实现该工况下的卓越节能性。因此,要开发高温离心式冷水机组必然要重新设计满足于高温工况的离心压缩机。
　　3 　离心压缩机设计与优化
　　设计满足高温工况运行的高温离心压缩机的关键是叶轮的设计,通过初步研究确定了两种设计方案: (1)在常规离心机的基础上降低叶轮转速; (2)全新设计应用于高温工况的叶轮。以下对两种方案进行详细介绍。
　　3. 1　降低叶轮转速方案
　　3. 1. 1　离心压缩机随转速变化的性能特性
　　离心压缩机级压力的提高是由叶轮对气体做功的大小决定的,一般离心式制冷压缩机都是轴向进入叶轮,叶轮对每1kg气体所作的功,即每1kg气体所得到的理论能量头为：
　　叶轮能量头hth正比于u2的平方,即正比于转速n的平方,当转速n减少,压缩机的压比及出口压力将明显降低。
　　对于离心压缩机,当叶轮的转速变化时,其性能曲线的变化见图2、3[2]。
　　当工况改变时,可通过调节压缩机的转速,移动压缩机性能曲线,从而改变压缩机工作点来满足运行工况要求。可见,对于高温离心压缩机,可在现有常规离心机通过改变叶轮转速降低压比来满足高温工况的运行。
　　为进一步研究常规离心压缩机改变转速方法的可行性以及压缩机特性变化数据。特通过在现有4000KW常规离心机进行调整转速实验研究。
　　3. 1. 2　叶轮转速的确定
　　在现有制冷量为4000kW常规离心压缩机上降低叶轮转速,以满足高温工况运行要求,叶轮型线及结构未作任何更改。压比与压缩机转速平方成正比[2]:
　　采用CONCEPTNREC离心压缩机分析软件对常规4000KW离心机一维分析,不同转速下其压比与流量关系如图4所示。
　　对于4000kW的高温离心机,压缩机容积流量1. 105 m3/s,压比为2. 0,该工况点S′正好落在曲线图上0. 85倍设计转速图上。
　　综合以上分析结果,同时结合增速齿轮传动设计要求,最终确定叶轮转速为:n′=0.854n。
　　3. 1. 3　调整转速前后压缩机性能变化
　　为了研究改变叶轮转速时压缩机的性能变化情况,在现有的常规离心机上,保持压缩机叶轮、扩压器、进口可转导叶机构以及机组其他结构均不改变的基础上,通过更换不同传动比的齿轮来改变叶轮的转速。
　　离心机组测试时,调整转速前后,都保证进口可转导叶处于全开状态和冷冻水出水温度不变(即常规离心机7℃,高温离心机16℃),通过改变冷却水进水温度来研究压缩机性能曲线。测试结果如图5、6所示。
　　测试结果反映,改变压缩机转速后性能曲线近似一种平行移动的状态,压缩机转速降低到0.854倍设计转速,压缩机压比下降了27. 8%,容积流量减少了31. 8%,同时压缩机仍能保持较高效率,效率仅降低3. 72%。
　　从降低叶轮转速的方案可以看出采用现有常规离心机通过降低压缩机的转速来实现高温工况运行是一种相对较简单的可行方案,压缩机无需作太大的改动,但此方案的压缩机级效率存在一定程度的衰减,因此要获得更高压缩机效率,简单通过降低转速是不够的,必须对离心压缩机叶轮进行全新设计,即方案2。
　　3. 2　全新叶轮设计
　　在离心式压缩机中,叶轮是整个压缩机的心脏,通过叶轮对气体做功,使气体获得能量,压力升高。叶轮设计的好坏,对于级的性能起决定性作用,直接影响压缩机的效率。高温离心压缩机特点是:压缩机压比较低,进口容积流量小。相比常规离心机叶轮,在满足叶轮压比的同时可以获得较低的叶轮进口相对马赫数Mau。研究表明,随着Mau的增大,压缩机级效率降低,因此从理论上分析,高温工况离心压缩机更能获得高效率。基于此,利用美国ConceptsNREC公司离心压缩机设计软件对高温离心压缩机叶轮进行更进一步优化和改进。
　　影响叶轮性能的主要参数包括叶轮叶片数、叶轮出口宽度、叶轮叶片型线及叶轮出口叶片厚度。
　　3. 2. 1　叶轮叶片数的确定
　　对于叶轮,要获得满意的性能,就必然有一个最佳的叶片数,且最佳的叶片数取决于叶片进、出口安装角和轮径比D2/D1。最佳叶片数[2]:
　　同时考虑到叶轮进口相对马赫数较低,进口不容易产生堵塞,经研究分析,高温离心机叶轮叶片全为长叶片较佳,叶片数在16~18片较为合适,图7、8分别为改进前后叶轮进口流场情况。从叶轮进口流场可以看出,优化后叶片叶尖激波明显得到改善,流场得到了很大的改善。
　　3. 2. 2　叶轮出口宽度的确定
　　叶轮出口宽度b2,叶轮出口直径D2,b2/D2称为相对宽度。叶轮相对宽度过大、过小的都是不利的,一方面叶轮的宽度将影响到扩张角,扩压度和截面的水力直径,而这些参数是影响流动损失重要因素;另一方面在一定的流量下,叶轮宽度对轮阻损失和内泄漏损失系数均有影响。叶轮宽度过小时,水力直径和雷诺数小,致使摩擦损失显著增加;同时,轮阻损失和内泄漏损失系数也增加,使级效率降低。叶轮宽度过大时,由于通常叶片都是非扭曲的,不能适应气流在通道内流动的空间特性,因此会增大扩压度以及分离损失,使级效率下降[2]。
　　通过对高温工况叶轮CFD分析研究,兼顾考虑到空调用制冷压缩机运行工况范围广的特点,分析认为比较合理的b2/D2在0.05~0.06之间。
　　3. 2. 3　叶轮叶片型线的确定
　　为获得高的叶轮效率及宽的稳定运行工况范围,在叶轮出口选取-55度后弯角并前倾25度。叶片型线采用这种后弯前倾的结构方式,对叶片载荷进行更进一步的优化,并采用CFD进行更进一步优化分析,调整前后叶轮内部流场情况如图9、10所示。
　　从CFD流场分析结果可以看出,调整前的长短叶片方式,流场内部有较大的低速区,靠近轮盖侧极易产生二次流损失;调整后叶片角度分布后,内部流场均匀,形成低速区较少,较为合理。
　　3. 2. 4　叶轮出口叶片厚度的确定
　　高温工况离心机叶轮,其转速比常规制冷离心机叶轮低,叶轮出口线速度在160m/s~170m/s之间,叶轮结构强度要求偏低,因此在叶轮出口的叶片厚度可以减薄,减少叶片的尾迹损失。调整前后叶轮厚度分布及CFD分析的尾迹损失,如图11~14所示。
　　从叶轮出口流场CFD分析结果看,调整前叶轮出口有较大的尾迹损失,调整后的叶轮尾迹损失较少,更利于叶轮效率的提高。
　　4　压缩机性能测试验证
　　4. 1　压缩机满负荷性能测试
　　采用与常规离心机相同的试验方法,即将压缩机进口导叶全开和保证压缩机吸气压力465KPa不变,调整冷却水进水温度不断调整压缩机排气压力,测试压缩机性能特性。通过检测压缩机吸排气口温度压力参数,计算压缩机的压比及绝热效率;通过检测机组的制冷量计算压缩机的容积流量。测试结果如图15所示。
　　测试数据显示,调整叶轮后的压缩机性能在设计点90% ~105%之间能效最高,绝热效率有较大幅度的提高,约为3% ~4%,整机满负荷COP得到了很大的提高。
　　4. 2　部分负荷性能测试
　　参照GB/T18430.1中IPLV(综合部分负荷性能系数)测试工况(冷冻水出水温度16℃)对压缩机进行了部分负荷性能测试[1],测试结果如图16所示。
　　部分负荷性能测试结果显示,随着负荷减少压缩机压比、进口可转导叶开度、压缩机绝热效率都存在不同程度的降低。全新设计的高温压缩机在部分负荷仍能稳定可靠运行,而常规离心压缩机应用于高温离心机,由于其设计压比较高几乎不能在部分负荷运行。因此全新设计的叶轮,不仅保证了机组满负荷高效运行,同时也保证了机组在部分负荷稳定可靠运行。
　　5　结论
　　(1)在常规离心压缩机的基础上降低叶轮转速是一种较简单且可行的开发方案,但压缩机效率存在一定程度的降低;
　　(2)全新设计叶轮的方案很好地满足了高温工况的满负荷和部分负荷运行,且与常规离心压缩机相比,压缩机效率和机组性能系数均有大幅度提高,很好地实现了高温离心式冷水机组卓越的节能性,是一种全新的设计方案。
　　参考文献
　　[1]　GB/T18430. 1-2007蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组第1部分:工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组[S].
　　[2]　徐忠.离心式压缩机原理[M].西安:西安交通大学, 2008.
　　作者简介:刘华(1977-),工程师,长期从事制冷技术的研究。通讯地址: 519070广东珠海市珠海格力电器股份有限公司。