1、第2期陳文卿 等：國內螺桿式制冷壓縮機行業現狀與發展趨勢#國內螺桿式制冷壓縮機行業現狀與發展趨勢陳文卿 沈九兵 邢子文西安交通大學能源與動力工程學院)摘 要 螺桿式制冷壓縮機進入國內市場已有 30多年，如今已逐步取代其他型式壓縮機，成為中、高容量制冷空調系統的優勢選擇 ，市場份額逐年增加 。本文從轉子型線 、轉子加工、噴油及補氣技術和控制調節技 術等多個方面闡述我國螺桿式制冷壓縮機行業所取得的技術進步，介紹螺桿式制冷壓縮機在熱泵及冷凍冷藏行業中的應用，指出目前國產螺桿式制冷壓縮機在生產制造及控制系統方面存在的幾點不足，預測螺桿式制冷壓縮機的未來發展趨勢，力求為我國螺桿式制冷壓縮機的自主研發創新

2、起到指導性作用。關鍵詞螺桿式壓縮機；制冷；轉子；型線；容量調節；發展趨勢Current situation and development trend of sc new refrigeration compressor in ChinaChen Wenqing Shen Jiubing Xing ZiwenSchool of Energy and Power E nginee ring，Xian Jiaotong University)ABSTRACT Screw co mpressor entered domestic market 30 years ago, and s ub stitu

3、ted other style compressors gradually and is becoming the superior selection in refrigeration and air-conditioning system of mediu m an d high capacity with its market share increasing year by year. The tech nology imp rovement of the screw refri ge ration compressor industry in China is elaborated

4、from the aspects such as rotor profile line， rotor processing， injection tech nology and capacity control and so on . The application of screw co mpressor into heat pu mp and freeze and cold storage is also b riefly introduced . H owever， there are still some deficiencies requiring more efforts to b

5、e overcome in manufacture and control system for domestic screw co mpressor. The development trend of screw co mpressor is cautiously p re dieted. The study is hoped to provi de some actual gu idance for indepe ndent research and innovation .KEY WORDS screw compressor； refrigeration ； rotor； profile

6、 line ； capacity control ； development trend 14-2013 China Acadtmic JoomulPublishing Huuse. All rights reserved, http7;第2期陳文卿 等：國內螺桿式制冷壓縮機行業現狀與發展趨勢91收稿日期：2011-L2-L4作者簡介：陳文卿，在讀博士研究生，研究方向為螺桿式制冷壓縮機流動與換熱通常所稱的螺桿式壓縮機是 指雙螺桿式壓縮 機，其發展史可以追溯到1878年德國人 H.Krihar最先提岀的無內壓縮螺桿式壓縮機以及1934年瑞典皇家理工學院教授Alf Lysholm設計的螺桿式壓縮機

7、及其轉子齒型。如圖1所示，它主要由機體以及包含在機體中的一對平行配置的螺旋轉子組成。在電動機的驅動下，陽、陰轉子像齒輪 一樣嚙合旋轉，由轉子齒頂與機體內壁圍成的工作容積 周期性擴大和縮小，只需在機體上合理布置吸、排氣孔口即可實現吸氣、壓縮和排氣過程。自螺桿式壓縮機問世以來，工程師及科研人 員就轉子型線設計及加工制造技術進行了大量研究與探索，新型高效雙邊不對稱型線的提出，轉子精密快速加工技術的成熟以及噴油技術的引入使得螺桿式壓縮機已具備結 構緊湊、可靠性高、動力 平衡性好和適應性強等優點，廣泛應用于空氣動 力、制冷空調及各種工藝流程中。從20世紀60年代開始，螺桿式制冷壓縮機在國外逐漸大量生產

8、和應用，在寬廣的容量和工況范圍內逐步取代了 活塞式制冷壓縮機等 其他種類的壓縮機1：o 一般地,螺桿式制冷壓縮機容積效率可達到9 0%以上，陽轉子外徑在 75620 mm之間，使得壓縮機排氣 量可以完全覆蓋0.6600 m3/min的范圍，正常 吸排氣壓差大約為1 . 5 MPa,最高可達4.0 MPa2，在中等容積流量的空氣動力裝置及中等制 冷量的制冷裝置中占據了市場的優勢份額。圖1螺桿式制冷壓縮機結構示意圖1國內螺桿式制冷壓縮機行業進展1 976年，在參考國外進口樣機結構的基礎上 以單邊不對稱擺 線肖齒圓弧型線為核心，國內聯 合設計生產出第一臺噴油螺桿式制冷壓縮機。經過35年的技術改造與自

9、主創新 ，國內螺桿式制 冷 壓縮機在轉子型線、加工裝配精度以及調節控制 等方面的技術水平有了很大提高，逐步縮小了與 國際品牌的差距，涌現岀煙臺冰輪集團有限公司、 大連冷凍機股份有限公司、武漢新世界制冷工業 有限公司等一大批螺桿式制冷壓 業，與高等院校、科研事業單位一 新型高效、環保螺桿式制冷壓縮機 壟斷冷水機組和空氣源熱泵機組 局面正在改變。1 . 整體技術水平的提高1.1.1 轉子型線縮機生產制造企 起不斷研究開發，傳統國際品牌 螺桿機頭供應的螺桿式制冷壓縮機中，轉子齒面與轉子軸線 垂直面的截交線稱為轉子型線。轉子型線是螺桿式制冷壓縮機設計中的核心技術 。轉子型線的好 壞，直接決定了螺桿式制

10、冷壓縮機的泄漏特性、動力特性的優劣。而螺桿式制冷壓縮機的泄漏是螺 桿式制 冷壓縮機工作過程中存在的主要問題之 一，對螺桿式制冷壓縮機的容積效率和絕熱效率 具有重要的影響，從而影響螺桿式制冷壓縮機的 熱力性能；螺桿式制冷壓縮機的動力特性對壓縮 機的振動、噪聲、機械效率及裝配 間隙會產 生一定 的影響，這些也是評價螺桿式制冷壓縮機性能好 壞的重要指標。在全面比較國際知名型線的基礎上，國內科研機構憑借 大量的理論與試驗研究，從影響熱力 性能的因素出發，更進一步注意到有關型線參數 對轉子間力矩分配的影響，開發了在熱力性能、動力特性以及批量加工方面具有更大優越性的新一代高效螺桿式制冷壓縮機雙邊不對稱圓弧

11、型 線曲，如圖2所示。型線的各個組成齒曲線全部 采用圓弧及 其包絡線以形成比較短的接觸線，實 現轉子的穩定嚙合，當潤滑油進入接觸線之間時，很容易產生流體動力潤滑油膜以增強曲線密封效果，提高機器的運轉效率。各組成齒曲線之間的 連接比較平滑，型線上不存在任何尖點 ，可以很方 便地選取磨削方法加工轉子，避免了在尖點處形 成的應力集 中，并且工質在轉子內流動過程中受 到的阻力 較小，降低了因流動而產生的噪聲。雙 邊型線還 可以恰當地安排陰陽轉子之間的力矩， 減少壓縮機工作過程中由于力矩分配不均勻而產生的振動，提高壓 縮機的特 性。目前，國內大多數 螺桿式制冷壓縮機生產廠家已采用新一代雙邊不丹啟式對稱型

12、線使機器性能較以往有了很大提高，甚至 達到國際先 進水平，從根本上改變了機頭全部依 賴進口的局面。圖2 典型螺桿式制冷壓縮機轉子型線1.1.2 轉子加工轉子加工一般要經過車削 、銃削和磨削3道基 本工序。為了補償加工誤差和轉子工作時的變 形，需要在理論型線的基礎上，設定各點間隙，并 根據由此得到的實際型線進行銃刀與砂輪刃形設計。由于型線各部分變形量的不同，應在對型線 各部分的變 形進行具體分析和計算的基礎上，采 用不等距法”設計嚙合間隙，并將此方法應用于 14-2013 China Acadtmic JoomulPublishing Huuse. All rights reserved, ht

13、tp7;第2期陳文卿 等：國內螺桿式制冷壓縮機行業現狀與發展趨勢93刀具刃形的設計。此外，為了保證陰、陽轉子在節 圓附近以純滾動的方式接觸和傳遞力矩，在刀具 刃形設計中應在節圓附近設置寬度為2-4 mm的驅動帶。國內螺桿式制冷壓縮機 生產廠家大批引 進了專門用于轉子磨削加工的高精度 、高自動化數 控磨床，主要是英國的Holroyd，德國的Kapp和 Klingelnber精密轉子研磨機，并與這種不等距法”設計嚙合間隙和在節圓附近設置驅動帶的轉子刀具 刃形設計技術相結合，大幅提高了轉子加工的精度 和效率，改善了壓縮機的性能與可靠性。1.1.3 噴油、補氣技術在螺桿式制冷壓縮機工作過程中，噴油可以

14、 起到冷卻、潤滑、密封和降噪等作用，噴油技術的 引入極大促進了螺桿式制冷壓縮機的發展。噴油孔口的大小、位置、噴油量、油的霧化程度以及油 在工作腔內滯留的時間等參數對壓縮機的 特性都具有重要的影響，早就引起了大批國外螺桿式制 冷壓縮機從業人員的高度關注IO以西安交通大學為代表的國內科研機構與生產廠家也開展了螺桿式制冷壓縮機噴油特性的研究工作，建立了噴 油螺桿式制冷壓縮機工作過程的數學模型，測試 了螺桿式制冷壓縮機在不同工況下的性能以檢驗數學模型的正確性，并研究了油在螺桿式制冷壓 縮機工作過程中的分布問題以及噴油對螺桿式制冷壓縮機泄漏的影響，形成了一套完整的噴油技 術理論9： O利用螺桿式制冷壓縮

15、機吸氣、壓縮和排氣過 程處于不同空間位置的特點，在壓縮機吸氣結束 后的某一位置增開補氣孔口，吸入來自經濟器的 制冷劑氣體 使進入蒸發器的液體過冷度增加，以 提高系統制冷量與性能系數 COPo通過試驗獲取 螺桿式制冷壓 縮機在補氣過程中的p 指示圖， 并以此分析使用經濟器對壓縮機補氣時壓縮機的性能參數變 化情況，我國螺桿式制冷壓縮機業 內人員已基本掌握了壓縮機功率及效率隨補氣壓力及補氣孔口形狀大小的變化規律和最佳補氣壓力的選定原則。1.1.4 容量調節與內容積比調節螺桿式制冷壓縮機在實際運行過程中，外界 使用工況多變，為了保證壓縮機的運行效率，必須調節其自身運行工況 。根據螺桿式制冷壓 縮機容

16、量調節和內容積比調節的機制，圖3所示的僅通過控制相關油路上的電磁閥，即可同時調節壓縮機 能量和內容積比的能量調節機構已被國內 螺桿式制冷壓縮機生產廠家廣泛使用，解決了在變工況 時由于內容積比不匹配造成的過壓縮或欠壓縮帶來的損失，保證壓縮機運行功耗最小化，使螺桿式制冷壓縮機在正常工況、高溫工況、低溫工況和最大壓差工況下運行時都能保持較高的效率。合理地布置滑閥機構的增減載油路，容易實現有級或 無級容量 調節。兩者相對而言，有級容量調節比 較穩定，但調節范圍有限；無級容量調節范圍比較靈活，卻容易岀現 載位漂移 現象。此外，采用變頻 調速技術也可以實現螺桿式制冷壓縮機這種回轉機械的容量調節，節能效果顯

17、著，但制造成本高。 因此還需要根據具體應用場合選擇合理的容量調節方式OL】備蚯躺卓禮科：二油玉缸；/節祁活坯；-I鋤播：*內容祖比節高徳 t比調臨hh 齊冷間盲琦閥圖3螺桿式制冷壓縮機能量調節機構示意圖1.2市場份額的增加在制冷空調領域，活塞式制冷壓縮機單機制 冷量在3-100 kW之間，在大范圍的制冷或空調 工況下必須多臺機器相連才能達到效果，而螺桿 式制冷壓縮機單機的制冷量30- 1 500 kW）足以應對各種制冷范圍且易于調節。此外，螺桿式制 冷壓縮機具有結構簡單、運行可靠高效等一系列 獨特優點，正快速取代活塞式制冷壓縮機，占據了中、高容量的制冷空調應用場合的大部分比例。 隨著國內經濟的

18、增長 ，人們對于生活、工作環境舒 適性的要求 不斷提高，給中央空調提供了廣闊的 發展空間。僅2004年一年時間我國中央空調市場 增長率就達 到48%。在房地產開發、百貨倉儲物 流和大型公共建筑建設等眾多需要空氣調節配套設備的產業帶動下，2005年至今中央空調的年平 均銷售額均保 持在20%左右的增長速度，大大推 進了螺桿式 制冷壓縮機市場份額的上升，吸引了 大批外資企業到我國建造生產基地，如開利、比澤爾、江森自控、神戶制鋼、萊福康、富士豪和頓漢布 什，國內煙臺冰輪、大連冰山、臺灣地區的復盛和 漢鐘也是重要的螺桿式制冷壓縮機制造商。如 今，我國已成為全球最大的螺桿式制冷壓縮機生產基地，同時也是發

19、展最快的地區。1.3 應用范圍的拓寬隨著能源和環境問題的日益突出，如何高效 地使用能源、回收各種余熱和減小對環境的污染 已成為世界范圍內關注的焦點，也是我國建設節 約型社會的基本。熱泵作為一種高效節能產品， 將低溫熱能 轉換成高溫熱能，是一種用來解決能 源和環境方面問題的極為有效的技術，尤其是其 節能和環保的特性，十分符合我國能源戰略發展 的需求。蒸氣壓縮式熱泵循環同樣由壓縮機、冷 凝器、節流裝置和蒸發器四大基本部件組成，憑借結構、性能方面的優勢 ，螺桿 式制冷壓縮機 成為熱 泵循環核心 部件的上乘選擇之一，國內已有大連 冷凍機股份有限公司等多個廠家相繼推岀高效螺桿式熱泵產品，進一步促進了螺桿

20、式制冷壓縮機 的發展。中國社會經濟的發展吸引很 大一部分 人口必 然從農村進 入城市生活，加速了中國城市化水平 的進程。為城市居民提供安全的 食品對提高人們 的生活質量具有舉足輕重的地位。目前，我國冷 凍冷藏行業 占整個制冷行業的比例約為24%，遠 低于國際成熟市場 40%的比例，這表明國 內冷凍 冷藏行業具有很大的市場潛力。2008年9月 JARN的研究報告指岀，在2009年到2017年期 間，為保障國家食品安全 ，我國在工商業用 大中型 冷庫、車輛運輸用冷庫等食品冷鏈建設方面將會 花費上千億美元。螺桿式制冷壓縮機適合持續長 期運轉的特性以及整體技術水平的提高，使其正 逐步成為國內低溫冷凍冷

21、藏系統的標準配置，如 煙臺冰輪已成功研發岀可提供-50 C低溫的 NH3/C02螺桿復疊制冷系統 。2 存在的問題作為全球最大的螺桿式制冷壓縮機生產基 地，3 5年來我 國的螺桿式制冷壓縮機生產制造水 平得到了很 大提高，以往阻礙國內企業進軍螺桿 式制冷壓縮機市場的技術壁壘正在逐漸被打破, 涌現岀一批在世界范圍內具有一定影響力 的螺桿式制冷壓縮機制造企業。但是，螺桿式制冷壓縮 機行業技術 密集程度高，對生產工藝流程及加工 精度要求都比較苛刻，并且需要從研發設計人員 到加工制造一線的車間工人都具備較高的技術水平與豐富的 實踐經驗，國內螺桿式制冷壓縮機產 品較國際領先企業還有一定差距。1）轉子加工

22、設備落后。轉子齒面是比較復雜的三維螺旋齒面，加工精度直接影響壓縮機性能，這就對轉子銃床和轉子磨床提出了很高的精度控制要求。國內螺桿轉子精密加工設備還幾乎全部 依賴高價進口幾家國際知名公司的精密數控轉子磨齒機。近10年我國機床行業在數控機床生產方 面有突飛猛 進的發展，但目前仍然無法達到螺桿 轉子的精度與生產效率的要求，需要制冷空調行 業與機床行 業進行合作共同研究與開發，以求在 精密轉子研磨機制造上取得技術突破。2）軸承與機械密圭寸可靠性差。滾動軸承壽命對螺桿式制冷壓縮機運行時間長短有著決定性的影響，開啟式螺桿式制冷壓縮機檢修周期還取決 于軸封可靠性。要實現螺桿式制冷壓縮機全部部件國產化，滾動

23、軸承與機械密封設計制造水平亟 待提高。3）噪聲控制技術需要加強。螺桿式制冷壓縮機的振動與噪聲主要由排氣壓力脈動引起。雖然螺桿式制冷 壓縮機沒有排氣閥，但由于在壓縮機 的排氣過程中，排氣孔口的面積是變化的，在不同時刻通過排 氣孔口的氣體流量不同，因而不可避 免地會產 生排氣流量脈動。另外，由于不設排氣 閥，當設計工況與實際工況不一致時，在工作容積與排氣孔口連通的瞬間會出現等容壓縮或膨脹現象，導致排氣孔口處氣體流量的瞬時突變，這些氣流流量的 脈動均會產生壓力的脈動。因此，需要 進一步加強排氣壓力脈動的研究，優化螺桿式制 冷壓縮機結構設計，降低機身振動與噪聲。4）機電一體化程度低。實時監控壓縮機的運

24、行狀態，根據設定參數進行自動調節以降低對用 戶專業技術水平的要求，實現螺桿式制冷壓縮機 的智能控制，就必須提高機電一體化程度，在螺桿式制冷壓 縮機設備中集成智能計算機控制系統。 而國產螺桿式制冷壓縮機至今大都是人工操作或采用功能簡 單的繼電保護控制，機電一體化程度 需要大幅提咼。3 未來發展趨勢節能和環保是制冷空調行業發展的主要方 向。螺桿式制冷壓縮機從業人員應該牢牢把握行 業的發展方向，研究開發更多的節能環保產品，滿足日益迫切的市場需求 。1）加快變頻 螺桿式制冷壓縮機的開發，研究 壓縮機、電動機在變頻調速工況下的工作特性，選擇相匹配的 變頻控制、壓縮機結構和軸承布置方 案，同時將變頻調速與

25、內容比調節結合，實現部分負荷下的高能效 。2 ）針對節能減排的宏觀政策導向，能源成本 的提高以及企業低投入高回報的要求，研究壓縮 機或膨脹機在余熱回收利用、自然資源或者可再 生資源利用中的應用空間，開發應用于有機朗肯循環的螺桿式膨脹機 、應用于油氣田低壓余氣提取的 天然氣螺桿式制冷壓縮機以及應用于高溫熱泵的水 蒸氣螺桿式制冷壓縮機，拓寬螺桿式制冷壓縮機的 運行范圍，促使其向大容量應用場合進軍。3）結合制冷工 質替代的嚴峻形勢，開發可采 用新型制冷工質的壓縮機，例如R290，R32， R1234yf, CO2和NH3的螺桿式制冷壓縮機 。4）將最新的流 動換熱理論、工質熱物性及力學特性等基礎理論

26、研究成果應用到螺桿式制冷壓縮機開發中，提高螺桿式制冷壓縮機單機運行的 效率與可靠性。4 結論在制冷空調領域得到廣泛應用的螺桿式制冷壓縮機在國 內取得了重要發展，整體技術水平與 市場份額都 得到了很大提高，并逐步成為熱泵系 統與冷凍冷藏系統的標準配置。作為技術密集型產品，螺桿式制冷壓縮機還需要國內從業人員在 轉子加工設備制造 、軸承與機械密圭寸可靠性、噪聲控制與機電一體化等方面做岀更大的努力，牢牢 把握節能和環保 2個主要方向，加快開發新型高效 螺桿式制冷 壓縮機產品的步伐，進一步縮小與國 際領先水平的差距，為國家能源建設與國民經濟 發展做岀更大的貢獻 。參考文獻1】 Stosic N. Scr

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