涡旋式压缩一膨胀复合机的能量转换效率

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Energy Conversion Efficiency of Scroll Compressor-Expander UnitYANG Xing-hua 。 ， PA，l/ia-zhen ， WANG Ji dI 1·Sch1)Of Mechanical and Power Engineering，East China University of Scient-e and Tech 7wlogy，Shanghi 200237，China；2。Sehool o/、Mechanical and Electr (alngineering，Shand(J g-University rJ/Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong，Ctzin)Abstract： Fhe correction of end profile plays a key role on the performance of the scroll machinerv. The paper provides a method of double circular arc correction and its effect on the performance of the scrollcompressor expander unit is investigated.A new assessment criterion of energy conversion efficiency isdefined and different conditions including the supply pressure and the loads are considered in theexperiment.Resuhs show that the shaft power and the energy conversion efficiencv carl be improvedeffectively，wtrich is caused by the increase of the suction chamber volume after the profile c。rrection. Itgives a basis for the further structure optimal design。

Key words：scroll compressor-expander unit；profile；energy conversion efficiency涡旋机械 具有结构紧凑 、效率高、体积小等优点 ，被广泛应用于燃料电池 、热泵技术、汽车制冷空凋等领域 ↑年来 ，涡旋式压缩-膨胀复合机正逐步成为研究热点 ，美国 FIAX I I C公司设计制造了两代涡旋式斥缩 膨胀复合机样机并成功应用于燃料电池系统 ， 缩效率 69 ，膨胀效率 81%。HyunJin Kim 等 将 涡旋式压缩 膨胀复合机用于超临界二氧化碳制冷循环系统 中，压缩机和膨胀机的总效率(考虑容积效率 、等熵效率 和机械效率 )分别为66.4%和 52.6 。Wang Jihong等 。：在涡旋膨胀机的能量效率分析方面做了大量的研究。赵远扬等 提出了无油润滑涡旋压缩-膨胀单元用于燃料收稿 日期 ：gO12 11(J基金项目：旧家商技术研究发展计划资助项目(863”计划)(2009AA05Z212)作者简介：杨兴华(178).女，河南人，讲师，博十，研究方向为涡旋机械的优化设计及应用，压缩空气储能技术。 通信联 系人 ：潘家桢 ，E mail：jzpan###ecus1.edu.cn第 4期 杨兴华 ，等 ：涡旋式压缩 膨胀复合机 的能量转换效率 5O5电池 ，考虑泄漏和热量交换等 因素对其进行了数值模拟 ，包括不同转速 、吸气压力 、吸气温度下的性 能测试 。

但是，目前关于涡旋机械的效率多数采用容积效率或绝热效率作为评价指标，不能直接反映气体经压缩或膨胀后能量 的转换 和利用效率。另外 ，影响涡旋机械效率的-个重要 因素是涡盘的型线 ，而目前关于齿端型线修正对于涡旋式压缩-膨胀机的性能影响鲜见文献报道。

本文采用能量转换效率作为评价涡旋式压缩-膨胀复合机性能的指标 ，研究如何通过对涡盘 的齿端型线的修正来提高涡旋式压缩-膨胀复合机的性能，重点分析复合机在膨胀过程中的能量转换效率。

1 能量转换效率的定义涡旋式压缩-膨胀复合机用于气动系统或压缩空气储能系统等领域时 ，其能量转换可直观地考虑为压缩机先做功将空气压缩，做功能量储存 到压缩空气中，随后储气罐内的压缩空气被释放并驱动膨胀机输出机械功，从而实现动力传递的目的。这样储存在压缩空气中的能量伴随空气的压缩或膨胀而增减 。

对于涡旋式压缩-膨胀复合机的膨胀过程而言，能量转换 的形式是从压缩空气中的能量转化成膨胀机主轴的输出能量。在这-转换过程中，能量的损耗是不可避免的，包括 由于摩擦 、振动等因素造成的机械损耗 以及气体泄漏和热传递造成 的损失等 。因此 ，膨胀过程的能量转换效率可定义为膨胀过程的输出能量与输入能量之比，其表达式为" - 旦 ×100%o (1) ” -Pai- inL 1其中叼为复合机膨胀过程的能量转换效率；P 为复合机的主轴轴功率 ，P - ( 为主轴转速 ，r厂为主轴转矩)；P- 为压缩空气 的气动功率 ，即压缩空气内可转换为机械能的部分能量 ，体现了压缩空气的对外做功能力E8]，P ～ -Pq In (P 为大P气绝对压力 ，P为压缩空气的绝对压力 ，q 为换算到大气状态下 的体积流量)。

采用能量转换效率作为评价指标，可以更直观地体现复合机膨胀过程中能量被转换利用的比例。

2 涡盘型线修正对复合机能量转换效率 的影响2.1 型线修正方程涡旋式压缩-膨胀复合机 的动、静涡盘均采用圆渐开线型线，圆渐开线的基圆圆心为 0，采用两段圆弧对齿端型线进行修正 。齿端型线及其修正方法如图 1所示。修 正 圆弧 1和 2的圆心分别 为 0 和0 ，其半径分别为 R 和 R。。

弧1图 1 齿端 型线 的圆弧修正Fig.1 Arc modification of the top profile修正圆弧 1的起始端为圆渐开线上点 A，假设点 A 的渐 开线展 角为 。过 点 A 做基 圆 的切线AB，则点 A 的坐标可 以通过 圆渐开线上点 的坐标得到：XA-n[c。 ( d)sin ] (2)IYA- n gsin - ( d)COS ]其中 a为基圆半径 ，a为渐开线发生角。

点 B的坐标为：z -ncos (3)IYB - asl n 9则直线 AB的方程为翌 -- (4)z --aCOS 9 tan 9则圆心 O 的坐标满足 ：f( - A) ( - yA)。- RJ 1 (5) I- - (xcos - a)L Sln过 O0 与基圆的交 点 D做基圆的切线并与渐开线内壁型线交于点 C，则 C点为修正圆弧 2的起始端。为了使型线修正 后仍能保证连续性 和平滑性 ，两修正圆弧 CE和AE在末端连接点 E处相切。

假设点 C的渐开线 展角为 (规定逆 时针方 向为第 4期 杨兴华，等：涡旋式压缩-膨胀复合机的能量转换效率 5O72.3 试验结果分析图4为负载阻值为 160 Q时复合机的轴功率随时间的变化图。由图可知 ，当进气压力维持恒定时 ，复合机主轴输 出的轴功率会产生-定 的波动性 ，以O.45 MPa的进气压力为例 (图 4(a))，型线修正前的轴功率稳定后基本保持在 300～400 W ，而经过型线修正后，复合机主轴输出的轴功率为 400～500w，有较明显的提高。图 4(b)和图 4(c)也显示出同样的变化趋势。其原因是，当对涡盘齿端型线进行修正，采用两段圆弧代替原有的渐开线后，增加了动 、静涡盘中心腔的容积 ，即增大 了膨胀的吸气容700600500≥4003002001O0O8007006005004003002001O0积。当进气压力-定时 ，型线修正后 的涡盘吸气量增加 ，而吸气量 的大小直接影响复合机的输出能力 ，因此复合机的主轴轴功率有所增加 。

对比图 4(a)～图 4(c)可知 ，随着进气压力的提高，复合机主轴轴功率有-定程度的提高，这是由于进气压力的提高和进气量的增加直接决定 了输入压缩空气的气动功率的增加，复合机的输出功率随之增加。另外，涡盘型线修正后，复合机主轴轴功率的波动性得到了-定程度的改善 。这是因为型线修正后 ，保证了修正圆弧与型线连接点处 的连续性 和光滑性 ，从而确保 了动 、静涡盘啮合时的平稳性。

差图 5为负载阻值为 431 Q时复合机的轴功率随时间的变化图。由图可见 ，型线修正 同样能有效提高复合机的主轴轴功率 。对 比图 5(a)与图 4(a)可见，增加负载阻值后，复合机主轴轴功率明显提高，这是由于负载阻值的增加导致复合机进气量增大，因而在 同样进气压力条件下 ，复合机 的主轴转速明显增加 ，轴功率随之增加。

图 6表明了在不 同负载条件下，复合机 的能量转换效率随进气压力的变化曲线。相比较未修正的1 2001 0008006004002000l 21 41 61 81 10l 12lt/sl 4001 2001 000≥ 800600400200O800700600500400300200l00O1 21 4l 61 81 1O1 121t/s涡盘型线 ，经型线修正后的复合机能量转换效率得到较明显的改善。在实验条件下，当负载阻值为431 Q，进气压力 为 0.55 MPa时，复合机能量转换效率达到最大值 44 ，即复合机吸人的压缩空气的能量中 ，有 44 9/6的能量可以直接转化成主轴的机械能。与容积效率等评价指标不 同，能量转换效率更直观地体现了能量在复合机的膨胀过程中被转换利用的比例 。

·-型线修改前；--型线修改后图 5 431 n负载下复合机的轴功率Fig.5 Shaft power of the unit with load of 431 Q508 华 东 理 r大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 39卷3 结 论芝0.40 0.45 0.50 0.55 0.60进气压力/MPa·-型线修改前；-～型线修改后进气压力/MPa图 6 复合机 的能量转换效率Fig.6 Energy conversion efficiency of the unit本文采用 能量转换效率作为评价涡旋式压缩-膨胀复合机性能的指标 ，利用圆弧修正的方法对涡盘齿端型线进行修正并研究型线修正对复合机能量转换效率的影响。试验结果表 明：涡盘齿端型线修正后，能有效扩大涡盘中心腔的吸气容积，增加进气量，从而提高复合机 的输 出轴功率。型线修正 时的平滑性和连续性增加了复合机的输出稳定性；复合机膨胀过程 中的能量转换效率经型线修正后有所改善 ，其大小随进气压力的增加而提高，在实验条件下最大值达到 44 左右。