螺杆制冷压缩机供油优化实验分析应用

　1、引言
半封闭式螺杆压缩机，因其结构简单、运行可靠、噪声低等特点，在中小冷量制冷领域发展十分迅速，占据了绝大部分市场份额。随着国家节能减排政策趋势的引导，螺杆制冷压缩机的研究，也不断朝着低能耗、高效率的方向进展。2017年即将施行的“GB 19577冷水机组能效限定值及能效等级”，对冷水机组的性能指标提出了更高的要求。该标准能效等级由原来的5级调整为3级，不仅提高对机组性能系数COP的要求，而且新增了对综合部分负荷性能系数IPLV的要求。而作为该标准适用的螺杆冷水机组，将面临极大的挑战。螺杆压缩机作为机组的核心部件，是机组提效的关键所在。
螺杆压缩机运行过程中，冷媒和冷冻油相互混合，冷媒实现制冷，冷冻油则充当冷却、密封、润滑、降噪的作用。进入压缩机的冷冻油，主要分为3个方面，吸气冷媒携带的冷冻油（后简称吸气回油）、吸气端轴承供油、排气端轴承供油，如图1所示。
对于吸气回油，冷冻油随气体进入压缩机吸气腔，并开始压缩，过多的油量会占用吸气容积，使压缩机容积效率降低，同时在压缩过程也会形成额外功耗。吸气端轴承供油，对轴承主要起到润滑冷却作用，在此之后排入吸气腔，如果供油量过多，同样会使容积效率降低、功耗增大。排气端轴承供油，用于冷却和润滑轴承，之后进入吸气结束位置，该供油对容积效率不会有影响，但同样会造成功耗增大。
冷冻油的供给量，对螺杆压缩机性能有重要影响。为此，笔者针对公司某系列螺杆压缩机进行了油量实验，研究吸气回油、吸气轴承供油、排气轴承供油，对压缩机性能及可靠性的影响。

图1 螺杆压缩机供油示意

图2 油量调节实验方案
2、实验方案
2.1 油量调节及测试
为验证供油量对性能的影响，需精确调节油量，并测试压缩机性能的变化。压缩机吸气回油量，可通过实验台进行监测及调节，对于吸气轴承及排气轴承供油，分别采用油流量计监测流量，并用球阀配合节流塞调节流量。
2.2 轴承温度测试方案
轴承供油量调节实验，其油量下限值，应以保证轴承可靠工作为目标。滚动轴承可靠工作所需冷冻油量很少，判别其可靠性应以轴承温度为主。通常，轴承温度低于120℃时，轴承可长期可靠运行。为精确测试轴承温度，制作套管，将热电偶牢固压紧在圆柱轴承外圈。
2.3 测试方案
为充分验证油量对性能的影响，对水冷工况5/40℃及热泵工况2/50℃分别进行测试。在各个工况，分别研究吸气回油、吸气端轴承供油、排气端轴承供油的影响。而完成性能试验后，选取最佳供油量，在20/75℃极限工况，验证压缩机轴承温度的可靠性，从而最终确定最佳供油量的可行性。

图3 圆柱轴承温度测试方案

表1 实验工况表
3、实验结果
3.1 吸气回油量调节实验
保持吸气轴承和排气轴承供油量不变，调节压缩机吸气回油量的大小。
可以发现，随吸气回油量增大，无论水冷工况还是热泵工况，排气量均显著降低，最大降幅分别达到2%及4%；制冷量也随之逐渐降低，功率随之增大；COP随吸气回油量的增大，逐渐降低，吸气回油量从0 kg/h增大至1000 kg/h，水冷及热泵工况COP衰减分别为3%及5%。
由此可见，吸气回油量越大，压缩机性能越差，热泵工况性能衰减尤为明显，并且当吸气回油量超过800 kg/h后，压缩机热泵工况性能急剧变差。
3.2 吸气端轴承供油量调节实验
保持吸气回油量及排气端轴承供油量不变，调节吸气端轴承供油量的大小。可发现，随着吸气端轴承供油量的增大，压缩机排气量降低，水冷及热泵工况降低幅度都在1%左右，制冷量变逐渐增大，功率逐渐降低。制冷量及功率变换幅度都很小，COP整体降低。水冷工况，吸气端轴承供油量由0 kg/h增大至100 kg/h，COP衰减约2.3%；热泵工况，吸气端轴承供油量由0 kg/h增大至300 kg/h，COP衰减约2.4%。
由此可见，吸气端轴承供油量越大，压缩机性能越差。尽管调整吸气端轴承供油，压缩机制冷量和功率变化都不大，COP变化却超过了2%。
3.3 排气端轴承供油量调节实验
保持吸气回油量及吸气端轴承供油量不变，调节排气端轴承供油量。可以发现，水冷工况，排气量供油量增大而略微增大，增幅最大0.3%，这是由于油量增大，增强了压缩过程密封作用。而热泵工况，排气量变化小于0.1%，可忽略不计。而随着排气端轴承供油量增大，压缩机制冷量和功率均无明显变化。水冷工况，随排气端轴承供油量增大，COP无明显变化，热泵工况，随排气端轴承供油量增大，COP衰减约为0.6%。
由此可见，水冷工况及热泵工况，排气端轴承供油对压缩机性能影响很小，可忽略不计。
3.4 最佳油量可靠性试验
通过前述分析可以发现，吸气回油及吸气端轴承供油量对压缩机性能影响较为显著，排气端轴承供油量对压缩机性能影响很小。对于吸气回油，油量越小，压缩机性能越佳。此部分油量来自于系统油分离器，此部分油量用于补偿压缩机内置油分效率不够100%而造成的跑油损失。因此，最小吸气回油量的选取，应保证压缩机内置油位稳定。经实验验证，当吸气回油量为100 kg/h时，压缩机长期运行8 h，内部油位无变化。对于吸气端轴承供油，同样是油量越小，性能越好。吸气端轴承供油，以选取结构及可靠性上可实现的最小供油量为佳。经过验证，吸气轴承供油量为50 kg/h时，为最佳供油量。排气端轴承供油量，对压缩机性能影响很小，综合考虑水冷及热泵工况，取最佳供油量为400 kg/h。
吸气端轴承及排气端轴承的供油，最主要的作用是冷却润滑轴承。在确定最佳供油量后，还需对轴承的可靠性进行验证。因此选取20/70℃极限工况，在最佳轴承供油的前提下，监测轴承温度，验证轴承工作的可靠性。
压缩机圆柱滚子轴承发热量最大，布置5组热电偶，测量阳转子排气端圆柱滚子轴承、阴转子排气端圆柱滚子轴承、阳转子吸气端圆柱滚子轴承的温度，同时监测吸气端轴承及排气端轴承供油温度。
可发现，排气端轴承和吸气端轴承温度均在可靠性工作的范围内，前述选取的最佳供油量十分可靠。同时可以发现，吸气端供油温度比轴承温度高，油对轴承有加热作用；排气端轴承温度与供油温度相近，冷却效果很好。

吸气回油最佳油量	吸气端轴承最佳供油量	排气端轴承最佳供油量
100kg/h	500kg/h	400kg/h

表2 压缩机最佳供油量结果

吸气阳转子轴承温度	排气阳转子轴承温度	排气阴转子轴承温度	吸气端轴承供油油温	排气端轴承供油油温
51.52℃	79.38℃	78.02℃	79.45℃	79.67℃

4、结论
本文对某型号制冷压缩机进行了实验验证，研究吸气回油、吸气端轴承供油、排气端轴承供油对压缩机性能的影响，并选取最佳供油量进行了可靠性验证。通过分析实验结果，本文得到如下结论：
（1） 吸气回油对压缩机性能影响最为显著，在高压差工况尤为明显。吸气回油越少，压缩机性能越高，可结合内置油分效率，选取最佳供油量。
（2） 吸气轴承供油越大，压缩机COP越低，影响程度超过2%，可结合结构工艺及可靠性，选取最小供油量，吸气端轴承温度较低，冷冻油反而有加热作用。
（3） 排气端轴承供油，对压缩机性能影响可忽略不计，供油量的选取应以保证轴承润滑冷却为主。
（4）对于本次试验的压缩机，最佳供油量为：吸气回油100 kg/h，吸气端轴承供油50 kg/h，排气端轴承供油200 kg/h。