| 涡旋式空气压缩机研究综述
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前言
涡旋压缩机是二十世纪八十年代初实现工业化批量生产的一种新型回转压缩机，其最初工作原理是由法国工程师Leon Greux于1905年发明并在美国申请专利，但一直以来，其产品的开发和商业应用一直没有取得进展。直到20世纪70年代，由于高精度数控铣床和能源危机的出现，才给涡旋机械的发展带来了机遇，并于20世纪八十年代初开始实现工业化批量生产。其中涡旋制冷压缩机作为一种新型高效节能压缩机已经在空调和制冷领域获得广泛的应用，是涡旋机械研究的重点。国际上，70%以上的研究涡旋压缩机的文献都集中在此领域。但由于涡旋机械自身独特的优越性，它的应用领域现在已经慢慢扩大到空气压缩机、膨胀机及真空泵等方面。
由于涡旋空压机的生产技术和性能研究仍不完善，发展相对缓慢，国外有瑞典的Atlas，日本的Iwata、Hitachi、Mitsui Seiki等几家公司投入生产[1]。国内的研究也只有十几年的历史，先后有西安交通大学、甘肃工业大学、合肥通用机械研究所及一些其他院、所和工厂对涡旋技术进行了有规模的研究开发，并研制出涡旋式空气压缩机不同型号的样机，但未能实现大批量生产，且有竞争力的厂家不多。
空气压缩机的品种规格较多，排气量在1m3/min-2m3/min（7.5-15kW）之间的微小型空气压缩机在空气压缩机中占有很大比重，市场需求量也非常大[2]。在此领域内，市场上常见的主要有往复式和螺杆式压缩机。往复式压缩机虽然成本低，但其易损件多，可靠性差，噪声大，运行维护费用大，寿命短；螺杆式压缩机虽然运转平稳性好，但它的型线加工精度高使得其加工成本大，而且在小排气量范围内多种形式引起的泄漏导致容积效率低并不具有太多的优越性。相比之下涡旋压缩机则兼有它们二者的优点。首先它的型线加工较螺杆式转子三维型线加工要简单的多，降低了加工的成本，且涡旋空气压缩机运转平稳、可靠性高、无易损件、运行维护费用小，能够充分发挥涡旋压缩机的优点，也适应现代社会对高效、节能的要求，有望在7.5HP～20HP范围内逐步取代往复式和螺杆式压缩机而成为主流机型，因此加强对涡旋空气压缩机工作性能的研究具有很大的现实意义。
技术特性
工作原理
涡旋压缩机的工作原理如图1所示。用渐开线等生成的具有螺旋形的静涡盘和动涡盘相互啮合并同时形成几个工作腔。动涡盘绕静涡盘中心作半径很小的平面转动，形成的工作腔相应地扩大或缩小，由此实现气体的吸入、压缩和排气过程。低压气体从静涡盘上开设的吸气孔口或动静盘的周边缝隙进入吸气腔，经压缩后由静涡盘中心处的排气孔口排出。
工作特点
涡旋式空压机具有涡旋机械所共有的优点，如结构简单、体积小、重量轻；运动部件受力变化小、运转平稳、振动小、噪音低；容积效率、绝热效率、机械效率高等。作为空气压缩机也有其自身的特性，限制涡旋空压机发展较为缓慢的因素主要表现在以下几个方面：
（1）由于结构型式的限制，涡旋压缩机同时存在着由外到内的多对工作腔，无法做到对工作腔实行外冷却，而空气的绝热指数又比一般制冷剂大，工作腔中热量大，容易产生排气温度过高，影响压缩机的性能。
（2）涡旋压缩机是依靠其动、静涡盘的间隙密封来实现压缩功能的机械，对其零部件的精度要求非常高，形位公差大都要求处于8-15μm之间，加工难度很大。
（3）单机大排量涡旋压缩机设计比较困难。受涡旋体高度限制，流量大时会导致涡盘直径较大，由此失去了机器的紧凑性；此外，作为主要的不平衡旋转质量的增大时，旋转惯性力也相应增大，故要求更大的平衡质量，机器重量大为增加，会削弱涡旋机械的优势；另一方面，惯性力的增大会引起摩擦和磨损的增加，使得涡旋空压机稳定性降低，振动和噪声也大幅上升。
（4）由于涡旋压缩机工作腔密封性要求高以及零部件强度条件的限制，排气压力不宜过高，限制了涡旋空压机的适应范围。
关键技术
型线
型线设计是涡旋压缩机最基本也是较为重要的问题，判断型线的优劣主要从体积小、容积效率高、运转平稳、易于保证加工精度等方面考虑。涡旋压缩机大多采用圆渐开线型线，由于加工比较方便，至今仍被广泛使用。型线方面的研究主要集中在对型线修正，借以提高压缩机排气腔余隙容积及内容积比，提高始端强度及刚度，降低排气噪声和型线振动、增大排气孔口面积，改善切削状态，易于加工和保证精度。从而进一步改善压缩机的性能。比较常用的修正型线有PMP型线、SMPMP型线。近年来，研究人员提出了一种通用型线。通用型线不仅包含了涡旋压缩机常用典型型线的特点,而且易于扩展新的型线并建立便于优化的数学模型[3]。
对于涡旋空压机，从增加其排气量出发对型线的研究。文献[4]对单、双头涡旋型线方案比较，得出采用双头涡旋型线理论设计大排气量无油润滑涡旋压缩机，即可以达到减少回转半径、降低滑动面摩擦速度及降低磨损，又可以不减少有效吸气容积的结论。
密封和柔性机构
良好的型线为涡旋压缩机性能的提高奠基了基础，机构方面的改善则能保证型线发挥出最大的优势，同时又能进一步降低加工成本。机构方面的研究包括柔性结构、轴向等端面密封结构及涡旋压缩机整体结构等。在密封及补偿机构研究等方面。早在1973年，ADL公司对其开发的氦气涡旋压缩机研究报告中就指出，提高涡旋压缩机效率的关键在于建立能够自我补偿磨损的密封机构。所谓柔性结构，是使涡旋压缩机在整个工作过程中涡旋盘可以自由地调整定位，使压缩机永远保持最佳磨合状态，其特点是允许动涡盘径向微微移动，这样，当压力过高或者当气体中含有固体杂质以及发生液击时，能承受由此所产生的高应力。柔性结构这一特点为涡旋盘的安全工作提供了保护。
涡旋压缩机主要通过动静盘的轴向与径向间隙产生泄漏。为了实现这两处的密封，研究人员一般采用相应的轴向和径向柔性机构实现自我补偿。由于轴向密封线长度较切向密封线长度长，在很大程度上决定着涡旋压缩机的密封性能，因此轴向间隙的控制和轴向力的平衡是涡旋压缩机的关键技术之一，来保证涡旋压缩机具有较高的容积效率和减小摩擦功耗。此外，有研究表明双作用涡旋压缩机适用于开发大排量压缩机，但这种型式压缩机对加工和装配精度的要求更高。
强化冷却
由于涡旋压缩机的单位散热面积小，所以其压力在一定程度上受到工作温度的限制，国内外涡旋式空气压缩机发展方向主要集中在小气量、动力用压缩机、喷油涡旋式空气压缩机，代表厂家有日本的三井精机。同时，无油压缩机中加强冷却是提高轴承与工作型线寿命的关键，依托先进的生产技术和材料，研究无油式涡旋空压机也日渐成为热点，做得比较出色的有日本的岩田公司。特别是他们在动、静盘上设计夹层且作成开式，一方面切断了工作腔热量直接传到轴承上，提高轴承工作寿命；另方面加强风冷对气体直接冷却，这种压缩机造价较高。另外多数空气压缩机采用喷液冷却[5]。喷液技术是降低加工成本、提高机器性能和排气量的一个有效的手段，控制喷液的温度可达到压缩机在良好的工况下运行，喷进工作腔的液体由分离器或后净化器分离循环使用。向工作腔喷入大量的冷却液，一方面形成的液膜附着在型线表面减小了泄漏间隙，改善了工作腔的密封状况；另一方面吸收了大量的压缩热，强化了工作过程内部的热交换，降低了排气温度，提高了压缩机运转的可靠性；同时改善了运动部件的润滑状况，降低了对型线加工精度的要求。喷液分喷油和喷水两种方式。目前国内大部分涡旋空气压缩机都倾向于采用少量喷油进行内部冷却，以降低机械加工精度、提高压缩机性能及可靠性。喷水涡旋压缩机可以提供纯净的压缩空气，这适用于不能含有油滴的空气需求场合，如燃料电池的空气供应系统，空气中含有油滴会破坏燃料电池堆的工作特性，因此借鉴喷水往复压缩机和喷水螺杆空气压缩机的经验，研究喷水涡旋空气压缩机也显得日趋重要。
发展趋势
涡旋式压缩机依其独特的自身优势已经在制冷空调领域占有了一定市场，其研究和开发受到各界的广泛重视。而空气压缩机又具有广阔的发展空间，它的应用涉及到各个领域，涡旋式空气压缩机若想提高市场竞争力，研究和开发具有较大排气量的、低加工成本的涡旋式空气压缩机是当前国内外同行的一个重要任务。为此，一定要在现有的研究基础上，借鉴其它型式压缩机的成功开发经验，加大科研和发展力度，开发具有自主知识产权的系列产品，它的成功开发必将对我国涡旋式空气压缩机事业的发展起到积极而重要的作用。为进一步完善和提高涡旋空气压缩机的性能，作者认为涡旋空气压缩机今后需解决的问题和发展方向有以下几个方面：
（1）进一步改进和开发高精度高可靠性的涡盘的加工方法和制造工艺及精确的调试装配技术，将计算机技术引入涡旋空压机的设计开发和制造之中；研发涡旋式机械加工专机，以降低制造成本提高效率减少涡旋盘的机械损失，以保证涡旋压缩机性能和品质。
（2）提高涡旋压缩机的排气量进一步拓展其应用领域，如燃料电池供气系统，扩大涡旋式空气压缩机机型，增强其市场竞争力。
（3）密封及补偿机构方面，依托先进生产技术和材料，完善和提高柔性机构性能，以减少发生在涡盘处的各种气体泄漏，保证机器的高效可靠运行。
（4）国内对无油活塞压缩机、无油螺杆压缩机等技术比较成熟，而对无油涡旋压缩机的知识体系不是很完善，国内的理论研究和生产实践还处在起步阶段，因此需加强对无油涡旋压缩机的研究。
（4）建立起关于涡旋空气压缩机理论和实验相应发展的统一体系，保证涡旋式空压机在借鉴其他类型压缩机的基础上发展方向的准确性。
参考文献
[1] 任 乐，周 慧，陈旭峰，王迪生 涡旋式空气压缩机新展望·压缩机技术[J]，2003（4）：25-27.
[2] 司玉宝，屈宗长，王迪生 WXA-17型涡旋式空气压缩机的开发·流体机械[J]，2000,28,（10）：14-16.
[3] 冯健美，屈宗长 涡旋压缩机的发展优势和关键技术，中国机械工程[J]，2002,13（19）：1706-1708.
[4] 李海生 无油润滑涡旋压缩机的研究，兰州理工大学硕士学位论文，2005.
[5] 汪 军 喷水涡旋压缩机的性能研究·西安交通大学硕士学位论文，2004.
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