小型制冷离心压缩机的设计特点与工程可行性

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Design characteristics and engineering feasibility of small-scale refrigeration centrifugal compressors

　　

摘要

制冷、空调和热泵（RACHP）系统约占全球用电量的五分之一，因此提高压缩机效率是实现节能和减排的重要途径。与容积式压缩机相比，离心压缩机在实现更高效率方面具有内在优势，但传统上主要应用于大冷量系统。近年来，制造技术、轴承技术和高速电机的进步激发了人们对其小型化的日益增长的兴趣。为研究小型制冷离心压缩机的设计特性和可行运行范围，本研究开发并验证了一个耦合蒸气压缩制冷循环的一维平均线模型。基于该模型，从压缩机性能、几何结构、气动特性和损失分布的角度评估了制冷剂、冷量、蒸发温度和冷凝温度水平以及级数配置的影响。在考虑实际工程约束的前提下，进一步引入了两级压缩机配置，并定量构建了可行运行图，以评估不同冷量和制冷剂下的工程可行性。结果表明，压缩机小型化会导致压缩机效率降低、轴转速升高以及制造精度要求更加严格，从而削弱工程可行性。相比之下，两级配置能有效缓解这些限制。不等压比分配的两级配置使压缩机COP和压缩机效率分别提高了5.76%–10.63%和6.91%–11.26%。可行运行图进一步表明，两级配置平均使压缩机效率提高约3.4%–5.4%，即使在冷量为15 kW时仍能保持广泛的可行覆盖范围。

引言

制冷、空调和热泵（RACHP）领域对现代社会至关重要，支撑着热舒适、食品保鲜、医疗冷藏、电子冷却等多种应用。与此同时，RACHP领域是主要的电力消耗领域之一，占全球电力消费的20%以上，且随着冷却需求的增长，这一比例预计将进一步上升[1]。因此，提高该领域的能源效率具有明确的经济和环境意义，特别是在应对能源安全和气候变化等全球性挑战方面尤为重要。压缩机是蒸气压缩制冷循环系统中RACHP设备中耗电量最大的部件，因此对系统能效、运行稳定性和应用范围有重大影响。RACHP系统中使用的压缩机一般分为容积式和动力式两类。容积式压缩机，如往复式、旋转式、涡旋式和螺杆式压缩机，主导了冷量低于100 kW的应用。相比之下，离心压缩机是RACHP系统中主要的动力式选择。传统上它们用于大容量应用，并因高效率、连续流运行、紧凑结构和低振动而受到青睐[2]。

因此，将具有更高效率潜力的离心压缩机推广到小冷量应用，是一条替代传统容积式压缩机的诱人途径[3]、[4]，尤其是在利用磁悬浮或气膜轴承实现完全无油运行方面[5]、[6]。这一方向在学术界和工业界都受到了越来越多的关注。由EPFL的Schiffmann团队领导的学术研究[4]、[7]、[8]以及以Garrett为代表的工业发展[9]都证明了小型化离心压缩机的可行性和实际应用潜力。然而，小型离心压缩机存在固有的局限性，包括：(1)受喘振和阻塞约束的相对较窄的稳定运行范围；(2)较差的非设计工况性能，偏离设计点时性能下降；(3)单级升压能力有限；(4)依赖超高转速电机和先进轴承，需要有效的电机热管理，而气体轴承可能面临耐久性挑战；以及(5)需要高制造精度来控制叶尖间隙、表面粗糙度和转子动平衡[4]、[10]、[11]、[12]、[13]。

目前关于离心压缩机小型化的研究主要集中在空气压缩机和制冷压缩机上。对于空气压缩机，发展相对成熟，工质性质简单，压力载荷要求相对适中。在氢燃料电池系统中已实现工业部署[14]。空气离心压缩机的小型化最早通过微型燃气轮机研究得以推进，先前的研究表明，在叶轮直径为数厘米的量级下，可以实现具有可接受效率的稳定压缩。Epstein等人[15]回顾了MIT微型燃气轮机项目，表明通过半导体衍生的微制造工艺将硅和碳化硅加工到亚微米公差水平，可以实现毫米级离心叶轮机械，但设计仍受到尺度效应和可制造性的强烈制约。Mizuki等人[16]研究了超微型离心压缩机的设计，使用在110 krpm下测试的40 mm二维叶轮和在250 krpm下测试的20 mm全三维叶轮，考察了与压缩机小型化相关的关键问题。Isomura等人[17]以10 mm离心叶轮的100 W级微型燃气轮机证明了部件级可行性，在870 krpm下实现了3的压缩机压比和约65%的估算压缩机绝热效率。Jonna等人[18]分析了微型离心压缩机中的损失发展，表明扩压器损失和叶轮轮毂及扩压器中的边界层增长是低雷诺数性能恶化的主要原因。Xiang等人[19]对微型燃气轮机压缩机中的叶尖间隙流进行了数值研究，定量表明叶尖间隙对压缩机性能的不利影响随着压缩机小型化而变得更加强烈。Berdanier等人[20]通过实验表明，在小堆芯发动机应用的多级压缩机中，物理尺寸较小的后级经历相对较大的叶尖间隙效应，这会显著降低压升、效率、失速裕度和级间匹配。这些研究表明，离心压缩机小型化主要受尺度效应和可制造性、低雷诺数损失放大以及叶尖间隙相对影响增大等因素的制约，且所有这些因素随着压缩机尺寸减小而变得更加严重。

表面粗糙度是当离心压缩机缩小到足够小的尺寸时必须考虑的一个重要因素。随着压缩机尺寸减小，叶轮和扩压器流道的当量水力直径减小。对于给定的表面粗糙度，因此相对粗糙度增大，这可以增强与壁面摩擦相关的损失。这一效应在小型离心压缩机中变得更加明显，因为它们通常在相对较低的雷诺数下运行[4]。Mashimo等人[21]实验研究了叶轮流道粗糙度对离心压缩机性能的影响，结果表明压缩机效率随相对粗糙度增加而逐渐下降，当相对粗糙度从3.2×10?3增加到14×10?3时，效率下降约5%。Karunakaran等人[22]进一步研究了涡轮增压器离心压缩机中壳体粗糙度的影响，发现在峰值效率区域附近，增加蜗壳和扩压器壁面粗糙度会使压缩机效率降低约1.0–1.5个百分点，在阻塞点附近最多可降低2.0–2.5个百分点，其中扩压器隔套壁面粗糙度对压力损失的影响尤为显著。

空气压缩机和制冷剂压缩机具有相似的流动机制和结构特征，但由于更复杂的流体性质、更宽的运行范围、更高的压比和更大的气动载荷等因素，制冷剂压缩机面临更大的挑战[23]。对于制冷压缩机，Strong等人[24]早在1980年就提出了一种使用微型叶轮机械的燃气热泵原型，其中Rankine单元直接与蒸气压缩循环耦合。实验测试证实了该技术概念的技术可行性，但高温轴承可靠性和压缩机性能不足仍然是商业化的关键障碍。Brondum等人[25]研究了用于商业暖通空调系统的高速直驱离心压缩机，并确定高速电机和驱动器、无油轴承、离心气动学、控制系统建模和换热器为关键使能技术。Soong等人[26]进一步证明，高速感应电机可以满足商业离心压缩机的功率和转速要求，在28轴马力、50 krpm下实现约94%的电磁效率，同时保持可接受的转子应力和热行为。Schiffmann和Favrat等人[27]提出了一种用于家用热泵的无油直驱径向压缩机，并使用R134a原型机、20 mm叶轮、测试转速高达210 krpm验证了其可行性，实现了超过3.3的压比和超过78%的效率。Kus等人[28]评估了用无油叶轮机械替代制冷系统中的油润滑压缩机。他们表明，在非级损失中，尤其是风损方面，可以在苛刻条件下对性能造成严重影响。Javed等人[8]设计了两台机械驱动、气体轴承的小型涡轮压缩机，用于6.5 kW两级热泵在可变运行条件下的运行，并指出在较大相对叶尖间隙下泄漏控制和装配约束是高温升热泵应用的关键瓶颈。Giuffre等人[29]表明，复杂分子流体尽管效率较低，但需要更低的转速并产生更低的轴向推力，使其更适合小型无油离心压缩机。他们还表明，小型化会对效率造成不利影响，主要是通过增加对间隙的敏感性。Sebastián等人[30]开发了小型径向涡轮压缩机在不同制冷剂和运行条件下的性能预测方法，重点关注雷诺数和非理想效应。他们的研究表明，低雷诺数下的效率损失可以通过适度增压部分恢复，且基于相似性的尺度化可以为小型涡轮压缩机热泵提供可靠的跨流体预测。Meroni等人[31]开发了平均线离心压缩机模型以及与高温热泵循环耦合的优化框架，强化了系统-压缩机协同设计途径。他们表明，两级蒸汽压缩可以提供最佳系统性能，尽管也对压缩机设计要求更为苛刻。Schiffmann等人[4]解决了家用热泵中小型涡轮压缩机的一个关键挑战，即在整个压比和质量流量范围内保持高效率。通过将经验证的一维压缩机模型与多目标优化耦合，他们获得了平衡运行范围和效率的设计。这些研究从实验验证、数值分析和优化设计的角度考察了小型制冷离心压缩机，并共同确认了其技术可行性。

制冷剂对压缩机设计的影响必须仔细考虑，特别是在碳中和目标和含氟气体法规持续推动制冷剂替代的背景下。例如，广泛使用的制冷剂R134a由于其高全球变暖潜值（GWP）正受到逐步限制。Essa等人[32]对超高速微型离心压缩机的多种工质进行了系统性的仿真对比。结果表明，HFC-134a和HFO-1336mzz(Z)可以提供相当冷量并相对较低的功耗需求，而制冷剂混合物可以进一步提高效率，但以更高的压力和排气温度为代价，凸显了性能与安全之间的权衡。Yi等人[33]和Wang等人表明，制冷剂性质的差异强烈影响离心压缩机性能和运行范围，R1234ze(E)作为R134a的替代品通常表现出比R1234yf更好的兼容性。Kim等人[34]提出了一种基于ASME PTC-10的性能预测方法，用于评估离心压缩机中低GWP替代制冷剂，表明R1234ze(E)可以在直接替换测试中得到合理预测，而R1233zd(E)表现出较大偏差。

同时，研究已从部件级研究进展到系统级实验验证。Qiu等人[35]、[36]开发了两套独立的45 kW级小型无油离心制冷实验装置，表明此类系统的效率高于传统容积式系统。他们随后的分析进一步扩展到制冷剂替代和应用级节能潜力，为离心压缩机小型化在数十千瓦制冷系统中的实际应用价值提供了有力的实验证据。

离心压缩机的建模方法主要包括经验或半经验模型、平均线模型、通流或准三维模型、CFD模型以及降阶或数据驱动模型。经验模型速度快且适用于初步估算，但其外推能力和考虑几何细节的能力有限[37]。CFD可以解析详细的三维流动、激波结构、二次流和叶尖间隙泄漏，但其计算成本对于广泛的参数扫描来说过高[38]。通流和准三维模型保留比一维模型更多的流动信息，但需要更详细的几何输入和建模工作[39]。降阶和数据驱动模型在预测和优化方面效率高，但强烈依赖于训练数据的覆盖范围[40]。相比之下，平均线模型通过关联热力学边界条件、压缩机几何结构、气动特性和损失关联式，在物理可解释性和计算效率之间提供了合适的平衡[31]、[41]、[42]。

经济性可行性对于评估小型制冷离心压缩机的可扩展应用也很重要。

商用氢燃料电池空气离心压缩机具有相似的关键技术，可提供有益参考。Wu等人[12]综述了燃料电池空气离心压缩机，强调成本降低是商业化的关键需求，同时还包括效率、噪声和耐久性。Zwyssig等人[43]报告称，压缩机是系统平衡（BoP）中的一个主要部件，约占BoP成本的40%。对氢燃料电池空气压缩机变频驱动器的综述进一步强调，专用变频器对高速离心压缩机的运行至关重要，并面临明确的成本压力[14]。然而，氢燃料电池汽车的商业化部署表明，相关高速离心压缩机技术已经达到实际应用阶段。基于Gartner和SNE Research数据整理的统计显示，截至2024年底，全球氢燃料电池汽车累计销量达到100,374辆[44]。丰田工业[45]报告称，其燃料电池空气压缩机已安装在量产的丰田Mirai FCEV中，离心压缩单元运行转速为183,700转/分钟。此外，丰田报告称，截至2018年，Mirai在加州的销量已超过3,000辆[46]。这些实例表明，类似的微型高速离心压缩机技术已进入商业应用，但成本仍是更广泛部署的重要障碍。

基于上述文献综述，可以得出结论：离心压缩机小型化已引起广泛的研究兴趣，涵盖了可行性分析、样机测试、内部流动机理和优化方法等大量研究。这些研究表明，制冷量从数千瓦到数十千瓦的小型制冷离心压缩机在技术上是可行且可运行的。然而，仍存在若干不足。首先，尚缺乏在统一框架下对不同制冷剂、制冷量、蒸发和冷凝温度水平以及级配构型下的小型制冷离心压缩机基本设计特征的系统性理解。其次，尚未对实际工程约束下的工程可行性进行定量表征。此外，该技术路线能否实现可扩展的商业化应用仍有待进一步的技术经济分析。

为弥补上述不足，本研究开发并验证了一个小型离心压缩机的准一维中流线模型，并将其与蒸气压缩制冷循环耦合。基于该模型，对制冷剂、制冷量、蒸发和冷凝温度水平以及级配构型对压缩机性能、叶轮几何形状、气动特性和损失分布的影响进行了系统评估，从而阐明了小型制冷离心压缩机的基本设计特征。进一步阐明了两级构型相对于单级构型的特征，特别是在压缩机效率提升和可行运行图扩展方面。此外，通过纳入实际工程约束（包括转速和制造相关限制），定量构建了用于工程可行性评估的可行运行图。

模型片段：模型与验证

本节介绍了系统模型、压缩机模型及其耦合策略。系统模型采用基本的蒸气压缩制冷循环构型，以更清晰地突出压缩机设计及其性能特征。压缩机模型采用中流线方法进行了更详细的开发，包括叶轮进口、叶轮出口、扩压器和蜗壳的设计，并进一步扩展至两级压缩机构型。

比转速的影响

比转速Ns过高或过低均会降低压缩机效率。为确定合适的设计点，图5比较了三个Ns水平（0.40、0.65和0.90）下的COPcomp、压缩机效率和转速。对于所有制冷剂，将Ns从0.40提高到0.65均可显著提升COPcomp和压缩机效率。COPcomp提高约27.5%–31.3%，压缩机效率提高15.6%–18.0%。

结论

本研究开发并验证了一个小型离心压缩机的准一维中流线模型，并将其与蒸气压缩制冷循环耦合。基于该框架，从性能、几何形状、气动特性和损失分布等方面系统阐明了制冷剂、制冷量、蒸发和冷凝温度水平以及级配构型对压缩机基本设计特征的影响。

AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在撰写过程中，作者使用ChatGPT（OpenAI）作为AI辅助工具进行语言编辑和图表制作。使用该工具后，作者对所有修改后的文本和生成的图表进行了全面仔细的审核，核实了技术准确性和与底层数据及分析的一致性，并对本文的全部内容负全部责任。

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秋翔：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、软件、方法论、调查、构思。侯振宇：软件。陈江平：指导、构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2020YFA0711500）、国家自然科学基金（52376066，52306104）、上海市高效冷却系统工程研究中心以及联合汽车电子系统有限公司的资助。

秋翔 | 侯振宇 | 陈江平
上海交通大学低温与制冷研究所，上海200240，中国