基础信息

　　牵头参赛单位：珠海格力电器股份有限公司

　　证照号码：91440400192548256N

　　单位类型：企业

　　项目规模：成长型

　　参赛团队负责人：徐珩

　　参赛项目技术介绍

　　核心技术介绍：1）现有技术背景及现有市场情况

　　随着国内经济的增长，近年来我国中央空调市场增长率达到48%，在大型公共建筑建设、百货仓储物流和房地产开发等众多需要空气调节配套设备的产业带动下，中央空调器的年平均销售额保持在20%左右的增长速度。根据调查报告显示，建筑能耗50%～70%来自于空调设备的能耗，所以降低空调设备的能耗可以达到降低建筑能耗的效果。

　　目前螺杆机以定频、异步变频为主。定频压缩机转速恒定，为实现容量调节，通常配置滑阀-固定块机构。容量调节过程中，滑阀直线运动与固定块间形成旁通孔口，改变吸气流量。但滑阀的直线运动会相应改变排气容积，导致内、外压比不匹配，使得压缩机在流量调节过程及变工况下绝热效率衰减，机组能效降低；现有变频压缩机以异步变频为主，通过变频控制实现容量调节，配置多段排气容积调节机构实现有级容积比调节。三相异步电机低负载时效率显著降低，电机发热量大，机组部分负荷下能效衰减，低负载冷却不足无法正常运行。多段排气容积调节机构内容积比调节范围窄、调节不连续，无法在更宽运行范围时实现压比精确调节。现有定频和异步变频技术均无法在综合能效上实现突破，难以满足日益提升的绿色高效发展需求。

　　为满足不断升级的高效发展需求。珠海格力电器股份有限公司联合珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司确定了“高效永磁同步螺杆式冷水机组研究项目”的联合研究课题，组织了相关技术研究人员，组成了联合项目组，开始进行专项课题研究和高效永磁同步螺杆式冷水机组的产品研发及应用。

　　2）项目技术内容

　　本项目立足于现有技术瓶颈，提出融合综合能效加权最优、分布式冷却流道的永磁电机热-流-磁多场协同设计方法，采用高效永磁电机直驱，解决现有技术电机效率衰减、负载调节范围窄的难题；采用新型液压驱动容积连续调节机构，通过工况-压比自适应控制方法实现全工况压比精准适配，解决现有技术部分负荷、非额定工况下压缩机效率显著衰减的难题，形成永磁变频驱动、压比自适应调节的新型螺杆压缩机技术。通过发明新型转子型线，进一步降低泄漏通道面积，解决低转速泄漏损失大的难题，拓宽高效区低转速限值；通过研制气流脉动衰减装置，有效控制高转速运行时的振动噪声问题，进一步拓宽螺杆压缩机运行范围，形成宽范围运行、全工况自适应高效永磁变频螺杆压缩机技术，全面提升螺杆机综合能效。

　　技术先进性：相对于定频和异步变频螺杆压缩机而言，我们自主研发的永磁同步螺杆压缩机具有以下一些关键技术和特点：

　　（1）提出变工况变负荷转速-容积协同设计方法：

　　公共建筑空调系统部分负荷运行时间比重大，要求螺杆压缩机需兼顾高的额定工况性能和部分负荷性能，而现有技术为定频或异步变频，理论按照额定满负荷设计，无法兼顾部分负荷性能，当运行部分负荷时压缩机对旁通气体所做的功仅用来将其进行旁通回吸气进行内循环，对旁通气体产生的鼓风功耗和机械摩擦功耗均为无用功耗；同时，在滑阀移动过程中，滑阀排气口向排气端移动，压缩机内压缩终了压力变小，导致排气腔内高压工质回流至基元容积，导致压缩机的绝热效率明显下降。针对以上问题，项目组通过设计一种转速-容积控制的驱动机构，通过变频直驱阳转子技术实现压缩机容积流量调节；通过改变传统的滑阀调节机构，加长滑阀吸气端面设计，使滑阀整个行程区间内不会产生旁通气体损失，滑阀排气口位置可实现连接调节，从而实现压缩机的变压比调节，使内压缩终了压力等于排气腔压力，无过压缩和欠压缩功耗。

　　（2）高效双侧驱动GRZ转子型线设计：

　　螺杆压缩机负荷调节范围宽，低负荷运行时变频压缩机运行转速相对较低，齿间容积内气体泄漏量增大，效率衰减问题难以解决。此外，在变频调速过程中，当阳转子转速降低时，阴转子由于惯性使得其转速变化有一定滞后，在高转速落差下阴、阳转子间的平稳啮合难以保证。如何提升变频螺杆压缩机低转速时运行效率，并保证变转速可靠运行，从而实现机组宽范围高效运行是业界关键技术难题。

　　针对以上技术难题，参评技术项目发明了完全自由曲面密封的高效转子型线GRZ。基于AugmentedLagrange多目标优化方法，建立以多项型线设计参数为自变量，密封线长度和泄漏三角形为优化目标的函数关系，通过遍历寻优的算法求解相对最优解，实现接触线长度减小12%，泄漏三角形面积降低7%。研制转子表面自润滑涂层材料，泄漏间隙减少80%。同时阴转子刚度增大，通过热-受力载荷下的转子有限元分析计算，在极限工况时变形量降低28.3%，保证了小间隙、高转速下的可靠运行。

　　如下图所示，双驱动转子型线有两处的啮合间隙很小地方，在驱动侧节圆处设计间隙0.005mm，在密封侧啮合线的顶点设计间隙0.01mm，当阳转子突然加速时，阴转子也可以马上进行加速，当阳转子突然减速时，也可以达到同样效果。减少转子变速过程中碰撞冲击的问题。

　　（3）研制适用于螺杆压缩机的高效永磁同步电机：

　　与三相异步电机相比，永磁电机体积小，功率密度大，效率高，功率因数高，转矩恒定，其变频调速范围宽，采用矢量控制方法无需转子位置检测，控制算法灵活方便。针对螺杆压缩机用永磁电机在低温和大温差等高压比工况下变频传动系统快速平稳启动的难题，提出了一种融合综合能效加权最优、最小启动电流、低转子损耗的高效、高密度永磁电机设计方法，保障低温工况下变频传动系统平稳启动基础上实现全工况范围的高能效。

　　（4）提出基于气流脉动衰减的流体动力性噪声控制方法：

　　螺杆压缩机的排气过程中，齿间容积周期性的与压缩机排气孔口连通，同时排气孔口面积也呈周期性的变化，导致了工作介质的不稳定流动，从而产生了复杂剧烈的气流脉动，是产生流体动力性噪音的主要源头。气流脉动诱发的噪声频率与压缩机转速密切相关，变频压缩机工作转速范围宽，相应的噪音频率范围宽，且随着运行转速的增加，脉动幅度增大，噪声控制难度大。

　　针对上述技术难题，参评技术项目提出了一种基于气流脉动衰减的流体动力性噪声控制方法（图4），依据两相流理论中的双流体方程推导得出了螺杆制冷压缩机排气腔内处于环状流流型下的油气混合物等效声速的计算方法。结合油气混合物等效声速的计算结果，以排气孔口处压力脉动特性的计算结果作为入口边界条件，进一步构建了基于声学有限元方法的排气腔内压力脉动传递特性计算模型。

　　为实现排气压力脉动在其传播路径上的衰减，基于赫姆霍兹共振消音机理，建立了适用于螺杆制冷压缩机排气腔内的压力脉动衰减器设计模型。发明了多孔串联穿孔管脉动衰减装置，其由多段多节穿孔管组成，每节管的穿孔几何参数均针对相应噪音频率设计，有效降低多个频率的噪声幅值。

　　针对最高转速运行时基频和二倍基频气流脉动设计声波干涉装置的几何构型，分别产生其1/2周期相位差的气流脉动。在支路和主流道汇合处，声波的相互干涉效应可以有效降低基频和二倍基频的噪音。

　　机组性能测试情况：委托合肥通用机电产品检测院按照GB/T18430.1-2007标准和AHRI550/590-2015标准，对160RT机组进行了测试。按照GB/T18430.1-2007标准：机组满负荷系能系数COP达到6.14.按AHRI550/590-2015标准：机组部分负荷性能系数达到11.10。

　　目前国内螺杆机主要生产厂家有麦克维尔空调设备有限公司、约克（无锡）空调冷冻科技有限公司、开利空调设备有限公司、特灵空调设备有限公司、美的空调设备有限公司等制造厂商。行业内螺杆式冷水机组还是主要采用定频为主，存在技术同质化，机组综合能效不高，定频机组在开机时会对电网产生一定的冲击，采用滑阀调节，负荷调节精度不高等问题。为了解决这些问题，目前也有厂家采用异步变频，异步变频机组基本解决了定频机组在综合能效不足的问题，但是，异步变频机组运行范围小（一般在20Hz~65Hz），异步机效率不高（一般在90%~93%），机组在75%、50%负荷下电机效率会有一定的衰减。

　　应用高效永磁同步螺杆式冷水机组COP与IPLV均有了重大突破。按GB/T18430.1-2007标准测试，机组COP达6.07W/W，超过国家一级能效水平；机组IPLV达到9.51W/W，超过国家一级能效水平27%,比国际先进水平高10～20%。按AHRI550/590-2015标准测试，机组IPLV达到11.26W/W，节能效果显著。

　　本项目也进行了科技查新，有关各种交流变频螺杆式冷水机组的开发研究，已见文献报道，但未见有高效永磁同步螺杆式冷水机组的报道，本项目达到的满负荷性能系数COP、部分负荷综合性能系数IPLV指标均高于检出文献中厂家指标，综合本项目主要特点的永磁同步螺杆式冷水机组的开发研究，国内外未见文献报道。

　　技术壁垒：目前国内螺杆机主要生产厂家有麦克维尔空调设备有限公司、约克（无锡）空调冷冻科技有限公司、开利空调设备有限公司、特灵空调设备有限公司、美的空调设备有限公司等制造厂商。行业内螺杆式冷水机组主要采用定频为主，部分厂家推出了异步变频螺杆压缩机，但未见永磁同步螺杆压缩机的报道，国内还没有成功应用永磁同步变频的先例，面对如下特有的技术壁垒难点：

　　（1）变频压缩机运行转速与内容积比精确匹配控制系统设计

　　（2）高效永磁同步电机热管理系统设计

　　（3）本项目针对以上瓶颈问题进行重点研究，并取得了创新性的突破。

　　（1）变频压缩机运行转速与内容积比精确匹配控制系统设计：

　　由于螺杆转子间隙内存在复杂的螺杆转子间隙内存在复杂的气液两相流动，内容积比设计和变工况性能预测难度大。变频螺杆压缩机非定速运行，转速过低泄漏损失增加，转速过高摩擦功耗增大，且不同转速下泄漏模型更加复杂，如何选择最佳的运行转速且实现内容积比精确匹配是行业技术难题。通过对空调运行大数据开展研究分析，形成了各类公共建筑空调运行特征，结合永磁变频螺杆压缩机转速-压比解耦特性，首次提出变工况变负荷转速-容积协同设计方法，基于空调运行特性预设多工况点，建立螺杆压缩机内部工作过程计算模型，以综合绝热效率为目标函数，迭代最优转速及排气容积，实现全局高效设计。

　　发明液压驱动型容积连续调节机构（图10）及自适应控制方法（图11），基于型线几何特性计算模型精准预测排气容积与排气容积调节机构线性位置关系，通过油压驱动调节排气口打开位置，改变排气容积，进而实现压比调节（图11）；以转速-容积协同设计的最佳排气容积与机组运行压比的匹配关系形成控制单元，自适应控制容积调节机构位置，实现压缩机内压比与机组需求外压比实时匹配，解决压缩机因过、欠压缩引起的效率衰减，压缩机全工作范围绝热效率提升6.6%~11.7%。

　　（2）高效永磁同步电机热管理系统设计

　　永磁同步电机具有体积小，功率密度大，变频调速范围宽的特点；但电机转子在封闭电机腔内高速旋转，风摩擦损耗以及高次谐波带来的电机绕组铜耗、定子铁耗和转子涡流杂散损耗增多，电机定、转子发热量大，为避免永磁体退磁，必须对电机进行有效散热管理；螺杆压缩机运行工况范围宽，负载变化范围大，大扭矩低转速与小扭矩高转速运行电机高效区难以兼顾。

　　针对上述难题，参评技术项目提出了一种融合综合能效加权最优、分布式冷却流道的永磁电机热-流-磁多场协同设计方法。图13所示，发明分布式冷却流道对电机进行复合冷却，电机定子采用制冷剂螺旋换热冷却；电机转子前端增加制冷剂喷射，通过气隙以及转子内部贯穿流道对永磁体内外实现分布式流道均衡散热。基于压缩机负载特性，利用同步电机极隐效应初始设计磁路结构，以综合加权效率、制冷剂冷却电机温升为多目标函数，优化磁路结构参数，实现宽负载范围高效、可靠运行。研制螺杆压缩机用大扭矩宽负载永磁同步电机，相比异步电机，额定负载效率提升5~7%，部分负载效率提升10%。

　　产品或技术成熟度：目前高效永磁同步螺杆式冷水机组产品已经完成系列化开发，并处于量产阶段，自从2017年正式推出市场，已经销售近百台机组，产品运行良好，最长运行时间已有3年，客户满意度非常高.

       联系人：孙明达,　　邮箱：sunmingda@7ipr.com，　　电话：18618174056,　　微信：18618174056