无油离心压缩机的纯制冷剂润滑技术

无油离心压缩机的纯制冷剂润滑技术

配备空调的大型建 和一些工业工艺采用冷水机组生产制冷用冷水。在大型冷水机组中,制冷循环过程中压缩机环节应用离心式压缩机。而传统上,压缩机传动轴应用油润滑液体动压轴承即轴瓦进行支撑。如今,SKF已经开发出一系列能够纯使用制冷剂作为润滑剂的滚动轴承。

作者:
Guillermo E. Morales-Espejel,荷兰尼沃海恩SKF工程研究中心首席科学家
Rudolf Hauleitner,奥地利施泰尔SKF开发办公室项目经理
Hans H. Wallin,美国宾夕法尼亚州兰斯代尔市SKF美国公司压缩机战略技术经理

润滑剂 机械及设备

概要

1. 经过多年努力,SKF开发出纯制冷剂润滑滚动轴承解决方案,它适用于无油压缩机等制冷剂润滑环境。

2. 通过精选材料、设计和质量,再结合实验室试验和测试,该解决方案已成为现实。

3. 随着市场上新型制冷剂的不断出现,SKF正研究它们的特性以及对轴承摩擦的影响,并对压缩机应用有效实施了纯制冷剂润滑技术。

20世纪90年代,SKF工程研究中心的研究人员进行了研究,以测试制冷剂对润滑油的稀释效果及其对轴承性能和使用寿命的影响。在制冷剂压缩机中,很难避免润滑油被制冷剂稀释,所以了解稀释如何影响滚动轴承性能很重要。研究发现,传统全钢轴承在润滑油稀释至20%至30%的水平时就会开始出现润滑不足的现象。这一发现引发了对替代性轴承设计和材料的研究,以便提高轴承在这些润滑较差条件下的运转和使用寿命。研究显示,对使用钢圈和轴承级氮化硅(Si3N4)制成的陶瓷球滚动体的混合陶瓷轴承,很难找到极限稀释率。最终,在1996年,混合陶瓷轴承在加入纯制冷剂且不使用任何润滑油的情况下顺利运转,并且在可行性测试后,发现轴承崭新如初。这一测试结果意义重大 —— 它使得采用纯制冷剂作为特殊滚动轴承润滑剂成为可能。自那以后,研究和应用开发一直在持续进行,并由此实现了多项能让轴承长期运转的技术突破。

 

图1:带有双旋转叶轮的离心压缩机冷水机组

图1:带有双旋转叶轮的离心压缩机冷水机组

在随后的分析研究中发现,制冷剂实际能够形成流体弹性动力润滑膜。之所以能够实现这一点,是因为制冷剂像油一样,在轴承滚动体和滚道之间的接触区域出现极高压力作用下,其粘度也会随之升高。制冷剂粘度的升高并不像润滑油那么显著,但也足以产生非常薄的润滑膜。在传统全钢轴承中,这种厚度的薄膜不足以实现润滑效果,但陶瓷/钢材料组合以及新近开发的具有其他特性的混合陶瓷轴承却能在制冷剂膜极薄的情况下实现可靠运转。而在此之前,使用制冷剂作为润滑剂被认为是不可能的,因为大多数制冷剂的粘度都非常低。

在只用制冷剂作为润滑剂就能正常工作的专用滚动轴承开发中,使用了“纯制冷剂润滑”(PRL)技术这一术语。纯制冷剂润滑是更宏伟的SKF项目的一部分,该项目涵盖了用以润滑滚动轴承的超低粘度液体(如燃料、水、火箭燃料或液化气)。SKF拥有多项涉及纯制冷剂润滑和超低粘度液体的专利。

图2:带有双旋转叶轮的离心压缩机冷水机组的轴承配置

图2:带有双旋转叶轮的离心压缩机冷水机组的轴承配置

离心压缩机中的纯制冷剂润滑轴承
纯制冷剂润滑轴承的一个应用领域就是大型空调系统和工业工艺的压缩机冷水机组[1]。冷水机组在蒸汽和压缩循环中使用制冷剂来冷却水,冷却后的水用作工业工艺中的冷却媒介或用于调节建筑内的空气。超过300冷吨(TR)的大容量冷水机组通常配备有离心压缩机。在正常情况下,每个冷水机组使用一台压缩机。离心压缩机有一个或多个旋转叶轮(图1),其转速主要由所需的叶轮圆周速度决定,还与压缩机尺寸、容量和所用制冷剂类型息息相关。使用低压制冷剂的压缩机的转速比使用中压或高压制冷剂的压缩机的转速要慢。即便采用油润滑,压缩机中轴承的运转条件也会因为制冷剂的存在带来润滑难题,而叶轮传动轴的轴承对压缩机性能和效率又至关重要。

传统压缩机设计采用液体动压轴承,它们使用大量循环油来润滑,并设有分离系统,能将油从与制冷剂的混合液中分离出来,从而可以将油用作轴承润滑剂。因为制冷剂通常是很好的溶剂,所以很难避免油被制冷剂稀释。即便是需要较少油流量和具有较低摩擦力矩的油润滑滚动轴承,也需要分离系统来降低制冷剂对润滑油的稀释。

因此,在这种情况下使用纯制冷剂润滑就很有吸引力[2](图1和图2)。无油运转还具有其他优势:无需油维护,无需处理用过的油,没有在蒸发器收集油的风险,无需加热器,并且制冷冷水机组没有管道泄漏造成土壤污染的风险。

图3:SKF WAM-5摩擦计的膜厚测量接触面设置

图3:SKF WAM-5摩擦计的膜厚测量接触面设置

制冷剂的润滑特性
了解制冷剂能在多大程度上可在重载滚动接触面上形成润滑膜(就像润滑油那样),一直是纯制冷剂润滑技术的重大课题。滚动轴承是通过流体弹性动力润滑机制来润滑的[3]。换句话说,在滚动轴承的重载接触面上,润滑剂在压力上升时粘度提高,同时钢体发生弹性变形从而能容纳润滑油。这两种机制导致在流体弹性动力条件下形成厚度为一至数微米的润滑薄膜。润滑膜可提供正常油润滑环境,让两个接触体分开。不过,直到最近仍然还不清楚的是,一些使用的制冷剂是否具有这种压力-粘度特性(粘度随压力上升而提高),以及接触体的粗糙度以及它的弹性变形是如何影响分离的。

与典型的流体弹性动力接触(一个或多个GPa压力)不同,很难研究高压下处于“液体”状态的制冷剂。不过,现在对典型冷水机组制冷剂的润滑特性的研究和测量正在进行中[4, 5, 6]。粘度、压力-粘度、可压缩性、剪切应力和边界摩擦等特性,对理解制冷剂在流体弹性动力接触中的行为非常重要。

 

油膜厚度测量
SKF[7]用SKF WAM-5摩擦计(图3)的干涉测量技术测量R1233zd制冷剂的薄膜厚度。利用这种方法,已经证实这种制冷剂能形成所需的润滑膜厚度(图4)。

INSA de Lyon(法国)[6]与SKF携手合作,用自制的球盘摩擦计(与WAM-5形状不同)测量了HCFC-123制冷剂的薄膜厚度,同样显示这种制冷剂能形成润滑膜(图5)。

在了解了这些制冷剂的润滑特性之后[6, 7],可把它们引入简单的回归模型或复杂的数字模型,像任何其他流体弹性动力接触一样计算薄膜厚度(图6)。

图6:HCFC-123制冷剂在2 m/s的夹带速度下按图3的球和盘配置进行数字膜厚和压力计算示例。

图6:HCFC-123制冷剂在2 m/s的夹带速度下按图3的球和盘配置进行数字膜厚和压力计算示例。

以混合接触面作为研究重点
相比全钢轴承,在润滑条件不足的情况下,混合陶瓷轴承(钢圈和Si3N4滚动体)具有多种优点[8],主要是得益于本质上较低的边界摩擦系数,以及两种完全不同的材料在很高的摩擦温度下不会融合在一起,这一点与钢对钢接触不同。因此从一开始,SKF就把这种轴承配置作为纯制冷剂润滑的主攻方向[9]。作为纯制冷剂润滑条件下混合接触成功的一个例子,参考文献[7]发表了对一种混合接触面(Si3N4球和按照SKF的VC444规范制成的淬透不锈氮钢盘)的边界摩擦测量结果。

结果如图7所示。

从图7(左)可以看到,斯特里贝克曲线中的边界摩擦系数只有0.07。相比典型的钢对钢接触中的润滑油(可高达0.15),这个值是非常低的。

图7:R1233zd制冷剂、陶瓷球和符合SKF VC444规范(p=0.94 GPa)的淬透不锈氮钢的斯特里贝克曲线(左)和牵引曲线(右)。箭头显示的是夹带速度(左)和上下打滑(右)。

图7:R1233zd制冷剂、陶瓷球和符合SKF VC444规范(p=0.94 GPa)的淬透不锈氮钢的斯特里贝克曲线(左)和牵引曲线(右)。箭头显示的是夹带速度(左)和上下打滑(右)。

工业纯制冷剂润滑轴承解决方案
SKF利用自己的各种内部测试、实验室试验和仿真模拟,获得了在纯制冷剂润滑条件下能够可靠工作的离心压缩机冷水机组轴承解决方案[9]。

该解决方案是由相配的混合角接触球轴承组成的轴承配置(图8和图9),其中每个轴承包括:

(1) 符合SKF VC444规范的淬透高氮不锈钢制成的内圈和外圈,以及采用SKF开发的工艺进行热处理并研磨的超精滚道。这种钢不但具有出色的耐腐蚀性能,而且具有超精细的微结构,因此成为极为严苛应用场合的滚动轴承的绝佳材料;(2)由最高质量的轴承等级氮化硅(Si3N4)制成并通过SKF最严格的缺陷检查程序的滚动体[10];(3)由纤维增强聚醚醚酮材料制成的保持架。

所有这些都得到应用工程专家的帮助,从而准确确定了轴承配置、润滑方法、过滤度、预紧力和公差。

图8:用于极端应用的混合角接触球轴承(符合SKF VC444规范的内圈和外圈、陶瓷球、纤维增强聚醚醚酮保持架)。

图8:用于极端应用的混合角接触球轴承(符合SKF VC444规范的内圈和外圈、陶瓷球、纤维增强聚醚醚酮保持架)。

无油空调冷水机组的纯制冷剂润滑技术压缩机的首次现场试验开始于2000年后不久;该冷水机组一直正常工作,现在仍在运转。2002年,一家领先的空调公司向市场推出了采用纯制冷剂润滑压缩机的冷水机组。一开始,许多客户对取消润滑油和纯制冷剂润滑的优点很狂热,但他们很快失去了兴趣。这源于有时在产品开发和营销中能够看到的有趣现象:需求较少,因为纯制冷剂润滑技术没有竞争者。当(Danfoss)Turbocor公司推出使用无油磁浮轴承的离心压缩机时,情况发生了改变。其他压缩机制造商很快开发出使用磁浮轴承的压缩机。所以作为另外一种无油解决方案,纯制冷剂润滑重新激起了人们的兴趣。纯制冷剂润滑压缩机的开发得以恢复,并很快推向市场。今天,全球许多人对纯制冷剂润滑技术颇感兴趣。

随着压缩机制造商对压缩机的开发,SKF已经在摩擦学研究和轴承应用技术开发方面加强了纯制冷剂润滑技术的研发。

图9:轴承配置的三维视图。

图9:轴承配置的三维视图。

参考文献:
[1] Wallin, H.H., Morales-Espejel, G.E., “Hybrid Bearings in Oil-Free Air Conditioning and Refrigeration Compressors” SKF Evolution, No. 2 2002, pp. 28-30.
http://evolution.skf.com/hybrid-bear ings-in-oil-free-air-conditioning-and-refrigeration-compressors/
[2] Pandy, D.R., Brondum, D., “Innovative, Small, High-Speed Compressor Technologies”, in Proceedings of the International Compressor Engineering Conference, Purdue University, paper 1358, pp. 913-918, 1996.
http://docs.lib.purdue.edu/icec/1358/
[3] Lugt, P.M., Morales-Espejel, G.E., “A Review of Elasto-Hydrodynamic Lubrication Theory”, Tribology Transactions, 54, pp. 470-496, 2011.
[4] Jacobson, B.O., Morales-Espejel, G.E., “High Pressure Investigation of Refrigerants HFC245fa, R134a and R123”, in Proceedings of the International Compressor Engineering Conference, Purdue University, paper 1789, pp. 1-8, 2006.
http://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcon tent.cgi?article=2788&context=icec
[5] Laesecke A., Bair S. “High-pressure viscosity measurements of 1,1,1,2-tetrafluoroethane”. Int. J. Thermophysics, 32, pp. 925–941, 2011.
[6] Vergne, P., Fillot, N., Bouscharain, N., Devaux, N., Morales-Espejel, G.E., “An Experimental and Modeling Assessment of the HCFC-R123 Refrigerant Capabilities for Lubricating Rolling EHD Circular Contacts”, Proc IMechE, Part J, J. of Eng. Tribology, vol. 229(8), pp. 950-961, 2015.
[7] Morales-Espejel, G.E., Meeuwenoord, R., Félix Quiñonez, A., Hauleitner, R., “Film Thickness and Traction Measurements of Refrigerant R1233zd Used as Lubricant in Elastohydrodynamic Conditions”, Proc IMechE, Part C, J. of Eng. Tribology, vol. 229(2), pp. 244-253, 2014.
[8] Brizmer, V., Gabelli, A., Vieillard, C., Morales-Espejel, G.E., “An Experimental and Theoretical Study of Hybrid Bearing Micropitting Performance under Reduced Lubrication”, Tribology Transactions, 58, pp. 829-835, 2015.
[9] Morales-Espejel, G.E., Gabelli, A., Vieillard, C. “Hybrid Bearings Lubricated with Pure Refrigerants”. In: SRM, Technical Screw Compressor Conference, Stockholm, 4–7 September, 2001.
[10] Schöppl, O., “Developments in ceramic bearing balls”, SKF Evolution, No. 1.2012, pp. 25-29. http://evolution.skf.com/devel opments-in-ceramic-bearing-balls/

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