離心壓縮機轉子動力分析

摘要(Abstract)

本研究使用商用設計軟體DyRoBeS針對離心式空調主機之壓縮機轉子進行動態分析。轉子系統的額定操作轉速約為6,000 rpm，臨界轉速分析結果顯示系統之第一階臨界轉速為8,673 rpm、第二階臨界轉速為11,320 rpm，第三階臨界轉速為14,185 rpm，與額定轉速皆符合大於20%安全裕度之設計要求。
   This study numerically investigates the compressor rotor dynamics analysis of centrifugal chiller with the commercial design software, DyRoBeS. The rated rotation speed is 6,000 rpm for the single shaft system. The first critical speed is 8,673 rpm, the second critical speed is 11,320 rpm, and the third critical speed is 14,185 rpm. The second critical speed of the rotor is higher than 20% of the rated rotation speed.

關鍵詞(Keywords)

轉子動力、臨界轉速、壓縮機

Rotor dynamics, Critical speed, Compressor

前言

空調製冷科技影響現代人生活甚鉅，從住宅到辦公大樓、由商場、旅館至高科技製程環境，所見之處無不倚賴空調系統。為了維持室內環境舒適對於地球能源的倚賴也更加嚴重。相信未來在能源供應和成本、國際和各國政府對能源效率管理，以及面對日益升高的環保和CO₂減量壓力的諸多因素影響下，將持續不斷的要求更高效率的空調設備和系統技術。台灣地區電力系統之夏季尖峰負載隨著全球暖化、溫度上升的影響而屢創新高。目前使用的冰水機保守估計在十四萬台以上，總容量約三百萬冷凍噸，其中離心式冰水機約佔一萬台左右。根據台電資料顯示，住/商兩部門的耗電量自1970年代起穩定成長，至2000年已達總耗電量的31%(住宅20.1%，商業10.9%)，其中空調與照明耗電佔一半以上。整體而言，空調型建築物中以空調用電佔最大比例，空調尖峰用電量在夏季佔了40 ~ 50%，而冬季也佔了20~30%。因此，1998年「全國能源會議」做出了節能及提升能源效率需優先推動之結論。

依據2002~2007年Japan Air Conditioning, Heating & Refrigeration News之統計，目前全球線上安裝運轉之離心式冰水機約117,000台，其中有83,000台在美國，13,400台在日本，台灣地區約10,000台(600萬RT)。全球離心式冰水機市場每年約有九千台的需求量，美洲、日本、中國大陸、台灣市場各佔38%、10%、15%、7%。目前主要離心式冰水機生產國為美國、日本與韓國。中國大陸之高效率機種主要是從美國與日本進口壓縮機和關鍵零組件進行組裝銷售，其年需求由2002年之1,000組迅速成長為2007年2300組左右，又2007年台灣及南韓之需求分別為500及380組，亞洲新興國家之總需求有機會佔全球40%之市場。依據JARN在2018年3月的報導中指出，2017年全球離心式冰水機市場規模為18,000台，較2016年增加3.5%，主要成長來自中國、美國與南韓，主要市場大小排序也變為中國、美國、南韓、日本、中東，過去10年，小型冰水機採用磁浮離心機，因高效率已被市場接受，相關之需求統計預測分析如圖1所示。

圖1 離心式冰水機市場需求趨勢

我國的離心式冰水機需仰賴國外進口，市場主要領導品牌為Trane、Carrier、York、Mcqury等美系離心式壓縮機，日系則有MHI(三菱)、Hitachi(日立)、Ebara(日本)。而中國重通、美的與格力已有單級壓縮離心式冰水機的自製能力，韓國則有LS、Roltec等品牌。有別於螺旋式、渦卷式等冰水機，目前全球離心式冰水機之品牌，皆採壓縮機與冰水機系統整機由同一品牌製造之方式提供給客戶，亦即並無單獨供應離心式壓縮機給系統廠商的商業模式。冰水機製造廠在無法取得壓縮機的情形下，自然無法生產離心式冰水機。

目前全國每年新增之空調能力總量約為198.5萬RT，其中離心式冰水機約佔14% (28.5萬RT)，雖然離心冰水機建置台數少，然其屬長時間運轉之使用形態使其空調耗能佔全國總空調耗能比重大，如表1所示。由於我國未來必將持續往高科技及生化產業方面之發展，根據美國柏克萊實驗室所發表資料顯示，此類高科技產業的耗能，其中主要為製程機台耗能與潔淨室環境耗能二大部分，根據國內廠商的實測結果與美國柏克萊實驗室實測美國矽谷地區的統計資料，機台與輔助設施佔整體耗能約40%。為追求此類產業之節能以減少能源成本支出，對無塵室之節能就成為一項非常重要之課題。而在具體做法上，首要之務即是提高此領域使用比例極高的離心式冰水機之容調範圍與部份負載效率來達成節能之目的。

表1 國內各類空調設備每年需求量比較

本文主要以轉子動力與軸承剛度分析為主，在開發過程中進行必要的分析，提供流力設計與機械設計的重要參考依據，以期能符合設計目標。文中說明離心式冷媒壓縮機之設計分析流程及轉子動力分析流程，文中採用轉子動力學軟體DyRoBeS，進行轉子動態系統的設計與分析。