汽车空调涡旋压缩机研究.docx

8 压缩机技术2003 年第 6 期 (总第 182 期)文章编号 : 100622971 (2003) 0620008204汽车空调涡旋压缩机研究韩宾(西安交通大学能源与动力工程学院 , 陕西 西安 710049)摘 要 : 叙述了涡旋压缩机的型线理论 , 推导了涡旋压缩机的行程容积公式 , 介绍了汽车空调涡旋压 缩机的基本结构 , 讨论了涡旋压缩机的几何参数和型线优化 。关键词 : 汽车空调 ; 涡旋压缩机中图分类号 : th455文献标识码 : aresearch on scroll compressor for automobile air - conditionerhan bin( school of energy and power engineering , xian jiaotong university , xian 710049 , china)abstract : this paper described the profile theory of scroll compressor , calculated the swept volume formula , de2 rived the basic structure of scroll compressor for automobile air - conditioner.key words : automobile air - conditioner ; scroll compressor1前言目前 , 汽车空调用涡旋压缩机经过改进 , 具有 运行平稳 , 噪声低 , 效率高 , 可在 13 000 r/ min下 超高速运行等其它机型所没有的优点 。涡旋压缩机具有容积式压缩机和透平式压缩机 的优势 , 具有如下特点 :(1) 效率高 。与目前普遍采用的同类往复压缩 机相比 , 其绝热效率可提高 10 %以上 , 容积效率 可提高 20 %以上 。(2) 扭矩变化小 , 振动小 , 噪声低 。涡旋压缩 机的气流脉动和机械振动大幅度降低 , 噪声降低了 58 db (a) ; 因其压缩过程较慢 , 并可同时进行 多个压缩过程 , 机器运行平稳且曲轴的转动力矩变 化较小 。(3) 零部件数量少 , 重量轻 , 体积小 , 可靠性 高 。涡旋压缩机无气阀等易损件 , 主要零部件仅为 往复式的 1/ 10 , 体积减小 40 % , 重量减轻 15 %以 上 , 实现了高可靠性和机构的轻便化。正因为涡旋压缩机具有如此多的优越性 , 故对 其进行开发研制 , 并形成商品化生产具有广泛前景。2型线理论构成涡旋压缩机涡旋体的曲线可以采用线段 、收稿日期 : 2003 - 11 - 05正三角形 、正方形以及圆的渐开线 。圆的渐开线是 一条无限短的圆弧连接 , 加工方便 , 故涡旋压缩机 中多采用圆的渐开线作为涡旋曲线 , 以下仅讨论这 种型线 。211 渐开线方程如果以图 1 中的渐开角 作为变量 , 则圆的渐 开线可表示为x = a (cos + sin )y = a ( sin - cos )(1)式中 a 渐开线的基圆半径 , m 渐开角 , radx , y 型线上点的坐标 , m图 1 圆的渐开线的表示若以 作变量 , 根据 r2 = x2 + y2式 (1) 可写成 : r = a1 + 2(2) 第 6 期韩 宾 : 汽车空调涡旋压缩机研究9 式中r 型线上点的极坐标半径 , m 利用式 (2) 可计算渐开线的展开长度为 l = d l = rd = a1 + 2 d 由于涡旋体有一定宽度 , 在图 2 的坐标系中 , 如以作为基圆上渐开线初始角 , 则涡旋外侧及内侧 的渐开线分别表示为涡旋圈数 : m = n + 1/ 4 涡旋体高度 : h (m) 回转半径 : r = ( p - 2 t) / 2213行程容积及内容积比在图 3 所示的圆的渐开线上取微小面积元 d s , 则d s = 1/ 2 ( a) 2d x0 = a cos ( 0 - ) + 0sin ( 0 - ) 由此求得图中斜影线部分的面积 s 为23y0 = a sin ( 0 - ) - 0cos ( 0 - ) (3) xi = a cos ( i + ) + i sin ( i + ) yi = a sin ( i + ) - icos ( i + ) (4)l = 总展开角 + t/ 2式中0 , i 分别为涡旋外侧及内侧的展开角 , radx0 , y0 型线外侧上点的直角坐标 , m xi , yi 型线内侧上点的直角坐标 , m t 型线壁厚利用式 (3) 、(4) 可以进行涡旋型线的计算机 绘图 。利用计算出的 l 长度可确定运动涡旋盘的底盘 直径 , 再根据回转半径及间隙可确定机壳在该处的 内径。图 2 宽度一定的渐开线212涡旋盘的主要参数 涡旋盘的主要参数及相互间的关系 基圆半径 : a (m)涡旋体壁厚 : t = 2a (m) 渐开线起始角 : a (rad) 压缩腔室数 : n (对) 涡旋体节距 : p = 2a (m) 图 2 中 : p = cds = 0 d s = 1/ 6 a 如图 4 所示 , 当用一对圆的渐开线组合起来形 成压缩腔时 , 假定 为回转角 (见图 5) , 则图 3由基圆和它的渐开线围成的面积s= 1/ 6 a 2 3 415- - l215- - s = 1/ 6 a 2 3 315+- s115+- 所以 , 从中心压缩腔数起编号 的阴影部份的 面积 ss = sl - s s = 2a2 ( - 2) (3 - )11 涡旋转子 ;21 涡旋定子图 4涡旋压缩机的压缩腔由于形成 2 个形状相同的压缩腔 , 它的容积为10 压缩机技术第 6 期v2 = 2 2a2 ( - 2) (3 - ) h= p ( p - 2 t) h (3 - / )从中心压缩数起第 n 个压缩腔的容积为vi () = p ( p - 2 t) h (2 n - 1) - / ( i 2) 由于曲轴每转一周形成一对月牙形气腔 , 故令 = 0 , 则得涡旋压缩机的行程容积为 v s = (2 n - 1) p ( p - 2 t) h涡旋压缩机的内容积比指行程容积与任意曲柄 轴回转角下 , 各压缩腔的容积之比 , 即i () = v s/ vi ()图 5 压缩机的容积计算涡旋压缩机具有由涡旋圈几何形状决定的恒定进气和排气容积 , 被称为具有恒定内容积比的压缩这是根据强度 、刚度及加工工艺提出的约束条件 , 以保证壁厚 t 在合理范围 。机 , 而内压缩比是内容积比的函数 , 压缩效率的变化取决于运行压力比和内压缩比之间的关系 。理论 上希望压缩机在内压缩比下运转 , 但实际上经常是 不可能实现的 , 因为有内部压力损失和泄漏损失 。3 几何参数的优化及涡旋盘型线的优化311 几何参数的优化涡旋压缩机涡旋盘型线的基本参数直接影响机 器的性能参数和运行情况 , 故对其进行优化研究 , 选取出一种最佳组合使机器性能最佳 , 将是非常有 意义的 。在涡旋压缩机的优化研究中 , 通常是根据 所需的行程容积和内容积比 , 确定涡旋盘的最佳几 何参数 , 而涡旋盘的节距 、厚度与高度等几何参数 对机器的效率有很明显的影响 , 它们是优化设计中 要确定的主要参数 。由于涡旋壁厚度 t 和节距 p 是基圆半径 a , 回转 半径 r 的函数p = 2a ; t = ( p - 2 r) / 2 = a - r故需首先确定 a 、r 、h 等基本参数 。根据设计限制 , 强度 、刚度 、加工精度 、泄漏等因 素 , 提出下列约束条件(1) c0 arh = v s式中 c0 常数 , 这个约束条件保证了压缩机的输 气量 。(2) tmin a - r tmax(3) cm h + m max式中cm 常数m 由加工 、装配精度决定( cm h + m) 轴向间隙 涡旋压缩机的径向泄漏比切向泄漏大得多 , 故须控制轴向间隙来限制泄漏量 。轴向间隙应不大于max 。(4) h hmax由于涡旋壁高度过大将导致涡旋体刚度下降 ,难 以保证加工精度 ,同时高度 h 过大 ,倾覆力矩也较大 , 因此高度也应限制 。对于汽车空调涡旋压缩机 , 由于 涡旋盘基本上是铝合金材质 ,故对型线高度 h 更有限 制 ,一般推荐 h/ t = 6 7 , h/ p = 1150 1165 。至于起始角除对排气速度影响较大以外 , 对其它因素的影响较弱 。312涡旋盘型线的优化(1) 型线中心的形状优化 。对于汽车空调涡旋 压缩机 , 其涡旋盘一般为铝合金材质 , 中心部位的 形状优化通常如图 6 , 7 所示 。在图 7 中 , 两涡旋 盘的平面已经重合 。采用这种优化后 , 刚度较好 , 不易变形 , 泄漏少 , 排气过程后期的顶端间隙值亦 较小 (其中图 7 所示型线的顶端间隙值为零) , 提 高了压缩机的效率 。(下转第 15 页)第 6 期马一太 , 等 : 空调制冷 co2 膨胀机研究分析15 压缩机提供动力 , 这样还可以使压缩机更有效地利 用膨胀机回收的功 。如果在机械结构上可行的话 , 把膨胀机和压缩机设计为半封闭或全封闭的膨胀 - 压缩机 , 此设计可改善膨胀机在高压下的密封性 , 可以更好的提高系统的性能 。这种方法必须处理好 同轴连接的问题 , 如果膨胀机与系统主压缩机同 轴 , 则必须解决好膨胀机输出功与电机输入功如何 匹配的问题 。416变工况特性膨胀机是在定工况下设计的 , 容积确定 , 膨胀 功确定 。但由于系统负荷总是处于变化中 , 膨胀机 的运行参数总是在变化 , 就需要膨胀机具有容量调 节的功能 , 以满足用户的需要 。虽然仍可采用节流 阀控制流量 , 但会损失部分膨胀功 。因此如何使膨 胀机具有方便的容量调节功能且又能减小能量损 失 , 是需要在设计中加以特殊考虑的 。由此分析可见 , 理想的膨胀机应符合以下要 求 : (1) 耐高压 (不低于 15 mpa) ; (2) 能在气 液两相区工作 , 且能耐液击和气蚀 ; (3) 体积小 ; (4) 密封性好 ; (5) 等熵效率高 ; (6) 工作稳定 , 能在高速下运行 。(上接第 10 页)图 65总结根据分析的结果 , 各研究的思路基本是在现有 压缩机技术和气体膨胀机的基础上 , 针对 co2 膨胀 的特点进行膨胀机的设计 , 对原有的压缩机和膨胀 机进行改进 , 以适应新的运行工况 , 这也是最快捷 的途径 。另外一个设计思路是将膨胀机与压缩机作 为整体进行开发设计 , 以解决了膨胀机的回收功问 题 。目前对 co2 的研究工作仍处于理论分析和对各 形式的膨胀机的可行性的研究 , 对于样机的制造 , 仍是实验阶段 , 目前还没有具体数据公开发表 , 提 高膨胀机的效率依然是努力的方向 。研制 co2 膨胀机的关键在于膨胀机的耐压 , 零 部件的强度 。伴随压力高必然出现的泄漏和摩擦 大 , 都会降低膨胀机的效率 。因此解决泄漏 、降低 摩擦损失也是膨胀研制中的必须克服的问题 。根据分析 , 笔者认为比较有潜力的 co2 膨胀机 形式有螺杆膨胀机 、涡旋膨胀机和离心膨胀机 。我 国应积极开展 co2 膨胀机的研制工作 , 开发具有自 主知识产权的 co2 膨胀机 。图 84结束语图 7(2) 型线末尾的优化 。在型线尾部 , 可采用圆 弧与渐开线外侧相连 , 这样可减小涡旋盘外径 , 进 而缩