螺杆式制冷压缩机.doc

螺杆式压缩机的发展与前景班级：热能11-2班 姓名：张斌生 孔禹 螺杆式压缩机的发展与前景概述 螺杆杆式制冷压缩机和活塞式制冷压缩机在气体压缩方式上相同，都属于容积型压缩机，也就是说它们都是靠容积的变化而使气体压缩的。不同点是这两种压缩机实现工作容积变化的方式不同。螺杆式制冷压缩机又分为单螺杆压缩机和双螺杆压缩机。其中双螺杆压缩机是利用置于机体内的两个具有螺旋状齿槽的螺杆相啮合旋转及其与机体内壁和吸、排气端座内壁的配合，造成齿间容积的变化，从而完成气体的吸入、压缩及排出过程。螺杆式压缩机可分为无油式和喷油式两种。无油螺杆压缩机1本世纪30年代问世时主要用于压缩空气，50年代才用于制冷装置中。60年代出现了气缸内喷油的螺杆式制冷压缩机，性能得到提高。近年来，随着齿形和其他结构的不断改进，性能又有了很大提高。再加上螺杆式压缩机无余隙容积，效率高，无吸、排气阀装置等易损件。因此，目前螺杆式制冷压缩机已成为一种先进的制冷压缩机，特别是喷油式螺杆压缩机已是制冷压缩机中主要机种之一，得到了广泛的应用。一.工作原理1.螺杆式压缩机的组成 螺杆式制冷压缩机主要由机壳、转子、轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置等组成。 机壳：般为剖分式，由机体、吸气端座及排气端座等三部分用螺栓连接组成。机体内腔横断面为双圆相交的横8字形，与置于其内的两个啮合转子的外圆柱面相适合。转子: 一对互相啮合的螺杆，其上具有特殊的螺旋齿形。其中凸齿形的称为阳螺杆(或称阳转子)，凹齿形的称为阴螺杆(或称阴转子)。阳螺杆与阴螺杆的齿数比，一般为4:6(大流量的压缩机齿数比可为3:4，当压缩比高达20时，齿数比可采用6:8)。多数情况下，阳螺杆与电动机直接连接，称为主动转子，阴螺杆为从动转子，故阳螺杆多为四头右旋，阴螺杆多为六头左旋。为了使螺杆式制冷压缩机系列化，零件标准化和通用化，我国有关部门规定，螺杆的公称直径为63、80、100、125、160、200和315mm7种，其长径比分为=1.0和=1.5两种。 轴承与辐封：螺杆式制冷压缩机的阴、阳螺杆均由滑动轴承(主轴承)和向心推力球轴承支承。主轴承用柱销正确安装固定在吸、排气端座内，止推轴承在排气侧阳、阴螺杆上各装有两只，以承受一定的轴内力。螺杆式制冷压缩机的轴封也多采用摩擦环式机械密封器，安装在主动转子靠联轴器端轴上，其结构和原理同活塞式制冷压缩机的轴封相同。 平衡活塞：由了结构上的差异，因吸、排气侧之间的压力差所引起的，作用在阳螺杆上的轴向合力，比作用在阴螺杆上的轴向合力大得多。因此，阳螺杆上除装设止推轴承外，还增设油压平衡活塞，以减轻阳螺舒杆对滑动轴承端面的负荷，减轻止推轴承所承受的轴向力。 能量调节装置：由滑阀、油缸、油活塞、四通电磁换向阀及油管路等组成。活塞装在气缸壁下部两圆交汇处，改变滑阀的位置，即可起调节制冷量的作用。螺杆式制冷压缩机工作时，齿间基元容积作周期性变化，从而使汽体沿转子轴向移动过程中完成吸汽，压缩和排气过程1。2. 螺杆式压缩机的特点：螺杆式的优点： （1） 螺杆式压缩机具有较高的齿顶线速度，转速高达每分钟万转以上，故常可与高速动力机直接相连。因而其单位排气量的体积、重量、占地面积以及排气脉动远比往复式压缩机为小。 （2）螺杆式压缩机没有诸如气阀、活塞环等零件，因而它运转可靠、寿命长、易于实现远距离控制。此外，由于没有往复运动零部件，不存在不平衡惯性力(矩)，所以螺杆式压缩机基础小，甚至可以实现无基础运转。 （3）无油螺杆式压缩机可保持气体洁净(不含油)；又由于阴螺杆、阳螺杆齿间实际上留有间隙，因而能耐液体冲击，可压送含液气体及粉尘气体等。此外，喷油螺杆式压缩机可获得高的单级压力比(最高达2030)以及低的排气温度。 （4）螺杆式压缩机具有强制输气的特点，即排气量几乎不受排气压力的影响；其内压力比与转速、密度几乎无关系，这一点与叶片式压缩机不同。 （5）螺杆式压缩机在宽广的工况范围内，仍能保持较高的效率，没有叶片式压缩机在小排气量时出现的喘振现象。螺杆式的缺点： (1) 由于齿间容积周期性地与吸、排气孔口连通，以及气体通过间隙的泄漏等原因，致使螺杆式压缩机产生很强的中、高频噪声，必须采取消音、减噪措施。 (2) 由于螺杆齿面为一空间曲面，且加工精度要求又高，故加工需特制的刀具及专用的设备。 (3) 由于机器是依靠间隙密封气体，以及螺杆刚度等方面的限制，螺杆式压缩机只适用于中、低压范围。3工作过程3.1工作过程螺杆式制冷压缩机的工作过程示意图 其中，a、b、c为从转子吸气侧（一般在转子上方）视图，表示了基元容积从吸气开始到吸气结束的过程；d、e、f为从转子排气侧（一般在转子下方）视图，表示了基元容积从开始压缩到排气结束的过程。在两转子的吸气侧（图中a、b、c所示的转子上部），齿面接触线与吸气端之间的每个基元容积都在扩大，而在转子的排气侧（图中d、e、f所示的转子上部），齿面接触线与排气端之间的基元容积却逐渐缩小。这样，使每个基元容积都从吸气端移向排气端。下面以图6-2中所示某V形基元容积，说明螺杆式制冷压缩机的工作过程。1.吸气过程 齿间基元容积随着转子旋转而逐渐扩大，并和吸入孔口连通，气体通过吸入孔口进入齿间基元容积，称为吸气过程。当转子旋转一定角度后，齿间基元容积越过吸入孔口位置与吸入孔口断开，吸气过程结束。值得注意的是，此时阴、阳转子的齿间基元容积彼此并不连通。2.压缩过程 压缩开始阶段主动转子的齿间基元容积和从动转子的齿间基元容积彼此孤立地向前推进，称为传递过程。转子继续转过某一角度，主动转子的凸齿和从动转子的齿槽又构成一对新的V形基元容积，随着两转子的啮合运动，基元容积逐渐缩小，实现气体的压缩过程。压缩过程直到基元容积与排出孔口相连通的瞬间为止，此刻排气过程开始。3.排气过程 由于转子旋转时基元容积不断缩小，将压缩后具有一定压力的气体送到排气腔，此过程一直延续到该容积最小时为止。随着转子的连续旋转，上述吸气、压缩、排气过程循环进行，各基元容积依次陆续工作，构成了螺杆式制冷压缩机的工作循环。由上可知，两转子转向相迎合的一面，气体受压缩，称为高压力区；另一面，转子彼此脱离，齿间基元容积吸入气体，称为低压力区。高压力区与低压力区由两个转子齿面间的接触线所隔开。另外，由于吸气基元容积的气体随着转子回转，由吸气端向排气端作螺旋运动。因此，螺杆式制冷压缩机的吸、排气孔口都是呈对角线方式布置的。3.2 内容积比及附加功损失内容积比 转子的齿间基元容积随着螺杆的旋转容积的缩小而被压缩，直至基元容积与排气孔口边缘相通为止，这一过程称为内压缩过程。基元容积吸气终了的最大容积为V1，相应的气体压力为吸气压力p1，内压缩终了的容积为V2，相应的气体压力为内压缩终了压力p2。可变基元容积在吸气终了时的最大容积V1，与内压缩终了的容积V2的比值，称为螺杆式制冷压缩机的内容积比。即螺杆式制冷压缩机是无气阀的容积式压缩机，吸排气孔口的启闭完全为几何结构所定，以控制吸气、压缩、排气和所需要的内压缩压力。由于其结构已定，就具有固定的内容积比，这与活塞式制冷压缩机有很大区别。活塞式制冷压缩机压缩终了时的气体压力取决于排气腔内的气体压力和排气阀的阻力损失。如果略去气阀的阻力损失，可近似地认为活塞式制冷压缩机压缩终了时的压力等于排气腔内气体压力。螺杆式制冷压缩机内压缩终了压力p2与转子几何形状、排气孔口位置、吸气压力p1及气体种类有关，而与排气腔内气体压力pd无关，内压缩终了压力p2与吸气压力p1之比称为内压力比。即式中压缩过程的多变指数。排气腔内气体压力（背压力）pd称为外压力，它与吸气压力p1之比称为外压力比e。螺杆式制冷压缩机的外压力比与内压力比可以相等，也可能不等，这完全取决于压缩机的运行工况与设计工况是否相同。内压力比取决于孔口的位置，而外压力比则取决于运行工况。一般应力求内压力比与外压力比相等或接近，以使压缩机获得较高效率。附加功损失 当内压缩终了压力p2与排气腔内气体压力pd不等时，基元容积与排气孔口连通时，基元容积中的气体将进行定容压缩或定容膨胀，使气体压力与排气腔压力pd趋于平衡，从而产生附加功损失。下面分三种情况讨论：1. 当p2pd基元容积与排气口相通时，基元容积中的气体产生突然的等容膨胀过程，多消耗了压缩功，当基元容积与排气口相通时。2. .当p2pd，故开始接通时、排气腔中的气体倒流入基元容积，在基元容积中的气体被等容压缩，使气体压力骤然升到pd，然后进行排气过程，多消耗压缩功。3. 3 p2=pd：基元容积内压缩终了压力p2，等于排气腔中的压力pd，只有在这种情况下，压缩机无额外功消耗，运行的效率最高，因此，为了使运行效率最高，必须使内容积比能自动调节，从而使p2始终与pd相等。 二历史及背景 1.发展史 同离心式制冷机组相比，螺杆式压缩机组的发展较晚。1934年瑞典皇家工学院教授Lysholm(里斯曼)发明第一台双螺杆式气体压缩机。从60年代开始，喷油双螺杆机组应用于制冷机组。瑞典SRM公司（双螺杆）首先发明双边不对称型线螺杆，使螺杆机效率大大提高。1960年法国人Zimmern(辛麦恩)（单螺杆）发明单螺杆的新结构。1962年试制出第一台样机。70年代初，荷兰GRASSO(格拉索)制成第一台单螺杆制冷压缩机。1972年，日本开始生产单螺杆空气压缩机。1982年，开始生产单螺杆制冷压缩机2。 2.螺杆机在中国的发展3情况： 1975年，由上海第一冷冻机厂完成我国第一台氨喷油双螺杆制冷压缩机制造。 1976年，大连冷冻机厂成功设计制造我国第一台单机双级螺杆式制冷压缩机。1986年，武汉冷冻机厂开发了XBY齿型的新型单边不对称圆弧齿型。进一步提高了国产螺杆制冷压缩机水平。90年开始，国外著名厂商进入我国，在螺杆机方面进行多家合资生产。其中有： 中美合资：上海一冷-开利 23XL系列空调用螺杆冷水机组中日合资：烟台荏原 螺杆模块式冷(热)水机组中美合资：烟台顿汉布什 空调用全封闭螺杆冷水机组中美合资：武汉麦克维尔 WHS系列R22，R134a单螺杆冷水机组中美合资：江阴特灵 RTHB系列螺杆冷水机组中美合资：无锡约克 YS、YCWS系列螺杆冷水机组中日合资：1998年 大冷-前川 单机双级双螺杆压缩机组中日合资：1998年 大金-三石 CUW系列单螺杆冷水机组中国台湾地区的复盛在上海设厂生产双螺杆制冷压缩机。3 发展现状螺杆式制冷压缩机是一种容积型回转式压缩机，由于其高效、耐久、结构紧凑和对负载进行平稳调节的特点，兼有了活塞式压缩机和离心式压缩机二者的优点，从而逐渐在活塞式和离心式之间找到自己的位置，并在一定冷量范围内有加速取代活塞式和离心式制冷压缩机的趋势，在食品冷冻、冷藏、制冰、民用及商用空调、工业制冷等领域广泛得到应用。在制冷空调领域内，首先应用的是开启式螺杆压缩机4，在经历了七十年代大发展时期后，由于制冷装置的应用普及和以改善部分负荷特性的多机组化的发展3趋势，螺杆机在中、大型机保持稳步发展的同时，中、小型机尤其是半封闭式及全封闭式螺杆压缩机已得到了市场的广泛重视和青眯。 发挥螺杆机的传统固有技术优势，积极开发和利用新技术的基础上，扬长避短，从而在正拥有广阔市场的往复机制冷容量范围内开拓中小型螺杆压缩机的销售市场。 1单螺杆压缩机 早期人们曾经认为单螺杆具有双螺杆的一切优点，并且具有受力平衡，轴承负载小，转子啮合面不受力，星轮可采用润滑性能良好的有机材料，从而噪声及振动小，没有双螺杆的漏气三角形通道等特点，故认为单螺杆效率应比双螺杆高出57%。但在经历二十年后，单螺杆5并未曾像人们想象那样得到迅速的发展，目前生产厂家仅有45家，即J&E Hall（英国霍尔）、McQuay（美国麦克维尔国际）、DaiKin（日本大金）、MITSUBISHI ELECTRIC（三菱电机）、美国Vilter等。究其原因： 1、单螺杆的发展时间较双螺杆为短，星轮结构和材料只有少数厂家掌握；2、由于吸排汽通道阻力较大，压力损失较双螺杆多，同时高低压腔内泄露线较长，所个以压缩效率并不比双螺杆高。但是单螺杆在转子受力均衡、轴承寿命，尤其是振动和噪声低上是它的突出优点，因此在近十年内单螺杆机将会发展的更加完善。 单螺杆主要技术4发展现状为： 1、大尺寸滚动轴承设计寿命达100,000小时； 2、高强度增强纤维星轮材料减少磨损； 3、受力平衡原理有利于振动可以忽略，噪声水平极低； 4、除提高转子加工精度外，转子啮合面特殊涂层处理，以消除表面微小凸凹，滑动性能得以改进； 5、半封闭单螺杆采用：压差供油至轴承及压缩腔，同时少量冷媒喷射压缩部分，并与油混合以降低粘性阻力，以克服因密封功能下降造成的容积效率降低以及由于内压提高引起的功率增加；壳体采用双层结构和加强筋，将热应力和压力的变形降为最低限度；能量调节采用气体压力驱动滑阀进行分段调节；采用 粘度和粘度指数均优于矿物油的合成油。2双螺杆压缩机双螺杆压缩机以瑞典SRM型线系列为主导，先后经历SRM非对称型线、对称型线、又非对称型线、X、Sigma（5:7）、GHH（5:6）、SRM-D-a、b等型线，以后各公司又开发自己的专利型线。目前大约有37家公司生产双螺杆机，基本分布在亚洲（日、韩、中、台）、北美洲（美）和欧洲，主要制造厂家有Hitachi（日立），Dunham-Bush（顿汉-布什），Trane（特灵），York（约克国际Frick），Carrier（开利）、KOBELOO（神户制钢所）、Mycom（前川）、Bitzer（德国比策尔）、SABROE（丹麦萨布罗）、Refcomp（意大利莱富康）、Century（韩国庆元世纪）、Fusheng（台湾复盛）、Hanbell（台湾汉钟）等。 目前采取5:6齿数比的约有15家，采取5:7齿数比约有2家、采取6:8齿数比有1家、其余均为4:6齿数比。四发展前景随着人们对于生活、工作环境舒适性的要求不断提高，商用中央空调迅猛发展。基于对中央空调行业和冷冻冷藏行业等下游行业的景气判断，预计螺杆式制冷压缩机行业未来5年的年均增长率约10%20%，市场需求持续旺盛。 中央空调器行业统计数据显示，2004年我国中央空调市场呈高速增长，增长率为48%。商用中央空调行业在房地产开发、百货仓储物流、大型公共建筑建设等带动下，需求继续旺盛，20052010年，中央空调器销售额年均增长率约为20%35%。 工业工艺水平日益要求严格，带动工业制冷设备的需求量稳步增长。我国冷冻冷藏行业占整个制冷行业的比例约为20%，远低于国际成熟市场约40%的比例。冷冻冷藏行业的市场潜力很高，尤其是中低温冷冻冷藏设备在农、渔、牧行业的发展前景非常广阔。与发达国家情况相比，大陆地区在农、渔、牧等农副产品的冷藏、冷冻、物流等方面差距很大。乐观预计工业冷冻冷藏设备2006-2010年平均增长率约为20%25%，中性预计增速10%20%之间。 冷冻冷藏压缩机可以分为小型冷冻冷藏压缩机和大中型冷冻冷藏压缩机，其中小型冷冻冷藏压缩机主要应用在冷柜(往复式和回转式结构为主，变频技术是未来发展方向)和冷藏车(车载型螺杆式压缩机是方向)领域;大中型冷冻冷藏压缩机主要应用在铁路冷藏车、冷藏船只、冷藏集装箱和冷库中，以往复式、螺杆式为主。螺杆式压缩机因其长期适合24小时运转的特性，以及应用于低温系统的技术不断进步，其性能与效率大幅提升，在欧美等发达国家，在低温冷冻冷藏系统中，螺杆式压缩机开始逐步取代传统的活塞式机型成为标准配置。螺杆式制冷压缩机行业供应与竞争格局螺杆式制冷压缩机行业是技术密集型行业，生产工艺相对复杂，加工精度要求高，产品和技术更新的难度较大，企业的持续发展既需要一定的研发实力和技术储备，也需要一定的实践经验积累。目前国内螺杆式压缩机生产厂商通过技术引进、技术合作或自主研发，提高了产品的技术含量和性能质量，但其产品与国际先进水平相比，在型线、噪音、分油效率等方面仍存在一定的差距。螺杆机组将因此得到大力发展，在中型30RT-500RT的中央空调领域，螺杆式压缩机已经逐步取代活塞式压缩机。1.单螺杆压缩机技术发展4上主要表现为：1.中间补气的经济器系统的研究及推广应用； 2.压缩机内容积无级调节； 3.高效率新型线的开发应用。2双螺杆主要发展趋势为： 1、转子加工精度的提高和质量稳定性； 2、开启式双螺杆机在结构和应用上的不足已引起厂家和市场的重视； 3、重量级滚动轴承的应用，以提高主机运转寿命和为压缩机小型化、封闭化提供必要条件； 4、合成冷冻机油的应用； 5、压缩机结构更趋合理和紧凑。3发展方向3.1型线几何与转子几何7 螺杆压缩机结构简单,核心部件是一对相互啮的转子,转子的端面型线很大程度上决定了螺杆压缩机的性能,螺杆压缩机性能的提高是伴随着一代又一代转子型线的成功开发和应用而产生的。 衡量型线的效率主要有以下几个因素:(1)小的接触力;(2)光滑的力矩传递和油膜形成能力;(3)较短的啮合线;(4)大的容积腔;(5)容易高效的生产。3.2间隙、气体泄漏和油的影响 螺杆式制冷压缩机的热力学性能受泄漏通道的影响最为