zl5_涡旋式制冷压缩机

1 第五章 涡旋式制冷压缩机 第五章 涡旋式制冷压缩机 2 1. 工作原理、总体结构及其特点工作原理、总体结构及其特点 2. 热力过程分析热力过程分析 3. 热力计算实例热力计算实例 4. 密封与防自转机构密封与防自转机构 5. 输气量调节输气量调节 目 录目 录 3 5.1 工作原理、总体结构及其特点工作原理、总体结构及其特点 5.1.1 工作原理工作原理 ? 1 基元容积的形成基元容积的形成 基本结构基本结构 4 动涡盘静涡盘动涡盘静涡盘 涡旋盘实物涡旋盘实物 5 涡旋盘相对位置涡旋盘相对位置 动盘和静盘的涡线 呈渐开线形状、安装 时使两者中心线距离 一个回转半径 动盘和静盘的涡线 呈渐开线形状、安装 时使两者中心线距离 一个回转半径e，相 位差 ，相 位差180。 这 样，两盘啮合时，与 底板配合形成一系列 月牙形柱体工作容 积，即基元容积。 。 这 样，两盘啮合时，与 底板配合形成一系列 月牙形柱体工作容 积，即基元容积。 6 工作过程模拟工作过程模拟 特点：特点： 两个螺旋形涡旋盘（动涡盘和静 涡盘）相对转过 两个螺旋形涡旋盘（动涡盘和静 涡盘）相对转过180安装，动 涡盘绕静涡盘 安装，动 涡盘绕静涡盘平动。平动。 7 工作过程模拟工作过程模拟 8 ? 2 工作原理工作原理 涡旋压缩机的工作过 程仅有进气、压缩、排气 三个过程，而且是在主轴 旋转一周内同时进行的， 外侧空间与吸气口相通， 始终处于吸气过程，内侧 空间与排气口相通，始终 处于排气过程，而上述两 个空间之间的月牙形封闭 空间内，则一直处于压缩 过程。因而可以认为吸气 和排气过程都是连续的。 9 立式高压腔全封 闭结构 立式高压腔全封 闭结构 5.1.2 总体结构总体结构 吸气 排气 吸气 排气 10 立式低压腔全封 闭结构 立式低压腔全封 闭结构 C-SB型涡旋压缩 机的剖面图 型涡旋压缩 机的剖面图 11 卧式全封闭结构卧式全封闭结构 12 汽车空调用卧式开启式结构汽车空调用卧式开启式结构 13 ? 1 效率高效率高 ?吸气加热程度小；吸气加热程度小； ?相邻两室的压差小，气 体的泄漏量少； 相邻两室的压差小，气 体的泄漏量少； ?无吸气阀、排气阀，流 动损失小； 无吸气阀、排气阀，流 动损失小； ?无余隙容积中高压气体 向吸气腔的膨胀过程， 容积效率高 无余隙容积中高压气体 向吸气腔的膨胀过程， 容积效率高 ?磨损小。磨损小。 5.1.3 特点特点 14 ? 2 力矩变化小，振动小，噪音低力矩变化小，振动小，噪音低 ?多气腔同时运行，压力上升速度较慢，力矩变 化小； 多气腔同时运行，压力上升速度较慢，力矩变 化小； ?压力脉动小，振动小，噪音低；压力脉动小，振动小，噪音低； 15 ? 3结构简单、体积小、重量轻、 可靠性高结构简单、体积小、重量轻、 可靠性高 ?零件数目与滚动转子式和活塞式相比为零件数目与滚动转子式和活塞式相比为137； ?与活塞式相比，体积缩小与活塞式相比，体积缩小40，重量减轻，重量减轻15； ?无吸、排气阀，易损件少；无吸、排气阀，易损件少； ?具有径向、轴向间隙调节机构，抗液击；具有径向、轴向间隙调节机构，抗液击； ?适用于变转速运行适用于变转速运行 ； ?涡线体型线加工精度非常高，必须采用专用的精密 加工设备； 涡线体型线加工精度非常高，必须采用专用的精密 加工设备； ?装配精度要求高。装配精度要求高。 应用范围：应用范围： 使用电功率主要在使用电功率主要在115kW之间。之间。 16 1 涡旋型线的研究开发涡旋型线的研究开发 ? 目的：提高涡旋压缩机的性能和效率。目的：提高涡旋压缩机的性能和效率。 ?中心腔涡旋线的修正中心腔涡旋线的修正 ?变基圆半径渐开线变基圆半径渐开线 ?非圆渐开线、代数螺线、阿基米德螺线等单一 型线 非圆渐开线、代数螺线、阿基米德螺线等单一 型线 ?组合曲线组合曲线 ?双涡旋体型线双涡旋体型线 5.1.4 发展趋势发展趋势 17 2 扩大容量扩大容量 ? 变频、双作用、双机头共用一机壳。变频、双作用、双机头共用一机壳。 18 3 扩大应用范围扩大应用范围 ? 低温用、真空泵、空压机、发动机等。低温用、真空泵、空压机、发动机等。 4 理论研究深入理论研究深入 ? 计算机仿真、结构及尺寸优化、动力学分析、喷 液冷却、防自转机构改进等。 计算机仿真、结构及尺寸优化、动力学分析、喷 液冷却、防自转机构改进等。 19 5.2 热力过程分析热力过程分析 5.2.1 涡旋体型线涡旋体型线 20 1 圆的渐开线方程圆的渐开线方程 ()() ()() += += cossin sincos ry rx 21 2 涡旋体的渐开线方程涡旋体的渐开线方程 考虑到涡圈的壁厚考虑到涡圈的壁厚t，涡圈内、 外侧渐开线的方程为： ，涡圈内、 外侧渐开线的方程为： ()() ()() ()() ()() = += += += oooo oooo iiii iiii ry rx ry rx cossin sincos cossin sincos 22 3 涡旋参数涡旋参数 基元半径基元半径r；涡圈壁厚；涡圈壁厚t； 渐开线起始角；涡旋圈数 ； 渐开线起始角；涡旋圈数m； 涡圈节距 ； 涡圈节距P；涡圈高度；涡圈高度h； 压缩腔对数： ； 压缩腔对数：N； 41 2 2 += = = Nm rt rP 23 5.2.2 压缩室容积及吸气容积压缩室容积及吸气容积 回转半径回转半径 ()2 2 = = r t P R 24 ? 1 渐开线与基元所围容积渐开线与基元所围容积 ()drdS 2 2 1 = 0 32 6 1 rdSS 25 ? 2 各压缩室的投影面积及压缩室容积各压缩室的投影面积及压缩室容积 = 2 9 2 5 32 2 6 1 rSL + + = 2 7 2 3 32 2 6 1 rSs 对编号为对编号为2的压缩腔，的压缩腔，S2SL2Ss2 26 ()()=322 2 2 rS ()htPPhSV = 322 22 编号为编号为2的压缩腔 编号为 的压缩腔 编号为2的一对压缩腔容积 对编号为 的一对压缩腔容积 对编号为i（i1）的压缩腔，）的压缩腔， ()hitPPVi = 122 27 141312111 222SSSSS+= 对编号为对编号为1的中心压缩室的中心压缩室 S11：渐开线与基圆之间所 围面积； ：渐开线与基圆之间所 围面积； S12：两基圆之间所围面 积； ：两基圆之间所围面 积； S13：涡圈实体投影面积；：涡圈实体投影面积； S14：加工刀具与圆渐开线 相干涉或为适应内容积比 而铣掉的原涡圈面积； ：加工刀具与圆渐开线 相干涉或为适应内容积比 而铣掉的原涡圈面积； 中心压缩室容积中心压缩室容积hSV 11 = 28 ? 3 吸气容积吸气容积 对于压缩腔为对于压缩腔为N的涡旋压缩机，当的涡旋压缩机，当0 时，最外圈容积定义为吸气容积，为时，最外圈容积定义为吸气容积，为 ()()hNtPPVs122= 29 ? 4 压缩室容积随转角变化曲线压缩室容积随转角变化曲线 30 ? 1 理论输气量（理论输气量（m3/h） ? 2 实际输气量（实际输气量（m3/h） ()()hNtPPnnVq svt 1226060= vtvva qq= 5.2.3 输气量输气量 31 ? 3 容积效率容积效率 ? 无余隙容积向吸气腔的膨胀过程无余隙容积向吸气腔的膨胀过程 ? 无吸气阀，吸气为吞吸式无吸气阀，吸气为吞吸式 ? 吸气腔在最外侧，吸气加热影响不大吸气腔在最外侧，吸气加热影响不大 ? 相邻工作腔压差不大，泄漏量小。相邻工作腔压差不大，泄漏量小。 ? 容积效率高，容积效率高，0.95 lTpvv = 1= v 1= p 1= T 32 5.2.4 内压缩内压缩 ? 1 压力随转角变化曲线及压力随转角变化曲线及p-V图图 33 ? 2 容积比与内容积比容积比与内容积比 ( ) ( ) i s i V V V= ? 容积比容积比 吸气容积与任意转角下各压缩室容积之比吸气容积与任意转角下各压缩室容积之比 ? 内容积比内容积比 吸气容积与压缩终了容积之比吸气容积与压缩终了容积之比 ( ) ( ) = V V V s i 34 ? 3 压力比与内压力比压力比与内压力比 ( ) ( ) ( )n i s i i V p p = 0 ? 压力比压力比 任意转角时各压缩室内压力与吸气压力之比任意转角时各压缩室内压力与吸气压力之比 ? 内压力比内压力比 压缩终了压力与吸气压力之比压缩终了压力与吸气压力之比 ( ) ( ) ( )n i s i i V p p = 0 * * 35 ? 排气开始角排气开始角* 是指转角是指转角=*时， 压缩机进入排气阶段 时， 压缩机进入排气阶段. 无气阀时，开始排气 角取决于刀具的干涉情 况； 无气阀时，开始排气 角取决于刀具的干涉情 况；=*瞬时，中心压 缩室与其外侧压缩腔连 通。 瞬时，中心压 缩室与其外侧压缩腔连 通。 += * 0 * 2 3 ? 4 排气开始角排气开始角* ：干涉点处渐开线的展角：干涉点处渐开线的展角 ()()()2cos2sin2 2 * 0 * 0 * 0 2 * 0 =+ * 0 如果设置排气阀，则开始排气角取决于排气阀背压。如果设置排气阀，则开始排气角取决于排气阀背压。 36 5.2.5 排气孔口的流速排气孔口的流速 ? 排气孔口的气体马赫数一般为排气孔口的气体马赫数一般为0.3。 = 2 1 2 1 2 A hP u 当当0 *时 当 时 当 * 2时时 = 2 2 2 1 2 A hP u 37 5.2.6 功率功率 ? 1 指示功的计算指示功的计算 wwww rpi += 多方压缩功内部损失功附加损失功多方压缩功内部损失功附加损失功 单位质量指示功单位质量指示功 0sdkts hhw= i ts i w w = 单位质量等熵压缩功单位质量等熵压缩功 75 . 0 i 38 ? 2 指示功率和轴功率指示功率和轴功率 指示功率指示功率 0 36003600 s vtimai i v qwqw P= 90. 0 m 轴功率轴功率 m i e P P = mie PPP+= 39 5.3 热力计算实例热力计算实例 ? 有一台空调器用全封闭涡旋制冷压缩机，制冷工 质 有一台空调器用全封闭涡旋制冷压缩机，制冷工 质R134a，试计算在空调工况下的制冷量及性能 系数。 ，试计算在空调工况下的制冷量及性能 系数。 ?压缩机结构参数：压缩机结构参数： ?P=18mm, t=4mm, h=24mm, m=3.25, n=2880rpm ?空调工况：空调工况： ?蒸发温度蒸发温度t0=7.2, ?冷凝温度冷凝温度tk=54.4, ?吸气温度吸气温度t1=35, ?冷凝器出液温度冷凝器出液温度t4=46.1 40 ? 解：解：1 制冷循环各状态点参数制冷循环各状态点参数 4270.062351 54.43 26746.14 462 1.469 982 402.1640.053 0.377 7.21 焓值焓值 kJ/kg 比容比容 m3/kg 压力压力 MPa 温度 状态点 温度 状态点 ? 2 单位质量制冷量单位质量制冷量 kgkJhhq/160 410 = ? 3 单位质量理论功单位质量理论功 kgkJhhwts/35 12 = 41 ? 4 输气量输气量 ?(1) 吸气容积吸气容积 ?(2) 理论容积输气量理论容积输气量 ?(3) 实际容积输气量 （取） 实际容积输气量 （取） ?(4) 实际质量输气量实际质量输气量 hmnVq svt 3 726.1160= ()() 35 107858. 6122mhNtPPVs = hmqq vtvva 3 1396.11= hkgvqq vama 67.179 1 = 95. 0= v 42 ? 5 制冷量制冷量 kWqqQ ma 985. 73600 00 = ? 6 等熵功率等熵功率 ()kWvwqP tsvtts 839. 13600 1 = ? 7 压力比压力比 ?(1)名义压力比名义压力比 ?(2)排气角排气角 89655. 3 12 = pp dk += * 0 * 2 3 ()()()2cos2sin2 2 * 0 * 0 * 0 2 * 0 =+ 43 ?(2)排气角排气角 o 24629. 4 2 3 * 0 * =+=rad ()()()2cos2sin2 2 * 0 * 0 * 0 2 * 0 =+ o 8 .458 . 0 22 = =rad tP t r t 由 得 由 得 o 8 .69218. 1 * 0 =rad 渐开线起始角 刀具干涉点处渐开线展角 则排气角为 渐开线起始角 刀具干涉点处渐开线展角 则排气角为 ?(3)内压比（取多方压缩指 数） 内压比（取多方压缩指 数） o 24629. 4 2 3 * 0 * =+=rad 4236. 3 3 12 * = = n i N 1 . 1=n 44 ? 8 指示功率（取）指示功率（取） kWPP itsi 419. 2= ? 9 轴功率（取）轴功率（取） ? 10 电动机功率（取）电动机功率（取） 76. 0= i 9 . 0= m kWPP mie 688. 2= 88. 0 0 = m kWPP meel 05. 3 0 = ? 11 性能系数性能系数 971. 2 0 = e PQCOP ? 12 能效比能效比 614. 2 0 = el PQEER 45 5.4 密封与防自转机构密封与防自转机构 5.4.1 涡旋压缩机的泄漏涡旋压缩机的泄漏 轴轴 发生径向泄漏：经轴向间隙 发生周向泄漏：经径向间隙 轴向间隙 径向间隙 长度径向泄漏长度：涡旋线 度周向泄漏长度：涡圈高 周向 泄漏 周向 泄漏 46 ? 控制轴向间隙更重要。控制轴向间隙更重要。 47 5.4.2 密封机构密封机构 1 轴向密封机构 目的：阻止气体径向泄漏。 轴向密封机构 目的：阻止气体径向泄漏。 ? （1）接触式密封）接触式密封 ?密封元件镶入涡盘顶部的密封槽 内。 密封元件镶入涡盘顶部的密封槽 内。 ?密封条材料：工程塑料、层状耐磨 金属。 密封条材料：工程塑料、层状耐磨 金属。 ?特点：结构简单、可采用一般加工 方法控制涡圈高度和轴向间隙。 特点：结构简单、可采用一般加工 方法控制涡圈高度和轴向间隙。 48 ? （2）非接触式密封）非接触式密封 ?涡圈端面开有油沟，使涡圈端面与 涡盘底板间形成油膜，动盘背面设 有背压腔。 涡圈端面开有油沟，使涡圈端面与 涡盘底板间形成油膜，动盘背面设 有背压腔。 ?采用止推环和一个波纹弹簧构成的 轴向柔性机构，保持一定的轴向间 隙，涡圈端面开有沟槽。 采用止推环和一个波纹弹簧构成的 轴向柔性机构，保持一定的轴向间 隙，涡圈端面开有沟槽。 49 2 径向密封机构 径向间隙控制措施： 径向密封机构 径向间隙控制措施： 1 提高涡旋体及轴与轴承的加工精度和装配精度；提高涡旋体及轴与轴承的加工精度和装配精度； 2 采用径向柔性机构。采用径向柔性机构。 采用径向柔性机构目的：采用径向柔性机构目的： 阻止气体周向泄漏，主要靠控制动静涡盘侧壁面 之间的径向间隙来实现。 阻止气体周向泄漏，主要靠控制动静涡盘侧壁面 之间的径向间隙来实现。 周向 泄漏 周向 泄漏 50 ? （1）单圆曲柄轴径向密封机构）单圆曲柄轴径向密封机构 ?轴承间隙值小，动盘活动余地小， 径向密封靠动静盘间的装配间隙保 证，动静盘涡圈不接触，周向泄漏 大，动静盘涡圈磨损小； 轴承间隙值小，动盘活动余地小， 径向密封靠动静盘间的装配间隙保 证，动静盘涡圈不接触，周向泄漏 大，动静盘涡圈磨损小； ?轴承间隙值大，动盘在作用力作用 下抵向静盘，形成接触密封，周向 泄漏小，动静盘涡圈磨损大； 轴承间隙值大，动盘在作用力作用 下抵向静盘，形成接触密封，周向 泄漏小，动静盘涡圈磨损大； ?存在最佳轴承间隙值，使泄漏损失 和摩擦损失之和最小； 存在最佳轴承间隙值，使泄漏损失 和摩擦损失之和最小； ?易造成其它运动部件的撞击；易造成其它运动部件的撞击； ?在固体杂质大于径向间隙时，会造 成涡圈表面严重磨损。 在固体杂质大于径向间隙时，会造 成涡圈表面严重磨损。 51 ? （2）偏心轴套式径向密封）偏心轴套式径向密封 ?当偏心轴套绕当偏心轴套绕o3摆动时，动盘回转 半径会发生相应变化，实现回转半 径的微小调节； 摆动时，动盘回转 半径会发生相应变化，实现回转半 径的微小调节； ?径向密封性能取决于偏心轴套对动 盘作用力的大小； 径向密封性能取决于偏心轴套对动 盘作用力的大小； ?偏心轴套上曲柄销中心的位置应沿 曲轴回转方向超前于动盘驱动中 心； 偏心轴套上曲柄销中心的位置应沿 曲轴回转方向超前于动盘驱动中 心； ?oo2 2o o1 1o o3 3=4045；=4045； ?R R1 1/R/R2 2=2.32.7。=2.32.7。 52 ? （3）滑动衬套机构）滑动衬套机构 ?曲轴上端开一长方形孔，其中装有 滑动衬套； 曲轴上端开一长方形孔，其中装有 滑动衬套； ?衬套中心的轴承孔与动盘轴销相 配； 衬套中心的轴承孔与动盘轴销相 配； ?弹簧将衬套向外压，以维持径向间 隙。 弹簧将衬套向外压，以维持径向间 隙。 53 5.4.3 防自转机构 目的：维持动盘回转平动。 防自转机构 目的：维持动盘回转平动。 1 十字联接环十字联接环 ? 滑槽滑槽A、B与动盘的滑块相配合；与动盘的滑块相配合； ? 滑块滑块D、C与机座的滑槽相配合；与机座的滑槽相配合； ? 动盘相对十字联接环运动为沿动盘相对十字联接环运动为沿X轴方向的往复运动；轴方向的往复运动； ? 十字联接环相对机座运动为沿十字联接环相对机座运动为沿Y轴方向的往复运动；轴方向的往复运动； ? 十字滑块和十字滑槽垂直度要求高，摩擦力和磨损大。十字滑块和十字滑槽垂直度要求高，摩擦力和磨损大。 54 2 球形联轴节球形联轴节 ? 固定孔板固定在机座上；固定孔板固定在机座上； ? 可动孔板固定在动盘背面上；可动孔板固定在动盘背面上； ? 钢球在两孔板间滚动；钢球在两孔板间滚动； ? 防自转、推力轴承；防自转、推力轴承； ? 制造精度和装配精度要求极高。制造精度和装配精度要求极高。 55 3 圆柱销联轴节圆柱销联轴节 ? 圆柱销的上端插入动盘相应圆孔 中； 圆柱销的上端插入动盘相应圆孔 中； ? 圆柱销的下端伸入机座相应圆孔 中； 圆柱销的下端伸入机座相应圆孔 中； ? 圆柱销个数圆柱销个数36个；个； ? 圆柱销上端与动盘圆孔配合紧固 时，其下端在机座圆孔中滑动； 圆柱销上端与动盘圆孔配合紧固 时，其下端在机座圆孔中滑动； ? 圆柱销上端在动盘圆孔中滑动时， 其下端在机座圆孔中滚动； 圆柱销上端在动盘圆孔中滑动时， 其下端在机座圆孔中滚动； ? 圆柱销与孔的磨损较严重。圆柱销与孔的磨损较严重。 56 5.5 输气量调节输气量调节 ? 5.5.1 变转速调节变转速调节 图示出了采用变频调节的三种压缩机图示出了采用变频调节的三种压缩机 (活塞式、滚动转子式、涡旋式活塞式、滚动转子式、涡旋式)的容 积效率 的容 积效率v及等熵效率及等熵效率tS的比较。的比较。 57 变转速调节变转速调节 ? 图是涡旋式压缩机变速调 节时的振动