zl5_涡旋式制冷压缩机

1第五章涡旋式制冷压缩机21.工作原理、总体结构及其特点2.热力过程分析3.热力计算实例4.密封与防自转机构5.输气量调节目录35.1工作原理、总体结构及其特点5.1.1工作原理ƒ1基元容积的形成基本结构4动涡盘静涡盘涡旋盘实物5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e，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。6工作过程模拟特点：两个螺旋形涡旋盘（动涡盘和静涡盘）相对转过180˚安装，动涡盘绕静涡盘平动。7工作过程模拟8ƒ2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5.1.2总体结构吸气排气10立式低压腔全封闭结构C-SB型涡旋压缩机的剖面图11卧式全封闭结构12汽车空调用卧式开启式结构13ƒ1效率高¾吸气加热程度小；¾相邻两室的压差小，气体的泄漏量少；¾无吸气阀、排气阀，流动损失小；¾无余隙容积中高压气体向吸气腔的膨胀过程，容积效率高¾磨损小。5.1.3特点14ƒ2力矩变化小，振动小，噪音低¾多气腔同时运行，压力上升速度较慢，力矩变化小；¾压力脉动小，振动小，噪音低；15ƒ3结构简单、体积小、重量轻、可靠性高¾零件数目与滚动转子式和活塞式相比为1︰3︰7；¾与活塞式相比，体积缩小40％，重量减轻15％；¾无吸、排气阀，易损件少；¾具有径向、轴向间隙调节机构，抗液击；¾适用于变转速运行；¾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；¾装配精度要求高。应用范围：使用电功率主要在1～15kW之间。161涡旋型线的研究开发ƒ目的：提高涡旋压缩机的性能和效率。¾中心腔涡旋线的修正¾变基圆半径渐开线¾非圆渐开线、代数螺线、阿基米德螺线等单一型线¾组合曲线¾双涡旋体型线5.1.4发展趋势172扩大容量ƒ变频、双作用、双机头共用一机壳。183扩大应用范围ƒ低温用、真空泵、空压机、发动机等。4理论研究深入ƒ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。195.2热力过程分析5.2.1涡旋体型线201圆的渐开线方程()()[]()()[]⎩⎨⎧+−+=+++=αφφαφαφφαφcossinsincosryrx212涡旋体的渐开线方程考虑到涡圈的壁厚t，涡圈内、外侧渐开线的方程为：()()[]()()[]()()[]()()[]⎩⎨⎧−−−=−+−=⎩⎨⎧+−+=+++=αφφαφαφφαφαφφαφαφφαφooooooooiiiiiiiiryrxryrxcossinsincoscossinsincos223涡旋参数基元半径r；涡圈壁厚t；渐开线起始角α；涡旋圈数m；涡圈节距P；涡圈高度h；压缩腔对数：N；4122+===NmrtrPαπ235.2.2压缩室容积及吸气容积回转半径()απ22−=−=rtPR24ƒ1渐开线与基元所围容积()φφdrdS221≈∫==φφ03261rdSS25ƒ2各压缩室的投影面积及压缩室容积θαπθαπφ−−−−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=292532261rSLθαπθαπφ−+−+⎟⎠⎞⎜⎝⎛=272332261rSs对编号为2的压缩腔，S2＝SL2－Ss226()()θπαππ−−=32222rS()htPPhSV⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−==πθπ32222编号为2的压缩腔编号为2的一对压缩腔容积对编号为i（i1）的压缩腔，()hitPPVi⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−−=πθπ12227141312111222SSSSS+−−=对编号为1的中心压缩室S11：渐开线与基圆之间所围面积；S12：两基圆之间所围面积；S13：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；中心压缩室容积hSV11=28ƒ3吸气容积对于压缩腔为N的涡旋压缩机，当θ＝0时，最外圈容积定义为吸气容积，为()()hNtPPVs122−−=π29ƒ4压缩室容积随转角变化曲线30ƒ1理论输气量（m3/h）ƒ2实际输气量（m3/h）()()hNtPPnnVqsvt1226060−−==πvtvvaqqη=5.2.3输气量31ƒ3容积效率ƒ无余隙容积向吸气腔的膨胀过程ƒ无吸气阀，吸气为吞吸式ƒ吸气腔在最外侧，吸气加热影响不大ƒ相邻工作腔压差不大，泄漏量小。ƒ容积效率高，0.95lTpvvλλλλη=1=vλ1=pλ1=Tλ325.2.4内压缩ƒ1压力随转角变化曲线及p-V图33ƒ2容积比与内容积比()()θθisiVVV=′ƒ容积比吸气容积与任意转角下各压缩室容积之比ƒ内容积比吸气容积与压缩终了容积之比()()∗∗=θθVVVsi34ƒ3压力比与内压力比()()()nisiiVppθθθε′==0ƒ压力比任意转角时各压缩室内压力与吸气压力之比ƒ内压力比压缩终了压力与吸气压力之比()()()nisiiVppθθθε==0**35ƒ排气开始角θ*是指转角θ=θ*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；θ=θ*瞬时，中心压缩室与其外侧压缩腔连通。αϕπθ+−=*0*23ƒ4排气开始角θ*：干涉点处渐开线的展角()()()2cos2sin22*0*0*02*0−−=−+−+απαϕαϕϕϕ*0ϕ如果设置排气阀，则开始排气角取决于排气阀背压。365.2.5排气孔口的流速ƒ排气孔口的气体马赫数一般为0.3。⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=πθπαω21212AhPu当0≤θθ*时当θ*≤θ2π时⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=πθπαω22212AhPu375.2.6功率ƒ1指示功的计算Δ++=多方压缩功内部损失功附加损失功单位质量指示功0sdktshhw−=itsiwwη=单位质量等熵压缩功75.0≈iη38ƒ2指示功率和轴功率指示功率036003600svtimaiivqwqwP==90.0≈mη轴功率miePPη=miePPP+=395.3热力计算实例ƒ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。¾压缩机结构参数：ƒP=18mm,t=4mm,h=24mm,m=3.25,n=2880rpm¾空调工况：ƒ蒸发温度t0=7.2℃,ƒ冷凝温度tk=54.4℃,ƒ吸气温度t‘1=35℃,ƒ冷凝器出液温度t4=46.1℃40ƒ解：1制冷循环各状态点参数4270.062351’－－54.43267－46.14462－1.469982’402.1640.0530.3777.21焓值kJ/kg比容m3/kg压力MPa温度℃状态点ƒ2单位质量制冷量kgkJhhq/160410=−=′ƒ3单位质量理论功kgkJhhwts/3512=−=′′41ƒ4输气量¾(1)吸气容积¾(2)理论容积输气量¾(3)实际容积输气量（取）¾(4)实际质量输气量hmnVqsvt3726.1160==()()35107858.6122mhNtPPVs−×=−−=πhmqqvtvva31396.11==ηhkgvqqvama67.1791==′95.0=vη42ƒ5制冷量kWqqQma985.7360000==ƒ6等熵功率()kWvwqPtsvtts839.136001==′ƒ7压力比¾(1)名义压力比¾(2)排气角89655.312==′′ppdkεαϕπθ+−=*0*23()()()2cos2sin22*0*0*02*0−−=−+−+απαϕαϕϕϕ43¾(2)排气角o24629.423*0*==+−=radαϕπθ()()()2cos2sin22*0*0*02*0−−=−+−+απαϕαϕϕϕo8.458.022==−==radtPtrtα由得o8.69218.1*0==radϕ渐开线起始角刀具干涉点处渐开线展角则排气角为¾(3)内压比（取多方压缩指数）o24629.423*0*==+−=radαϕπθ4236.3312*=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=niNπθε1.1=n44ƒ8指示功率（取）kWPPitsi419.2==ηƒ9轴功率（取）ƒ10电动机功率（取）76.0=iη9.0=mηkWPPmie688.2==η88.00=mηkWPPmeel05.30==ηƒ11性能系数971.20==ePQCOPƒ12能效比614.20==elPQEER455.4密封与防自转机构5.4.1涡旋压缩机的泄漏轴⎩⎨⎧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46ƒ控制轴向间隙更重要。475.4.2密封机构1轴向密封机构目的：阻止气体径向泄漏。ƒ（1）接触式密封¾密封元件镶入涡盘顶部的密封槽内。¾密封条材料：工程塑料、层状耐磨金属。¾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。48ƒ（2）非接触式密封¾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。¾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。492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；2采用径向柔性机构。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。周向泄漏50ƒ（1）单圆曲柄轴径向密封机构¾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；¾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；¾存在最佳轴承间隙值，使泄漏损失和摩擦损失之和最小；¾易造成其它运动部件的撞击；¾在固体杂质大于径向间隙时，会造成涡圈表面严重磨损。51ƒ（2）偏心轴套式径向密封¾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；¾径向密封性能取决于偏心轴套对动盘作用力的大小；¾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；¾∠o2o1o3=40°~45°；¾R1/R2=2.3~2.7。52ƒ（3）滑动衬套机构¾曲轴上端开一长方形孔，其中装有滑动衬套；¾衬套中心的轴承孔与动盘轴销相配；¾弹簧将衬套向外压，以维持径向间隙。535.4.3防自转机构目的：维持动盘回转平动。1十字联接环ƒ滑槽A、B与动盘的滑块相配合；ƒ滑块D、C与机座的滑槽相配合；ƒ动盘相对十字联接环运动为沿X’轴方向的往复运动；ƒ十字联接环相对机座运动为沿Y轴方向的往复运动；ƒ十字滑块和十字滑槽垂直度要求高，摩擦力和磨损大。542球形联轴节ƒ固定孔板固定在机座上；ƒ可动孔板固定在动盘背面上；ƒ钢球在两孔板间滚动；ƒ防自转、推力轴承；ƒ制造精度和装配精度要求极高。553圆柱销联轴节ƒ圆柱销的上端插入动盘相应圆孔中；ƒ圆柱销的下端伸入机座相应圆孔中；ƒ圆柱销个数3～6个；ƒ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；ƒ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；ƒ圆柱销与孔的磨损较严重。565.5输气量调节ƒ5.5.1变转速调节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)的容积效率ηv及等熵效率ηtS的比较。57变转速调节ƒ图是涡旋式压缩机变速调节时的振动与噪声特性与活塞式和滚动转子式的比较。ƒ从图中看出，在任何频率下涡旋式压缩机的振动和噪声都较低。ƒ涡旋式压缩机比活塞式和滚动转子式适用于更宽的速度范围，在空调器或热泵中采用涡旋式压缩机进行变频调节输气量是很有前途的。58ƒ此处介绍两台运行的涡旋式压缩机共用一个机壳并联调节的形式，其结构如图5-9所示。ƒ由图5-10还可以看出，与相同制冷量的一台涡旋式相比，在较宽的制冷量范围内有较高的COP值。ƒ5.5.2多机并联运行调节59ƒ5.5.3变容量旁通调节——汽车空调中常用通过活塞式控制阀6控制