第五章、涡旋式压缩机

第五章、涡旋式制冷压缩机工作原理、总体结构及特点热力过程分析运动机构受力及分析密封与防自转机构输气量调节主要内容第一节涡旋式制冷压缩机工作原理第一节涡旋式制冷压缩机工作原理一、涡旋式压缩机工作原理1、基元容积形成静涡旋体与动涡旋体之间形成的月牙形的基元容积。2、工作过程动涡旋体O2围绕静涡旋体中心O1作平面运动（无自转）a~b吸气c~f压缩g~j排气3、特点无吸、排气阀，结构简单，噪声低吸气排气同时进行，效率高每三周完成一个工作循环无余隙无膨胀过程，效率高曲线形状复杂，加工精度高4、总体结构1）全封闭立式涡旋式压缩机体内高压减少吸气过热提高效率体内低压电机冷却寿命长特点：形成背压，平衡工作力高压缓冲，减少压力脉动压差泵供油3）汽车空调用涡旋式压缩机2）卧式全封闭涡旋式压缩机三、涡旋式压缩机特点1、效率高比往复式高10%，2、力矩变化小比往复式低10%，压力变化小，噪声低3、结构简单，体积小往∶转∶涡=1∶3∶7（零件数）体积比往复式小40%，轻15%可高速∶13000r/min四、发展趋势1、涡旋体线型研究开发修正中心腔涡旋线，以降低涡旋体顶端接触应力采用变基圆半径渐开线，以提高效率及可靠性采用混合基圆半径渐开线或代数螺旋线以提高可靠性采用双涡旋体型线以增加单机容量2、扩大容量变频涡旋机，双机共壳3、扩大应用范围开发低温涡旋压缩机，涡旋充气泵，空气压缩机4、理论研究新线型，优化设计第二节热力学过程分析一、涡旋体型线通常涡旋体型线为渐开线1、圆的渐开线方程基圆r,渐开角β，渐开角Ф，初始角αx=r[cos(Ф+α)+Фsin(Ф+α)]y=r[sin(Ф+α)-Фcos(Ф+α)]2、涡旋体渐开线方程内外涡旋体为+α，-α起始角；内壁方程x=r[cos(Фi+α)+Фisin(Фi+α)]y=r[sin(Фi+α)－Фicos(Фi＋α)]外壁方程x=r[cos(Ф0－α)+Ф0sin(Ф0－α)]y=r[sin(Ф0－α)－Ф0cos(Ф0-α)]3、涡旋体参数基圆半径r，渐开角α，涡旋体高h，涡旋体壁厚t＝2rα，涡旋体节距P＝2πr压缩腔气体数N，涡旋圈数m=N+1/44、加工方法：展成加工方法二、压气室容积及吸气室容积在动、静涡旋体之间围成三对月牙形工作基元其面积由标号①②③所示压缩机工作时这三对工作基元由外向里平面运动形成吸排气过程工作基元的容积就是内外涡旋体所围成的渐开线面积之差1、渐开线与基圆所围面积：3222006121rdrdssdrdrrds2)(21))((212、基元投影面积及容积：1）工作基元投影面积a)对于基元②S2=SL2-Ss2动体内渐开线夹角及面积静体外渐开线夹角及面积drSL22902)(21drSs22702)(21htPPhSVrdrS)3)(2(2)3)(2(2)(21222272922902动内～2702静外～P＝2πrt＝2rαb)对基元③：c)对任一基元：d)对基元①：htPPv)5)(2(3htPP)132)(2(hSSSShSv)222(1413121111hitPPvi)12)(2(S11排气开始前后的面积S12两基圆之间的面积S14刀具铣销掉的面积2）吸气基元容积vs吸气时θ=0；有N对涡旋体基元将进入压缩此时体积3）压缩容积随θ变化曲线a)θ=0，③气室闭合b)θ=2π，③变为②c)θ=θ*时,②与①连通hNtPPvs)12)(2(三、涡旋式压缩机输气量1、理论输气量2、实际输气量3、容积效率ηvsvtnvq60hNtPPn)12)(2(60vtvvaqqiTpvv95.0,1,1,1iTpv95.0v四、涡旋式压缩机内压缩1、压缩过程p～θ、v～θ曲线：1）0～θ1——吸气，v由0↑vx，p=ps02）θ1～θ*——压缩，v由vx↓，p由ps0↑pdk3）θ*～2π——排气，v↓，p=pdk2、容积比与内容积比1）容积比：吸气容积与任意转工作基元容积之比2）内容积比：吸气容积与压缩终了工作基元容积之比基元②的内容积比)()(vvvsi312)3)(2()12)(2()(2NtPPNtPPvi)()('isivvv3、压力比，内压力比1）压力比：工作基元压力与吸气压力之比2）内压力比：工作基元压缩终了压力与吸气压力之比4、排气开始角θ*Ф0——干涉齿处渐开线展角α——渐开线起始角由排气口的流量所决定nisivpp)()()(10niN]312[023nisiVpp)()()(0五、压缩机的排气孔口流量由气体的连续方程dtdvuAdtAdvu2)22()21(0)21()21(22AhPuAhPu式中A－排气孔密面积u－气体流速V－工作基元容积六、涡旋压缩机的功率1、指示功的计算2、指示功率3、轴功率itsiww0sdktshhw03600svtiivqwpmimiepppp%90m第三节、计算实例用R134a代替R22计算性能系数全封闭涡旋制冷压缩机结构参数涡旋体节距：p=18mm涡旋体壁厚：t=4mm涡旋体高：h=24mm涡旋体圈数：m=325压缩机转速：n=2880r/min给定空调工况制冷剂：R134a蒸发温度：t0=7.2°C冷凝温度：tk=54.4°C吸气温度：t1’=35°C冷凝器出液温度：t4=46.1°C热力计算各制冷循环点状态参数：图5-241点：t1=t0=7.2°C,p1=p0=0.377MPa,v1=0.053m3/Kg第四节、运动机构受力分析涡旋体受力：气体力、惯性力、摩擦力对压缩机影响：强度、刚度、摩擦、磨损、热力性能一、切向力及阻力矩1、作用于涡旋体力：切向力Ft：⊥曲轴，沿旋转方向成矩Mt径向力Fr：⊥曲轴，沿旋转半径方向成矩Mr轴向力Fa：∥曲轴，沿轴方向成矩Ma2、切向力：AppFt)()(211hRA'111'1'11RRRRrR)21('1rR)2(rR)23(1)23()2()21('11rrrR)2()2(2PrhppPFt))(2()(211))(2(02010sssppppPp))(2('11'101stPpF）（同理3、切向力矩和自转力矩：1）切向力矩（饶o公转）2）自转力矩（绕o’自转，用防自转机构消除）))(2()('1'0iistPpFRFMtt)()())(2('1'0iisihRPp)(21)(tzRFM4、径向力：Fr(θ)作用于曲轴销、键可忽略二、轴向力及其平衡1、轴向力：轴向力Fa作用于各月牙形工作腔，是θ的函数在吸气腔：在其它腔：S1由式5-9计算)1(2)(2)(021rhppprhFsr)]1)(12()1([)('2'2120iNiisaiPsPpF)]1)(12()1([)('12'1212bNibbaiPsPpF2、轴向力平衡1）采用推力轴承，减少轴向摩擦，保证密封2）采用背压推力机构，泵压力自动补尝间隙3）在涡旋体背面加弹簧，自动补尝间隙4）在涡旋体背面加油压，补尝间隙三、倾覆力矩：轴承上受压力Fbt,Fbr与涡旋体上受力Fr,Fa,Ft不平衡，产生力矩使涡旋体产生倾覆绕t轴绕r轴brrbrothFhFM2RFhFhFMaptrbtor22otoroMMM四、涡旋体旋转惯性力及力矩平衡思路：先将涡旋体质量采用传动到平面内进行平衡，然后将涡旋体及曲轴连成一体行成二次平衡1、动涡旋体惯性力的一次平衡1）动涡旋体质心位置：将动涡旋体质量坐标质心，质心m为座标m(xm,ym))3sincos3sin(22222qqrxm)3sincossin3cos(22222qqrymα——起始角，Ф——渐开线法端展角2）动涡旋体质量：h——高度s——涡旋体投影面积ρ——比重（密度）3）一次平衡质量mo’shm11232231rrs)21(2221hrm221mmyxR11''RmRmoo'22222')21(ommoRyxhrm平衡质量半径R1`涡旋体质量半径力矩平衡方程平衡质量4）动旋转体惯性力a)平衡后动涡旋体总体质量：32'1mmmmmo'321orxFFFFF2''332211)(ooRmRmRmRmb)动涡旋体总体旋转惯性力为：m1-涡旋体质量mo'-一次平衡质量m2-动涡旋体底盘质量m3-动涡旋体轴承质量F1-涡旋体离心力Fo'-一次平衡离心力F2-动涡旋体底盘离心力F3-动涡旋体轴承离心力2、惯性力二次平衡设：平衡后涡旋体总质量为m，质心为R，安装曲轴后，曲柄质量为m4，半径为R’方法：用两质量为mo’’和mo’’’进行平衡各质量体产生惯性力为惯性力平衡：惯性力矩平衡：2mRFrx2'4mRFrx2''''''oorxRmFo2'''''''''oorxRmFo'''''4oorxrxrxrxFFFFbFaFjFeFrxrxrxrxoo4'''''上述公式联立即可求出平衡质量m0“‘、m0第五节密封与防自转机构一、涡旋式压缩机的泄漏1.泄漏途径1）由轴向间隙产生径向泄漏2）由径向间隙产生周向泄漏2.泄漏长度周相接触长度大，泄漏小径相接触长度小，泄漏大结论：减少轴向间隙可有效减少径向泄漏径周qq二、密封机构考虑因素：可靠性高，补偿性强1、轴向密封机构：（密封轴向间隙）1）接触式密封：方法：在涡旋体顶端面镶嵌密封材料材料：工程热塑料，耐磨金属材料特点：结构简单，易加工，寿命短2）非接触式密封a)油沟密封：在涡旋体顶端开油沟并延长用以润滑端面，同时在涡旋体的背面设背压腔，防止动静体脱开特点：密封性好，寿命长，可靠性好，加工工艺困难2、轴向柔性密封机构方法：在涡旋体背面设置波形弹簧，设柔性止推环，在涡旋体顶面开油沟。二、径向密封机构：采取措施：形成动～静涡旋体系在一起形成密封1.单圆曲柄径向密封机构o1—曲柄圆转中心，o2—涡旋体中心，o3—曲柄柄体中心，依靠曲柄销9与轴承8间的轴承间隙4控制动静涡旋体的接触情况。2.偏心轴套式径向密封机构o1—曲轴中心；o3—曲柄中心；o2—涡旋体中心；R1—曲轴回转半径R2—涡旋体回转半径；ξ—滞后角旋转时ξ变化R2变化，从而使o1～o2变化，间隙得到控制3.滑动衬套式机构曲轴6内开槽，内有可滑动块2，由弹簧顶着，动涡旋体滑销2安装在滑块1内，弹簧5顶出R变化调节间隙三、防自转机构动涡旋体绕静涡旋体中心做无自转平动，需要设置防自转机构。防自转机构有：十字联接环、球形联轴节、圆柱联轴节1.十字联接环结构：十字联接环上DC与机体槽连（可滑动）AB与动涡旋体连，原理：使动涡旋体绕o2转动特点：结构简单易磨损，加工困难2.球形联轴节结构：两几何形状相同孔板，分别安在机体动涡旋体上，在孔板间设置钢球连接孔板原理：动涡旋体平动时，钢球可在孔内转动、要求：平动半径为R时，孔板孔为2R，钢球半径为R特点：结构简单，易加工，可实现滚动支撑，减少磨损3.圆柱销联轴节结构：在机座上开孔板6，动涡旋体上连轴销3原理：当动涡旋体平动时，销在孔内平动，半径R要求：销半径2R,孔径4R特点：受力好，结构简单，但无支撑作用5-6、输气量调节一、变频调节1、调节性能：容