第五章、涡旋式制冷压缩机工作原理、总体结构及特点工作原理、总体结构及特点热力过程分析热力过程分析运动机构受力及分析运动机构受力及分析密封与防自转机构密封与防自转机构输气量调节输气量调节主 要 内 容第第一一节节 涡涡旋旋式式制制冷冷压压缩缩机机工工作作原原理理第一节涡旋式制冷第一节涡旋式制冷 压缩机工作原理压缩机工作原理一一、涡旋式压缩机、涡旋式压缩机 工作原理工作原理1、基元容积形成、基元容积形成 静涡旋体与动涡旋体静涡旋体与动涡旋体之间形成的月牙形的之间形成的月牙形的基元容积。基元容积。2、工作过程、工作过程 动涡旋体动涡旋体O2围绕围绕静涡旋体中心静涡旋体中心O1作作平面运动（无自转）平面运动（无自转）lab吸气吸气lcf压缩压缩lgj排气排气3、特点、特点无吸、排气阀，结构简单，无吸、排气阀，结构简单，噪声低噪声低吸气排气同时进行，效率高吸气排气同时进行，效率高每三周完成一个工作循环每三周完成一个工作循环无余隙无膨胀过程，效率高无余隙无膨胀过程，效率高曲线形状复杂，加工精度高曲线形状复杂，加工精度高4、总体结构、总体结构1）全封闭立式涡旋式压缩机）全封闭立式涡旋式压缩机l体内高压体内高压减少吸气过热减少吸气过热提高效率提高效率体内低压体内低压电机冷却电机冷却寿命长寿命长l特点：特点：形成背压，形成背压，平衡工作力平衡工作力高压缓冲，高压缓冲，减少压力脉动减少压力脉动压差泵供油压差泵供油3）汽车空调用）汽车空调用 涡旋式压缩机涡旋式压缩机2）卧式全封闭）卧式全封闭涡旋式压缩机涡旋式压缩机三、涡旋式压缩机特点三、涡旋式压缩机特点1、效率高、效率高 比往复式高比往复式高10%，2、力矩变化小、力矩变化小比往复式低比往复式低10%，压力变化小，噪声低压力变化小，噪声低3、结构简单，体积小、结构简单，体积小往往 转转 涡涡=1 3 7 （零件数）（零件数）体积比往复式小体积比往复式小40%，轻，轻15%可高速可高速 13000r/min四、发展趋势四、发展趋势1、涡旋体线型研究开发、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采用双涡旋体型线以增加单机容量2、扩大容量、扩大容量变频涡旋机，变频涡旋机，双机共壳双机共壳3、扩大应用范围、扩大应用范围开发低温涡旋压缩机，开发低温涡旋压缩机，涡旋充气泵，涡旋充气泵，空气压缩机空气压缩机4、理论研究、理论研究新线型，新线型，优化设计优化设计第二节第二节 热力学过程分析热力学过程分析一、涡旋体型线一、涡旋体型线通常涡旋体型线为渐开线通常涡旋体型线为渐开线1、圆的渐开线方程、圆的渐开线方程 基圆基圆r,渐开角渐开角，渐开角，渐开角，初始角，初始角x=rcos(x=rcos(+)+)+sin(sin(+)y=rsin(y=rsin(+)-)-cos(cos(+)2 2、涡旋体渐开线方程、涡旋体渐开线方程内外涡旋体为内外涡旋体为+ +，- -起始角；起始角；内壁方程内壁方程 x=rcos(rcos(i i+ +)+)+i isin(sin(i i+ +) y=rsin( y=rsin(i i+ +)i icos(cos(i i)外壁方程外壁方程 x=rcos(rcos(0 0)+)+0 0sin(sin(0 0) y=rsin( y=rsin(0 0)0 0cos(cos(0 0- -)3、涡旋体参数、涡旋体参数基圆半径基圆半径r，渐开角，渐开角，涡旋体高，涡旋体高h，涡旋体壁厚涡旋体壁厚t2r，涡旋体节距涡旋体节距P2r 压缩腔气体数压缩腔气体数N，涡旋圈数，涡旋圈数m=N+1/44、加工方法、加工方法：展成加工方法：展成加工方法二、压气室容积及吸气室容积二、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工作基元其面积由标号所示所示 压缩机工作时这三对工作基元由外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围成的渐开线面积之差1、渐开线与基圆所围面积、渐开线与基圆所围面积： 2、基元投影面积及容积、基元投影面积及容积： 1）工作基元）工作基元投投影面积影面积 a)a)对于基元对于基元 S2=SL2-Ss2动体内渐开线夹角及面积动体内渐开线夹角及面积静体外渐开线夹角及面积静体外渐开线夹角及面积P2rt2rb)b)对基元对基元： c)c)对对任一基元任一基元：d)d)对对基元基元 ：S11排气开始前后的面积排气开始前后的面积S12两基圆之间的面积两基圆之间的面积S14刀具铣销掉的面积刀具铣销掉的面积2）吸气基元容积）吸气基元容积vs吸气时吸气时=0；有；有N对涡旋体基元将进入压缩此时体积对涡旋体基元将进入压缩此时体积3）压缩容容积随随变化曲化曲线a)=0，气室气室闭合合b)b)=2=2，变为c)=c)=* *时,与与连通连通三、涡旋式压缩机输气量三、涡旋式压缩机输气量1、理论输气量、理论输气量2、实际输气量、实际输气量3、容积效率、容积效率v四、涡旋式压缩机内压缩四、涡旋式压缩机内压缩1、压缩过程、压缩过程p、v曲线曲线：1）0 1吸气，吸气，v由由0vx，p=ps02 2）1 1 *压缩，v由由vx，p由由ps0pdk3）* 2排气，排气，v，p=pdk2、容、容积比与内容比与内容积比比1）容）容积比比：吸气容：吸气容积与任意与任意转工作基元容工作基元容积之比之比2）内容积比：）内容积比：吸气容积与压缩终了工作基元容积之比吸气容积与压缩终了工作基元容积之比 基元基元的的内容积比内容积比3、压力比，内压力比、压力比，内压力比1）压力比）压力比：工作基元压力与吸气压力之比工作基元压力与吸气压力之比2）内压力比）内压力比：工作基元压缩终了压力与吸气压力之比工作基元压缩终了压力与吸气压力之比4、排气开始角、排气开始角*0干涉干涉齿处渐开开线展角展角渐开开线起始角起始角由排气口的流量所决定由排气口的流量所决定五、压缩机的排气孔口流量五、压缩机的排气孔口流量 由气体的连续方程由气体的连续方程式中式中A排气孔密面积排气孔密面积u气体流速气体流速V工作基元容积工作基元容积六、涡旋压缩机的功率六、涡旋压缩机的功率1、指示功的计算、指示功的计算2、指示功率、指示功率3、轴功率、轴功率第三节、计算实例第三节、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给定空调工况给定空调工况制冷剂：制冷剂：R134a蒸发温度：蒸发温度：t0C冷凝温度：冷凝温度：tkC吸气温度：吸气温度：t1=35C冷凝器出液温度：冷凝器出液温度：t4C热力力计算算各制冷循各制冷循环点状点状态参数：参数：图5-241点：点：t1=t0C,p1=p0=0.377MPa,v13/Kg第四节、运动机构受力分析第四节、运动机构受力分析涡旋体受力涡旋体受力：气体力、惯性力、摩擦力：气体力、惯性力、摩擦力对压缩机影响对压缩机影响：强度、刚度、摩擦、磨损、热力性能：强度、刚度、摩擦、磨损、热力性能一、切向力及阻力矩一、切向力及阻力矩 1、 作用于涡旋体力作用于涡旋体力：切向力切向力Ft： 曲轴，沿旋转方向成矩曲轴，沿旋转方向成矩M Mt t径向力径向力F Fr r： 曲轴，沿旋转半径方向成矩曲轴，沿旋转半径方向成矩M Mr r轴向力轴向力F Fa a： 曲轴，沿轴方向成矩曲轴，沿轴方向成矩M Ma a2、切向力、切向力： 同理同理3、切向力矩和切向力矩和自转力矩自转力矩：1）切向力矩）切向力矩（饶o公公转）2）自）自转力矩力矩（绕o自自转，用防自转机构消除用防自转机构消除）4、径向力：、径向力：Fr()作用于曲轴销、键可忽略作用于曲轴销、键可忽略二、轴向力及其平衡二、轴向力及其平衡1、轴向力、轴向力：轴向力轴向力Fa作用于各月牙形工作腔，是作用于各月牙形工作腔，是的函数的函数在吸气腔在吸气腔：在其它腔在其它腔：S1由式由式5-9计算算2、轴向力平衡、轴向力平衡1）采用推力轴承，减少轴向摩擦，保证密封）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）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）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）在涡旋体背面加油压，补尝间隙三、倾覆力矩：三、倾覆力矩： 轴承上受压力轴承上受压力Fbt,Fbr与涡旋体上受力与涡旋体上受力Fr,Fa,Ft不平衡，产生力矩使涡旋体产生倾覆不平衡，产生力矩使涡旋体产生倾覆绕绕t轴轴绕绕r轴轴四、涡旋体旋转惯性力及力矩平衡四、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，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、动涡旋体惯性力的一次平衡1）动涡旋体质心位置）动涡旋体质心位置：将动涡旋体质量坐标质心，质心将动涡旋体质量坐标质心，质心m为座标为座标m(xm,ym)起始角，渐开线法端展角2）动涡旋体质量）动涡旋体质量： h高度s涡旋体投影面积 比重（密度）3）一次平衡质量）一次平衡质量mo平衡质量半径平衡质量半径 R1涡旋体质量半径涡旋体质量半径力矩平衡方程力矩平衡方程平衡质量平衡质量4）动旋转体惯性力）动旋转体惯性力a)平衡后动涡旋体总体质量：平衡后动涡旋体总体质量：b)动涡旋体总体旋转惯性力为：动涡旋体总体旋转惯性力为：m1-涡旋体质量涡旋体质量mo-一次平衡一次平衡质质量量m2-动涡动涡旋体底旋体底盘质盘质量量m3-动涡动涡旋体旋体轴轴承承质质量量F1-涡旋体离心力涡旋体离心力 Fo-一次平衡一次平衡离心力离心力 F2-动涡动涡旋体底旋体底盘盘离心力离心力 F3-动涡动涡旋体旋体轴轴承承离心力离心力 2、惯性力二次平衡、惯性力二次平衡设设：平衡后涡旋体总质量为平衡后涡旋体总质量为m，质心为，质心为R， 安装曲轴后，曲柄质量为安装曲轴后，曲柄质量为m4，半径为，半径为R方法方法：用两质量为：用两质量为mo和和mo进行平衡进行平衡各质量体产生惯性力为各质量体产生惯性力为惯性力平衡惯性力平衡：惯性力矩平衡惯性力矩平衡：上述公式联立即可求出平衡质量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第五节密封与防自转机构一、涡旋式压缩机的泄漏一、涡旋式压缩机的泄漏1.泄漏途径泄漏途径1.1）由轴向间隙产生径向泄漏）由轴向间隙产生径向泄漏2.2）由径向间隙产生周向泄漏）由径向间隙产生周向泄漏2.泄漏长度泄漏长度周相接触长度大，泄漏小周相接触长度大，泄漏小径相接触长度小，泄漏大径相接触长度小，泄漏大结论：结论：减少轴向间隙可有效减少径向泄漏减少轴向间隙可有效减少径向泄漏二、密封机构二、密封机构考虑因素考虑因素：可靠性高，补偿性强：可靠性高，补偿性强1、轴向密封机构、轴向密封机构：（密封轴向间隙）密封轴向间隙）1）接触式密封）接触式密封：方法：在涡旋体顶端面镶嵌密封材料方法：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，寿命短特点：结构简单，易加工，寿命短 2）非接触式密封）非接触式密封 a)油沟密封：油沟密封：在涡旋体顶端开油沟并延长用以润滑端面，在涡旋体顶端开油沟并延长用以润滑端面， 同时在涡旋同时在涡旋体的背面设背压腔，防止动静体脱开体的背面设背压腔，防止动静体脱开特点特点：密封性好，寿命长，可靠性好，加工工艺困难：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、轴向柔性密封机构方法方法：在涡旋体背面设置波形弹簧，：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。设柔性止推环，在涡旋体顶面开油沟。二、径向密封机构：二、径向密封机构：采取措施采取措施： 形成动静涡旋体系在一起形成密封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单圆曲柄径向密封机构2.o1曲柄圆转中心，曲柄圆转中心，o2涡旋体中心，涡旋体中心，3.o3曲柄柄体中心，曲柄柄体中心，4.依靠曲柄销依靠曲柄销9与轴承与轴承8间的轴承间隙间的轴承间隙45.控制动静涡旋体的接触情况。控制动静涡旋体的接触情况。2.偏心轴套式径向密封机构偏心轴套式径向密封机构3.o1曲轴中心；曲轴中心；o3曲柄中心；曲柄中心；4.o2涡旋体中心；涡旋体中心；R1曲轴回转半径曲轴回转半径5.R2涡旋体回转半径；涡旋体回转半径；滞后角滞后角6.6.旋转时旋转时变化变化R R2 2变化，从而使变化，从而使7.7.o o1 1o o2 2变化，间隙得到控制变化，间隙得到控制3.3.滑动衬套式机构滑动衬套式机构4.4.曲轴曲轴6 6内开槽，内有可滑动块内开槽，内有可滑动块2 2，5.5.由弹簧顶着，动涡旋体滑销由弹簧顶着，动涡旋体滑销2 2安装在安装在6.6.滑块滑块1 1内，弹簧内，弹簧5 5顶出顶出R R变化调节间隙变化调节间隙三、防自转机构三、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。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1.十字联接环十字联接环2. 结构结构：十字联接环上：十字联接环上DC3. 与机体槽连（可滑动）与机体槽连（可滑动）4. AB与动涡旋体连，与动涡旋体连，5. 原理：原理：使动涡旋体绕使动涡旋体绕o2转动转动6. 特点：特点：结构简单易磨损，结构简单易磨损，7. 加工困难加工困难2.球形联轴节球形联轴节3.结构：两几何形状相同孔板，结构：两几何形状相同孔板，4. 分别安在机体动涡旋体上，在孔分别安在机体动涡旋体上，在孔5. 板间设置钢球连接孔板板间设置钢球连接孔板6.原理：动涡旋体平动时，原理：动涡旋体平动时，7. 钢球可在孔内转动、钢球可在孔内转动、8.要求：平动半径为要求：平动半径为R时，时， 孔板孔为孔板孔为2R，钢球半径为钢球半径为R9.特点：结构简单，易加工，特点：结构简单，易加工， 可实现滚动支撑，减少磨损可实现滚动支撑，减少磨损3.圆柱销联轴节圆柱销联轴节 结构：结构：在机座上开孔板在机座上开孔板6， 动涡旋体上连轴销动涡旋体上连轴销3原理原理：当动涡旋体平动时，：当动涡旋体平动时， 销在孔内平动，半径销在孔内平动，半径R要求要求：销半径：销半径2R,孔径孔径4R特点：特点：受力好，结构简单，受力好，结构简单， 但无支撑作用但无支撑作用5-6、输气量调节一、变频调节一、变频调节1、调节性能、调节性能：容积效率：容积效率： 涡旋式涡旋式滚动转子式滚动转子式活塞式活塞式等熵效率：等熵效率： 涡旋式涡旋式滚动转子式滚动转子式活塞式活塞式2、噪声及振动、噪声及振动振动：涡旋式振动：涡旋式滚动转子式滚动转子式活塞式活塞式噪声：涡旋式噪声：涡旋式滚动转子式滚动转子式活塞式活塞式3、多机并联运行调节、多机并联运行调节例：多机并联据系统要求而控制开机数量，效率较例：多机并联据系统要求而控制开机数量，效率较高，高，二、设变量旁通阀二、设变量旁通阀原理：原理：启动：启动：运行运行：