第四章 渦旋式制冷壓縮機

CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第四章

渦旋式制冷壓縮機

ScrollRefrigerationCompressorCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第一節(jié)

工作原理、總體結構及特點第二節(jié)渦旋式壓縮機的嚙合原理與型線第三節(jié)結構第四節(jié)密封與防自轉機構第五節(jié)熱力過程第六節(jié)動力過程*第七節(jié)安全保護主要內(nèi)容CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第一節(jié)工作原理、總體結構及其特點一、工作原理二、總體結構三、特點四、發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity容積型（回轉式）壓縮機；由法國人發(fā)明，1905年在美國取得專利，1982年日本三電公司生產(chǎn)出汽車空調(diào)用渦旋式壓縮機；目前較新型的制冷壓縮機，廣泛用于5~70kW功率范圍。渦旋式壓縮機簡介CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity由動、靜渦旋體、曲軸、機座、防自轉機構組成；由動、靜兩個渦旋盤相錯180o對置而成，它們在幾條直線(在橫截面上為幾個點)上接觸并形成一系列月牙形容積（基元容積）；動渦旋盤由一個偏心距很小的曲柄軸驅動（圖4-15)，繞靜渦旋盤平動，兩者間的相對位置靠安裝在動渦旋盤與固定部件間的十字滑環(huán)保證。結構組成一、工作原理CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity動、靜渦旋體型線均為螺旋形，動渦旋體相對靜渦旋體偏心并相差180°對置安裝。它們軸向在幾條直線上接觸，在動靜渦旋體間形成一系列月牙形空間，即基元容積。動渦旋體以靜渦旋體中心為旋轉中心作無自轉回轉平動，外圈月牙形空間不斷向中心移動，基元容積不斷縮小?；莘eCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity工作原理靜渦旋體最外側開有吸氣孔，其頂部端面中心開有排氣孔。制冷劑氣體從吸氣孔進入動、靜渦旋體間最外圈的月牙形空間，隨著動渦旋體的運動，氣體被逐漸推向中心空間，其容積不斷縮小,壓力不斷升高，直至與中心排氣孔相通，高壓氣體被排出壓縮機。吸氣孔排氣孔CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity低壓氣體從機殼頂部吸氣管直接導入渦旋板四周，封在月牙形容積中，然后被壓縮；高壓氣體由靜渦旋體的中心排氣孔進入排氣腔，然后由排氣管排出;十字滑環(huán)是上、下兩面設置互相垂直的兩對凸鍵的圓環(huán)，其作用是防止動渦旋體傾斜和自轉。潤滑系統(tǒng)：壓差供油結構與工作過程CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity工作過程（圖4-3）動渦旋體中心靜渦旋體中心靜渦旋體動渦旋體動渦旋體中心位于靜渦旋體中心的右側，渦旋外圈部分剛好封閉，此時最外圈兩個月牙形空間充滿氣體，完成了吸氣過程。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity壓縮腔排氣孔隨著曲軸轉動，動渦旋體作回轉平動，動靜渦旋體保持良好嚙合，外圈兩個月牙形空間中的氣體不斷向中心推移，容積不斷縮小，壓力逐漸升高，進行壓縮過程。工作過程CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity當兩個月牙形空間匯合成一個中心腔室并與排氣孔相通時，壓縮過程結束，開始進入排氣過程，直至中心腔室的空間消失，排氣過程結束。工作過程排氣孔CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity工作過程說明渦旋圈數(shù)為3圈，曲軸旋轉3周(即曲軸轉角1080°)，渦旋體外圈分別開啟和閉合三次，完成3次吸氣過程、1次壓縮及排氣過程。即每當最外圈形成兩個封閉的月牙形空間并開始向中心推移成為內(nèi)工作腔時，另一個新的吸氣過程同時開始形成；不同的渦旋圈數(shù)，壓縮過程的轉角不同，渦旋圈數(shù)愈多轉角愈大;吸氣、壓縮、排氣等過程同時和相繼在不同的月牙形空間中進行。外側空間與吸氣口相通，始終進行吸氣過程，中心部位空間與排氣孔相通，始終進行排氣過程，中間月牙形空間一直進行壓縮過程。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity渦旋式壓縮機的特點吸、排氣連續(xù)進行，從吸氣開始至排氣結束需經(jīng)動渦旋體多次回轉平動才能完成,故轉矩較均衡，氣流脈動小，振動小，噪聲低；各月牙形空間之間壓差較小，故泄漏少；進排氣分別在渦旋外側和內(nèi)側，減輕了吸氣加熱；采用排氣冷卻電動機，減少了吸氣過熱度，提高了壓縮機效率；由于機殼內(nèi)為高壓排出氣體，排氣壓力脈動小，振動、噪聲?。挥嘞度莘e中氣體沒有向吸氣腔的膨脹過程，不需進氣閥，容積效率高，可靠性高。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第二節(jié)渦旋式壓縮機的嚙合原理與型線1.漸開線和漸開線方程當一直線BK沿半徑為rb的圓作純滾動時，該直線上任一點K的軌跡就是該圓的漸開線。（1）漸開線的形成其中圓為基圓，直線為發(fā)生線，r為基圓半徑發(fā)生線基圓基圓半徑rBKCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity圓的漸開線方程B發(fā)生線KO基圓漸開線Axyαβφ當一直線BK沿半徑為rb的圓作純滾動時，該直線上任一點K的軌跡就是該圓的漸開線。rα為漸開線初始角，β為漸開線展角，φ為漸開角。漸開線方程為：CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity2.渦旋的漸開線方程由于渦旋體有一定的壁厚，因此內(nèi)外壁是有不同初始角+α和-α的漸開線構成：內(nèi)壁：外壁：圓漸開線方程為：CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity基圓半徑漸開線起始角渦旋體壁厚渦旋體節(jié)距渦旋體高壓縮腔室對數(shù)渦旋圈數(shù)3.主要渦旋參數(shù)CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity目前僅有小型全封閉及開啟式兩種機型，采用氟利昂工質。主要用于汽車空調(diào)及家用及商用熱泵型空調(diào)器中。第三節(jié)結構CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1.立式全封閉型－機殼內(nèi)低壓1、吸氣冷卻：吸氣后直接冷卻電機。2、潤滑系統(tǒng)：油泵供油。通過偏心油道和曲軸上的徑向供油孔分配到潤滑部位。3、底部設有擋油板：防止壓縮機啟動時油起泡油霧大量進入壓縮室。4、機殼：低壓機殼。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity2.臥式全封閉型適用于高度受到限制的壓縮機。采用高壓機殼，排氣用于冷卻電機。采用擺線形轉子油壓泵供油裝有兩個排油抑制器，用以分離油霧。采用主、副軸承對主軸進行支撐。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity3.CO2渦旋式壓縮機設置了排氣閥，防止高壓氣體回流造成效率降低。采用球形聯(lián)接器防止動渦旋盤自轉并承受動渦旋體上的軸向力。采用徑向柔性機構調(diào)節(jié)兩渦旋盤間的間隙，確保密封。結構更加緊湊。4.噴氣增焓渦旋式壓縮機為了解決空調(diào)器在寒冷地區(qū)冬季制熱時制熱量的不足、效率低下、排氣溫度過高等問題而開發(fā)出來的一種技術。典型的噴氣增焓系統(tǒng)有兩種類型：經(jīng)濟器系統(tǒng)和閃發(fā)器系統(tǒng)。噴氣增焓，在排氣溫度不高的情況下，可以控制節(jié)流閥優(yōu)化經(jīng)濟器的換熱性能，獲得最大換熱量；在排氣溫度較高時，可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流裝置控制排氣溫度，保證可靠運行。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

效率高吸氣、壓縮、排氣連續(xù)單向進行，直接吸氣，因而吸入氣體的有害過熱?。粵]有余隙容積中氣體的膨脹過程，容積效率高（高達95％以上）；兩相鄰壓縮腔中的壓差小，氣體泄漏少；動渦旋體上所有接觸線轉動半徑小，運動速度低，摩擦損失?。粺o吸氣閥，也可不設置排氣閥，氣流的流動損失小；渦旋式壓縮機的效率比往復式約高l0％。渦旋式壓縮機特點CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

力矩變化小，振動小，噪聲低壓縮過程較慢，可同時進行兩三個壓縮過程，機器運轉平穩(wěn)，且曲軸轉動力矩變化小，其轉矩為滾動轉子式和往復式的1/10；氣體基本連續(xù)流動，吸、排氣壓力脈動小，因此振動、噪聲小。渦旋式壓縮機特點CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

結構簡單，體積小，重量輕，可靠性高構成壓縮室的零件數(shù)與滾動轉子式及往復式之比為1:3:7，其體積比往復式小40％，重量輕15％；沒有吸、排氣閥，易損件少；有軸向、徑向間隙可調(diào)的柔性機構，能避免液擊，可靠性高；由于采用氣體支承機構，故允許帶液壓縮，一旦壓縮腔內(nèi)壓力過高，可使動盤與靜盤端面脫離，壓力立即得到釋放。在高轉速下運行可保持高效率和高可靠性，其最高轉速可達13000r／min。

制造需高精度的加工設備、檢驗設備和精確的裝配技術，制造成本高于其他類型的壓縮機。

渦旋式壓縮機特點CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity渦旋式壓縮機的優(yōu)點CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity優(yōu)化結構，簡化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本渦旋體型線研究，提高密封性能，減少磨損

雙作用壓縮機：采用雙作用渦旋盤，動渦盤的兩面有完全對稱的型線，分別與兩側的靜渦旋盤型線嚙合。此結構兩側氣體力完全平衡，可減少軸向磨損和氣體泄漏。擴大應用范圍（低溫領域、新工質）計算機仿真優(yōu)化設計采用新材料、新機構，減少機械摩擦損失、氣體泄漏損失、傳熱損失和氣流阻力損失，提高渦旋壓縮機的工作效率和工作可靠性變?nèi)萘空{(diào)節(jié)新技術：數(shù)碼渦旋壓縮機發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第四節(jié)密封與防自轉機構CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity一、渦旋式壓縮機的泄漏泄漏途徑通過軸向間隙的徑向泄漏通過徑向間隙的周向泄漏軸泄漏長度徑向泄漏：

渦旋線長度周向泄漏：

渦旋體高度CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity二、密封機構1、軸向密封裝置（1）接觸式密封

在渦旋體的端面開渦旋槽，內(nèi)嵌密封元件。使渦旋體之間保持精密接觸。材料可使用熱壓塑料或工程樹脂條，也可使用層狀耐磨金屬。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity（2）非接觸式密封渦旋體端面開油溝。潤滑油通過供油孔充滿油溝和軸向間隙，形成油膜。不僅起到阻止動靜渦旋體接觸，也能起到密封的作用。該結構需要在動渦旋背面設置背壓腔，依靠背壓腔內(nèi)的氣體壓力防止動靜渦旋體脫離。油溝密封CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity（2）非接觸式密封軸向柔性密封機構（與油溝密封聯(lián)用）在動渦旋體背面裝止推環(huán)，下部安有波形彈簧，使動渦旋體具有一定的預緊力，并保持一定的軸向間隙。可避免設置背壓腔。2、徑向密封機構（1）單圓曲柄軸徑向密封機構依靠曲柄銷與軸承間的軸承間隙控制動靜渦旋體的接觸情況。當曲柄銷與軸承間的徑向間隙較小時，動渦旋體的活動余地小，徑向密封全部依靠動靜渦旋體間的裝配間隙保證，因動靜渦旋體不接觸，因此周向泄漏較大，但渦旋體間的摩擦??；當曲柄銷與軸承間的徑向間隙較大時，動渦旋體可在作用力下抵向靜渦旋體，形成接觸密封，阻止徑向泄漏，但渦旋體間的摩擦大。因此，這種密封機構存在選擇最佳曲柄銷軸承間隙的問題，即最佳曲柄銷軸承間隙可使動靜渦旋體處于部分接觸狀態(tài)，保證泄漏和摩擦不致很大。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity在結構中設置一個偏心輪，偏心輪通過其上的孔與主軸銷相連，偏心輪的外緣又與動渦旋盤的輪毅連接。O1為主軸中心，O2為主軸銷中心，O3為偏心輪與動渦旋盤質心，偏心輪在主軸銷的驅動下繞O2點運動，并帶動與之相連的動渦旋盤。在主軸最初轉動的瞬間，動渦旋盤上作用有慣性力Fx、Fy，產(chǎn)生合力Fg，將動渦旋推向靜渦旋的側壁，實現(xiàn)氣體的徑向密封。（2）偏心軸套式徑向密封CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity（3）滑動襯套機構

曲軸上端開有一長方形孔，中裝有滑動襯套。襯套中心的軸承孔與動渦旋體的軸銷配合。方孔內(nèi)的彈簧將襯套向外壓，以維持動靜渦旋的徑向接觸。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity三、防自轉機構十字連接環(huán)球形聯(lián)軸器圓柱銷聯(lián)軸器CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1.十字連接環(huán)

底面一對滑塊、機座上一對滑槽。十字聯(lián)結環(huán)限制了動渦旋體只能相對靜渦旋體作平動，而不能自轉。

缺點：對十字滑塊和十字滑槽的垂直度要求較高，并存在四對滑動摩擦副，摩擦力和磨損較大。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity2.球形聯(lián)軸器

由兩塊幾何形狀完全相同的孔板以一定的偏心距將鋼球卡在一起組合而成。固定孔板固定在機座上，可動孔板固定在動渦旋上。孔板之間的間隙填充鋼球。鋼球可在孔板內(nèi)轉動。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity3.圓柱銷聯(lián)軸器動渦旋體下部和機座上分別設置一系列對應的圓孔。圓柱銷上端插入動渦旋體的下部圓孔，下端插入機座上對應圓孔。起到防自轉功能。圓柱銷最少3個，一般為6個,使機構運動得更平穩(wěn)。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第五節(jié)熱力過程一、基本幾何關系與工作容積變化二、輸氣量三、內(nèi)壓縮四、排氣孔口流速五、功率六、性能系數(shù)七、熱力計算CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity將兩個相同渦旋參數(shù)的渦旋體中的一個旋轉180°，再平移回轉半徑R=0.5(P-2t)=r(-2)距離，使兩渦旋體相互相切接觸，可形成若干對月牙形空間，就是渦旋壓縮機的壓縮室容積。旋轉180o平移一、基本幾何關系與工作容積變化CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity圖4-23兩渦旋體構成的壓縮室投影面積圖4-23示出圈數(shù)為3.25時形成的三對月牙形面積,規(guī)定其構成的壓縮室由最內(nèi)向外排定序號為①②③室）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1.壓縮室容積（4-8）

當兩渦旋體構成的壓縮室大于3個，則除中心壓縮室以外，任一對壓縮室容積的通用計算式為(P.115)中心壓縮室容積為：（4-11）其中，A1為中心壓縮室的投影面積。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity當動渦旋體轉角θ＝0°時，最外圈壓縮室容積定義為吸氣容積。若渦旋式壓縮機有N對壓縮腔，吸氣容積計算式為：2.吸氣容積（4-12）（即吸氣容積按式（4-8）計算，式中的i=N,θ=0°）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

壓縮室容積V是動渦旋體轉角θ的函數(shù)θ=0°時第③室容積完全閉合；θ=2時第③室變?yōu)榈冖谑?，即V=V2(θ)=V3(θ=2)；當θ=θ*時第②室與第①室連通，開始排氣，此時的排氣容積V*=V1(θ*)+V2(θ*)，但V1(θ*)是第①室殘留氣體的容積，即渦旋式壓縮機的余隙容積，它沒有向吸氣腔的膨脹過程，不影響壓縮機的容積效率。3.壓縮室容積隨轉角變化曲線（圖4-28）V-θ曲線圖4-28CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

理論輸氣量qvt理論輸氣量為吸氣容積與壓縮機轉速的乘積（m3/h）

qvt

＝60nVs＝60nP(P-2t)(2N-1)h

實際輸氣量qva

容積效率ηv

定義與往復式相同（4-13）（4-14）（4-15）二、輸氣量CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity無余隙容積中氣體向吸氣腔的膨脹過程，容積系數(shù)v＝1（即渦旋式壓縮機的余隙對輸氣量無影響）；

無吸氣閥，吸氣為吞吸式，吸氣壓力損失小，壓力系數(shù)p＝1；

中心室與吸氣室通過中間壓縮室隔開，余隙中的高溫氣體不會回流到吸氣室加熱吸入氣體，加之轉速高，因此溫度系數(shù)λT

較高，近似有T

＝1；由于渦旋式壓縮機各圈壓縮空間的壓力差不大，因此泄漏量較小且為內(nèi)泄漏（泄漏量受軸向和徑向間隙大小影響，尤其軸向間隙影響較大），在密封完善時泄漏更小；其容積效率在0.95以上，這是其它容積式壓縮機不能與之相比的。渦旋式壓縮機的容積效率CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity內(nèi)泄漏

壓縮機各壓縮腔之間,壓縮腔與背壓腔之間的氣體泄漏。表現(xiàn)為高壓氣體向低壓腔泄漏,再從低壓腔壓力壓縮到泄漏前壓力,造成重復壓縮消耗功率。內(nèi)泄漏直接結果為增加功耗。外泄漏

壓縮機在吸氣過程中與外界(大于吸氣壓力的高壓氣體)進行氣體交換。高壓氣體進入到吸氣腔內(nèi)膨脹,并占據(jù)空間,使得實際吸氣量減少。外泄漏不僅使功耗增加,而且還減少吸入氣體量,使排氣量減少和制冷量降低。氣體泄漏的種類CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity0-1吸氣過程1-2吸氣閉合階段（敞開容積由大變小直至閉合）2-4壓縮過程4-5殘留氣體混合5-6排氣過程1.壓力（容積）隨轉角的變化曲線三、內(nèi)壓縮壓力-轉角曲線（P-θ）容積-轉角曲線（V-θ）圖4-29CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity容積比：指吸氣容積與任意轉角下的各壓縮室容積之比內(nèi)容積比：指吸氣容積與壓縮終了時的容積之比無排氣閥時的計算式：式（4-18）有排氣閥時的計算式：式（4-19）2.容積比與內(nèi)容積比（4-16）（4-17）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity3.壓力比與內(nèi)壓力比壓力比越高則渦旋圈數(shù)越多，渦旋體加工越困難，通常單級壓力比不超過8。壓力比：任意轉角時各壓縮室氣體壓力與吸氣壓力之比內(nèi)壓力比：壓縮終了壓力與吸氣壓力之比（4-20）（4-21）（4-22）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity4.排氣開始角θ*排氣開始角θ*是指轉角時壓縮機進入排氣階段。帶有排氣閥和不帶排氣閥時的θ*值不同。（4-23）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

設置排氣閥由于工藝過程要求制冷壓縮機適應變工況運轉，但定容積比的渦旋壓縮機不能適應變工況要求，因此需要設置排氣閥，以防止變工況時產(chǎn)生過壓縮或不足壓縮造成的附加損失。有排氣閥的排氣角大小取決于冷凝壓力（即排氣壓力）和氣閥彈簧力，可根據(jù)已知的內(nèi)容積比反算得出（4－19）。

內(nèi)容積比的調(diào)節(jié)四、排氣孔口的流速排氣口位于靜渦旋體中心，它的面積與漸開線起始角、渦旋體起始端線修正形狀、旋體高度等有關。排氣口流速應滿足式中V：與排氣孔口連通時壓縮室的容積，v：排氣孔流速。式中：曲軸的角速度，rad/sCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1.指示功的計算

由指示圖（4-31）可見，由于，造成等容壓縮過程或等容膨脹過程，產(chǎn)生附加損失。