滚动转子式制冷压缩机.ppt

CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 第三章滚动转子式制冷压缩机 RollingRotorCompressor 主要内容 一 工作过程和结构特点二 主要热力性能参数三 受力分析及主要结构参数四 振动和噪声五 摆动转子式制冷压缩机 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 第一节工作过程和结构特点 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 气缸滚动转子偏心轴滑片排气阀弹簧外壳等 一 概述 1 结构组成 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 转子沿气缸内壁滚动 与气缸间形成一个月牙形的工作腔 滑片靠弹簧的作用力使其端部与转子紧密接触 将月牙形工作腔分隔为两部分 滑片随转子的滚动沿滑片槽道作往复运动 端盖与气缸内壁 转子外壁 滑片及转子与气缸切线 点 构成封闭的气缸容积 即基元容积 基元容积随转子转角变化 是转子转角 的函数 容积内气体压力随基元容积大小而改变 从而完成压缩机的工作过程 基元容积 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 二 压缩机工作过程 几个特征角吸气孔口后边缘角 顺旋转方向 可构成吸气封闭容积 时吸气开始 大小影响吸气开始前吸气腔中的气体膨胀 造成过度低压或真空 吸气孔口前边缘角 造成在压缩过程开始前吸入的气体向吸气口回流 导致输气量下降 为减少 的不利影响 通常 30 35 排气孔口后边缘角 影响余隙容积的大小 通常 30 35 排气孔口前边缘角 构成排气封闭容积 造成气体再度压缩 排气开始角 开始排气时基元容积内气体压力略高于排气管中压力 以克服排气阀阻力顶开排气阀 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 工作容积与气体压力随转角 的变化 1 转角 从00转至 角 基元容积从零扩大 且不与任何孔相连 产生封闭容积 容积内气体膨胀 其压力低于吸气压力Ps0 当 从 时 基元容积与吸气孔相通 容积内压力恢复为PS0 压力曲线1 2 3 图3 4 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 2 转角 从 转成2 是吸气过程 时 吸气开始 2 时吸气结束 此时基元容积最大 为Vmax 容积随转角的变化线为a b 若不考虑吸气压力损失 则吸气压力线为水平线3 4 图3 4 工作容积与气体压力随转角 的变化 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 3 当转子开始第二转时 原来充满吸入蒸气的吸气腔变为压缩腔 但在 这个角度内 压缩腔与吸气腔相通 因而在转角 从2 转至2 时产生气体回流 吸气状态的气体回流入吸气口 损失的容积为 V 曲线b b 气体压力不变 图3 4 工作容积与气体压力随转角 的变化 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 4 转角 由2 转至2 时 是压缩过程 此时基元容积缩小 压力上升 直至达到排气压力pdk 对应的压力变化曲线5 6 容积曲线b c 图3 4 工作容积与气体压力随转角 的变化 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 5 转角 由2 转至4 时 是排气过程 排气结束时还有部分高温高压气体 其容积为Vc 该容积为余隙容积 压力为pdk 容积变化曲线为c d 压力变化为6 7 图3 4 工作容积与气体压力随转角 的变化 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 6 转角 由4 转至4 时 是余隙容积中的气体的膨胀过程 余隙容积中的高压气体膨胀至吸气压力Ps0 使其后吸入吸气腔的气体减少 而高压气体的膨胀功无法回收 压力变化为7 8 图3 4 工作容积与气体压力随转角 的变化 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 7 转角 由4 转至4 工作腔内压力急剧上升且超过排气压力pdk 图3 4 工作容积与气体压力随转角 的变化 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 工作过程 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 工作过程总结 气体的吸气 压缩 排气过程是在转子的两转中完成 但因转子切点与滑片两侧的两个腔同时进行吸气 压缩 排气的过程 因此 认为压缩机一个工作循环仍是在一转中完成的 特征角 对压缩机的性能有影响 和 角分别决定吸 排气封闭容积的大小 角直接影响排气量 它的存在使达最大基元面积 2 后 基元面积在与吸气孔口相连通的情况下再次缩小 2 2 产生吸气倒流 角表示余隙容积的大小 在结构设计可能的前提下 应尽可能小 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 主要结构形式 小型全封闭式卧式 主要用于冰箱 冷柜立式 主要用于空调器 三 主要结构形式及特点 卧式全封闭滚动转子式压缩机结构供油机构 靠吸油和排油二极管将油从底部吸入 通过供油管供油 排气消声器 由辅轴承和薄钢板组成的空腔组成 主轴承与机壳焊成一体 有利于减小气缸变形 立式全封闭滚动转子式压缩机结构吸气由机壳下部接管直接进入气缸 吸气管上装有气液分离器 润滑油经下部弯管小孔被吸入气缸 高压气体直接排入机壳中 外壳还装有过载保护器 内部无减振机构 润滑系统靠离心和压差供油 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 优点 结构简单 零部件几何形状简单 便于加工及流水线生产体积小 质量轻 与同工况往复式比较 体积 重量可减少40 50 易损件少 运转可靠 效率高 没有吸气阀 流动阻力小 且吸气过热小 在制冷量为3kW以下场合使用时尤为突出 缺点 只利用了气缸的月牙形空间 气缸容积利用率低 滑片作往复运动 依然是易损零件 存在不平衡的旋转质量 需要平衡质量来平衡 加工精度要求高 密封线较长 密封性能较差 泄漏损失较大 滚动转子式压缩机特点 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 四 发展状况 变频压缩机的发展采用变频调速技术进行能量调节 使制冷量与系统负荷协调变化 使机组在各种负荷条件下都具有较高能效比 具有节能 舒适 启动快速 温控精度高 易于实现自动控制等优点 图3 7由交流变频式电动机驱动曲轴旋转 依靠电源频率变化使电动机转速变化 达到连续调节制冷能力的目 双缸滚动转子式压缩机的发展双缸滚动转子式压缩机的两个气缸相差180 对称布置 可使负荷扭矩变化趋于平缓 广泛用于较大功率场合 图3 11 提高压缩机的经济性及可靠性借助计算机对压缩机工作过程进行性能仿真 对主要部件如轴承 滑片 滚动转子 排气阀等结构进行特性分析及噪声 振动的仿真 可对压缩机的经济性和可靠性 噪声和振动进行预测 对满足各种要求的滚动转子式压缩机进行优化设计 对降低噪声提出更高要求减少曲轴及轴承的振动 改进压缩机与机壳的连接系统 开发各种新型消声结构和排气阀等其他方面的发展环保制冷剂 低温领域 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 四 发展状况 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 第二节主要热力性能参数 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 一 气缸工作容积的变化规律 A点相当于连杆小头 OO1相当于曲柄连杆机构中的曲柄半径 O1点相当于曲柄销中心 O1A相当于连杆大小头中心距 e 1 滑片运动规律 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 2 气缸容积变化规律 转角在0 30o和330o 360o范围内Vs和Vd的转角的变化很小 变化大约只有气缸工作容积的0 5 可以看出 滚动转子压缩机的余隙容积很小 应使近排气口尽量接近气缸顶端 孔口宽度不能太大吸气口前边缘角及排气口后边缘角在30o 35o范围内对输气量的影响不明显 相对偏心距 越大 Vs R2L和Vd R2L值越大 说明气缸利用率越高 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 二 输气量及其影响因素 理论输气量 气缸工作容积与转速的乘积 实际输气量 容积效率表征气缸工作容积的利用程度 反映由于余隙容积 吸气阻力 吸气加热 气体泄漏和吸气回流造成的容积损失 其数值大于往复式压缩机 m3 h m3 h CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 影响输气量的因素 容积系数 v余隙容积的组成 转子与气缸的切点T达到4p g位置时 存有高压气体的气缸容积Vc排气阀下方排气孔的容积 排气孔入口处气缸被削去部分的容积 压力系数 p 表征吸气压力损失对输气量造成的影响 温度系数 T 反映由于吸入气体被加热造成输气量的减少 泄漏系数 f 表征气缸中气体泄漏对输气量造成的影响 回流系数 h 回流使输气量减少 压缩过程 压缩过程是在转子转至吸气口前边缘时开始 即在 2 时开始压缩的 容积与压力关系满足方程 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 其中 转角为 时的基元容积值V 压缩开始瞬时 2 的基元容积值V 转角为 时基元容积的气体压力值p 吸气压力ps0 压缩过程 对于转角 的气体压力为经运算可得 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 功率及效率 1 等熵功率等熵功率计算式为 单位为KW 吸气气体比焓hs0 kJ kg 排气气体比焓hdk kJ kg 实际质量输气量qma kg h 实际容积输气量qva m3 h 气气体比体积vs0 m3 kg CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 2 指示功率及指示效率pi单位为kW 表示为 指示功率及指示效率 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 机械效率 3 机械效率机械效率反映了机械摩擦损失的大小 机械效率高低只要取决于油和制冷剂的粘度及运动副的间隙值 难以用计算式表达 通常 中温全封闭滚动转子式压缩机 m 0 75 0 85 冰箱用滚动转子式 m 0 40 0 70 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 电动机效率及电效率 4 电动机效率 mo及电效率 el全封闭式滚动转子式压缩机电动机效率反映电动机的损失 即电动机转子的铁损 定子绕组的铜损和风损电动机效率及电效率和电动机的原始设计参数有关 也与电动机运行工况 冷却介质 安装结构有关 一般小冰箱 mo 0 65 商用制冷机的 mo 0 8 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 五 热力计算 试计算一台滚动式压缩机在高温工况下的制冷量 压缩机功率和COP值 1 主要结构参数气缸直径D 0 054m 气缸高度L 0 0293m 转子直径D2 0 04364m 相对余隙容积c 1 2 转速n 2980r min 2 制冷剂的选取使用R22 3 计算工况参考 GB T15765 2006房间空气调节器用全封闭型电动机 压缩机 的工况为蒸发温度7 2 冷凝温度54 4 吸气温度18 3 液体温度46 1 4 制冷循环各点参数 5 热力计算 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 第三节受力分析及主要结构参数 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 一 转子的受力分析 作用于AA 弧段和TT 弧段的气体力大小相等 方向相反 互相抵消 作用于A T 弧段上的气体压力是吸气腔压力 而作用于AT弧段的气体压力是压缩腔气体压力 大小不等 方向相反 其合力Fg从AT侧指向A T 侧 其作用结果是产生轴承负荷和使转子弯曲 1 气体力 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 2 阻力矩M Mg Mf 气体力的合力作用线不经过旋转中心O 而是通过转子的几何中心O 垂直于AT的连线 因此构成力矩Mg 其方向与压缩机旋转方向相反 为压缩机阻力矩的主要部分 另外 由于转子和气缸之间还存在着摩擦阻力 因此摩擦阻力对旋转中心O还存在着旋转摩擦力矩Mf 方向和旋转方向相反 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 3 飞轮矩滚动转子压缩机的驱动力矩Md是常量 但是因为阻力矩随转角在不断变化 因此在某时刻驱动力矩和阻力矩不相等 从而会使得曲轴产生角加速度a 并满足以下关系 Md M Ja J 旋转质量惯性矩 因此 为保证压缩机运行平稳 避免由曲轴角加速度带来的曲轴旋转速度不均匀引起的曲轴 机体和机壳的振动 就必须通过加大旋转质量惯性矩J来解决 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 4 旋转惯性力和力矩平衡 对于单缸机 滚动转子对旋转中心存在偏心距 因此转子旋转会产生旋转惯性力 可以采用添加平衡块的方法对其进行平衡 但是平衡质量也不能加在电动机转子的一侧 而是必须装在电动机转子的两侧 以保证消除不平衡力和不平衡力矩 对于双缸机 平衡块只需用于补偿两个偏心转子偏心质量的位置差异所产生的力矩 所以只需用很小质量的平衡块进行平衡 计算方法见式3 28 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 二 滑片的受力分析 滑片 吸气压力 排气压力 1 气体力 作用于滑片两侧的气体压力差使滑片承受弯曲载荷 产生变形 排气压力 吸气压力 滑槽腔背压 弹簧弹力 2 纵向作用力 包括滑片弹簧力 作用于滑片下端面气体力和滑片上与机壳相通产生的背压力 因为滑片的质量很小却滑片与转子之间充分润滑 因此滑片的惯性力 滑片与滑槽之间的往复摩擦力 滑片与转子间的切向摩擦力可以不考虑 滑片能正常工作的前提 弹簧力 吸气压力 排气压力 滑槽腔背压力 滑片 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 三 主要结构参数 滚动转子式压缩机的主要结构参数有 气缸直径D 气缸 或转子 的轴向长度L 转子偏心距e及相对气缸长度 L D 1 主要结构参数间的关系由式 3 5 可推出气缸直径D的表达式 2 相对偏心距 和相对气缸长度 对压缩机性能的影响相对偏心距和相对气缸长度对压缩机性能的影响主要表现在滚动转子和滑片受力的变化及压缩腔向吸气腔泄漏量的变化 相对偏心距影响气缸的有效利用率 可以从气缸容积V与气缸工作容积Vp之比B的表达式看出 即 越大 B值越小 即气缸有效利用率越高 也影响其体力的大小 说明偏心距大 则滑片的行程长 作用于滑片的气体力就增加 从 3 9 式知 作用于转子上的气体力却减少了 对应于大的 可以有较短的泄漏圆周长 减少轴向泄漏 三 主要结构参数 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 3 主要结构参数的选取滚动转子式压缩机系列化 主要零件通用化某些典型尺寸统一化考虑 和 数值应该在一定范围内选取 通常 0 11 0 16 0 25 1 0商用制冷设备 0 14 0 16压缩机使用工质和工况不同 零部件的制造和安装精度及所用材料和处理工艺不同 和 的选取差别很大 三 主要结构参数 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 三 主要结构参数 4 关于间隙主要间隙有 滚动转子与盖端间的端面间隙滚动转子与气缸间的径向间隙 滑片与端盖间的端面间隙 滑片与滑片槽间的侧面间隙 间隙值直接影响到泄漏量 摩擦功率与磨损 运动部件的振动和噪音等 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 第四节振动与噪声 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 一 振动源与噪声源 1 振动源全密封滚动转子压缩机的主轴承或气缸体和电动机的定子和全密封机壳刚性连接 使得曲轴扭矩变化引起的曲轴扭转振动成为振动源 并导致压缩机振动曲轴包括转子的旋转不平衡惯性力造成的轴振动 并直接导致压缩机振动压力脉动产生的激振力通过气缸 轴承和滚动转子作用于曲轴等部件 进一步导致机壳的振动 特别是2kHz以上的高频振动 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 2 噪声源电磁噪声制冷剂气流噪声机械噪声 主要表现形式是500Hz以下的低频噪声 主要由电磁力引起的定子和转子夹持机构的振动而产生 主要表现形式是1kHz以下的高频噪声 主要包括两部分 一部分由气流脉动导致的压缩机振动并带动机壳的振动而产生 另一部分由气体从排气阀排出时的流体噪声而产生 对整机的噪声影响小 主要是排气阀片与阀座和升程限制器之间的敲击声 滑片和滑片槽的敲击声以及滑片端部与滚动转子的敲击声 另外还有压缩机运动部件的相对滑动产生的摩擦噪声 频率 1 6 2kHz 一 振动源与噪声源 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 二 减振降噪措施 提高曲轴动力平衡性能 严格控制曲轴的旋转不均匀度 机壳的优化设计 消减气流压力脉动 降低电磁噪声 降低机械噪声 降低停机过程中的振动与噪声 有源噪声控制降噪方法 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 第五节摆动转子式制冷压缩机 一 概述 20世纪70年代 摆动转子式压缩机曾一度被采用 20世纪80年代 由于摆动转子式压缩机尺寸大 加工较为复杂而很少采用 20世纪90年代 随着替代HCFC的研究进一步深入 发现摆动转子式压缩机能承受较大的压力差 使用替代工质时 比滚动转子式有明显优势 又重新被重视 CollegeofPowerEngineering ChongqingUniversity 二 工作原理 滚动转子式压缩机中 滚动转子与滑块是两个独立的零件 滑块靠背部的作用力压在滚动转子上 在摆动转子压缩机中 滚动转子与滑板做成一体 是一个零件 称为