第4章涡旋式制冷压缩机

1、4.1 工作原理、工作过程及特点4.2 涡旋式压缩机的啮合原理与型线4.3 结构4.4 密封与防自转结构*4.5 热力过程4.6 动力过程4.7 安全保护主要内容第四章 涡旋式制冷压缩机涡旋式压缩机简介属容积型（回转式）压缩机；由法国人发明， 1905年在美国取得专利，1982年日本三电公司生产出汽车空调用涡旋式压缩机；为目前较新型的制冷压缩机，广泛用于570kW功率范围。4.1 工作原理、工作过程及其特点涡旋式制冷压缩机涡旋式制冷压缩机1.1.基本构成基本构成 涡旋式压缩机的结构如图所示。它由涡旋式压缩机的结构如图所示。它由运转涡旋盘运转涡旋盘（动（动盘）、盘）、固定涡旋盘固定涡旋盘（静盘）

2、、机体、防自转环、偏心轴等（静盘）、机体、防自转环、偏心轴等零部件组成。零部件组成。 动盘动盘1 1和静盘和静盘2 2的涡线呈渐开线形状，安装时使两者中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心线距离一个回转半径e e，相位差，相位差180180。这样，。这样，两盘啮合两盘啮合时，与端板配合形成一系列月牙形柱体工作容积。时，与端板配合形成一系列月牙形柱体工作容积。 图图4-11 4-11 涡旋式压缩机的结构涡旋式压缩机的结构1-1-动盘动盘 2-2-静盘静盘 3-3-机体机体 4-4-防自转环防自转环 5-5-偏心轴偏心轴 6-6-进气口进气口 7-7-排气口排气口涡旋盘实物涡旋

3、盘实物涡旋制冷压缩机涡旋制冷压缩机涡旋涡旋式式压压缩机缩机回转式：容积式压缩机的一种，通过一个或几个转子在气缸里回转式：容积式压缩机的一种，通过一个或几个转子在气缸里作回转运动使得工作容积发生周期性变化。与往复压缩机不同作回转运动使得工作容积发生周期性变化。与往复压缩机不同的是，回转压缩机的工作容积在周期性扩大和缩小的同时，其的是，回转压缩机的工作容积在周期性扩大和缩小的同时，其空间位置也在变更。空间位置也在变更。 3.13.1活塞式制冷压缩机的构造活塞式制冷压缩机的构造 Refrigeration Technique 张进制作3.13.1活塞式制冷压缩机的构造活塞式制冷压缩机的构造 Refr

4、igeration Technique 张进制作涡旋式制冷压缩机涡旋式制冷压缩机2.2.涡旋式制冷压缩机的工作原理涡旋式制冷压缩机的工作原理 涡旋压缩机的工作过程仅有进气、压缩、排气三个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。因而可以认为吸形封闭空间内，则一直处于压缩过程。

5、因而可以认为吸气和排气过程都是连续的。气和排气过程都是连续的。图图4-12 4-12 涡旋式压缩机工作原理示意图涡旋式压缩机工作原理示意图a a）0 0位置位置 b b）9090位置位置 c c）180180位置位置 d d）270270位置位置1-1-压缩室压缩室 2-2-进气口进气口 3-3-动盘动盘 4-4-静盘静盘 4-4-排气口排气口 6-6-吸气室吸气室 7-7-排气室排气室 8-8-压缩室压缩室涡旋压缩机在涡旋压缩机在主轴旋转一周主轴旋转一周的时间内，仅的时间内，仅有的进气、压有的进气、压缩、排气三个缩、排气三个工作过程是同工作过程是同时进行的，外时进行的，外侧空间与吸气侧空间与

6、吸气口相通，始终口相通，始终处于吸气过程，处于吸气过程，内侧空间与排内侧空间与排气口相通，始气口相通，始终处于排气过终处于排气过程。程。 过程模拟过程模拟涡旋盘涡旋盘整机整机图图4-13 4-13 涡旋式制冷压缩机涡旋式制冷压缩机结构总图结构总图1-1-曲轴曲轴 2 2、4-4-轴承轴承 3-3-密封密封 5 5、15-15-背压腔背压腔 6-6-防自转环防自转环 7-7-排排气管气管 8-8-吸气腔吸气腔 9-9-吸气管吸气管 10-10-排气口排气口 11-11-机壳机壳 12-12-排气排气腔腔 13-13-静盘静盘 14-14-动盘动盘 16-16-机机架架 17-17-电动机电动机

7、18-18-润滑油润滑油排气排气吸气吸气立式立式卧式卧式3.3.涡旋式制冷压缩机的特点涡旋式制冷压缩机的特点1 1）相邻两室的压差小，气体的泄漏量少。）相邻两室的压差小，气体的泄漏量少。2 2）由于吸气、压缩、排气过程是同时连续地进行，压）由于吸气、压缩、排气过程是同时连续地进行，压力上升速度较慢，因此转矩变化幅度小、振动小。力上升速度较慢，因此转矩变化幅度小、振动小。3 3）没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降的膨胀）没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降的膨胀过程。过程。4 4）无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低。）无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低。涡旋式制冷压缩机涡旋式制冷压

8、缩机5 5）由于采用气体支承机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔）由于采用气体支承机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔内压力过高，可使动盘与静盘端面脱离，压力立即得到释放。内压力过高，可使动盘与静盘端面脱离，压力立即得到释放。6 6）机壳内腔为排气室，减小了吸气预热，提高了压缩机的）机壳内腔为排气室，减小了吸气预热，提高了压缩机的输气系数。输气系数。7 7）涡线体型线加工精度非常高，必须采用专用的精密加工）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。设备。8 8）密封要求高，密封机构复杂）密封要求高，密封机构复杂。涡旋式制冷压缩机涡旋式制冷压缩机结构组成由动、静涡旋体、曲轴、机座、防自转机构

9、组成；由动、静两个涡旋盘相错180对置而成，它们在几条直线(在横截面上为几个点)上接触并形成一系列月牙形容积（基元容积）；动涡旋盘由一个偏心距很小的曲柄轴驱动，绕静涡旋盘平动，两者间的相对位置靠安装在动涡旋盘与固定部件间的十字滑环保证。一、工作原理基元容积动、静涡旋体型线均为螺旋形，动涡旋体相对静涡旋体偏心并相差180对置安装。它们轴向在几条直线上接触，在动静涡旋体间形成一系列月牙形空间，即基元容积。动涡旋体以静涡旋体中心为旋转中心作无自转回转平动，外圈月牙形空间不断向中心移动，基元容积不断缩小。工作原理静涡旋体最外侧开有吸气孔，其顶部端面中心开有排气孔。制冷剂气体从吸气孔进入动、静涡旋体间最

10、外圈的月牙形空间，随着动涡旋体的运动，气体被逐渐推向中心空间，其容积不断缩小压力不断升高，直至与中心排气孔相通，高压气体被排出压缩机。结构与工作过程低压气体从机壳顶部吸气管1直接导入涡旋板四周，封在月牙形容积中，然后被压缩；高压气体由静涡旋体5的中心排气孔2进入排气腔4，并通过排气通道6被导入机壳下部去冷却电动机11，与润滑油分离后由排气管19排出；十字滑环18是上、下两面设置互相垂直的两对凸键的圆环，其作用是防止动涡旋体倾斜和自转。背压腔8的作用是平衡轴向力和力矩；润滑系统：压差供油工作过程（图5-2）动涡旋体静涡旋体动涡旋体中心静涡旋体中心动涡旋体中心位于静涡旋体中心的右侧，涡旋外圈部分刚

11、好封闭，此时最外圈两个月牙形空间充满气体，完成了吸气过程。工作过程压缩腔排气孔随着曲轴转动，动涡旋体作回转平动，动静涡旋体保持良好啮合，外圈两个月牙形空间中的气体不断向中心推移，容积不断缩小，压力逐渐升高，进行压缩过程。工作过程排气孔当两个月牙形空间汇合成一个中心腔室并与排气孔相通时，压缩过程结束，开始进入排气过程，直至中心腔室的空间消失，排气过程结束。工作过程说明涡旋圈数为3圈，曲轴旋转3周(即曲轴转角1080)，涡旋体外圈分别开启和闭合三次，完成3次吸气过程、1次压缩及排气过程。即每当最外圈形成两个封闭的月牙形空间并开始向中心推移成为内工作腔时，另一个新的吸气过程同时开始形成；不同的涡旋圈

12、数，压缩过程的转角不同，涡旋圈数愈多转角愈大；吸气、压缩、排气等过程同时和相继在不同的月牙形空间中进行。外侧空间与吸气口相通，始终进行吸气过程，中心部位空间与排气孔相通，始终进行排气过程，中间月牙形空间一直进行压缩过程。工作过程特征吸、排气连续进行，从吸气开始至排气结束需经动涡旋体多次回转平动才能完成,故转矩较均衡，气流脉动小，振动小，噪声低；各月牙形空间之间压差较小，故泄漏少；进排气分别在涡旋外侧和内侧，减轻了吸气加热；采用排气冷却电动机，减少了吸气过热度，提高了压缩机效率；由于机壳内为高压排出气体，排气压力脉动小，振动、噪声小；余隙容积中气体没有向吸气腔的膨胀过程，不需进气阀，容积效率高，

13、可靠性高。由于吸气、压缩、排气过程是同时连续地进行，压力上升速度较慢，故转矩变化幅度小、振动小；没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降的膨胀过程；无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低；由于采用气体支承机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔内压力过高，可使动盘与静盘端面脱离，压力立即得到释放；机壳内腔为排气室，减少了吸气预热，提高了输气系数；涡线体型线加工精度高，必须采用专用的精密加工设备；密封要求高，密封机构复杂。相邻两室的压差小，气体的泄漏量少；二、特点效率高吸气、压缩、排气连续单向进行，直接吸气，因而吸入气体的有害过热小；没有余隙容积中气体的膨胀过程，容积效率高（高达95以上）；两相邻压缩腔中

14、的压差小，气体泄漏少；动涡旋体上所有接触线转动半径小，运动速度低，摩擦损失小；无吸气阀，也可不设置排气阀，气流的流动损失小；涡旋式压缩机的效率比往复式约高l0。力矩变化小，振动小，噪声低压缩过程较慢，并可同时进行两三个压缩过程，机器运转平稳，且曲轴转动力矩变化小，其转矩为滚动转子式和往复式的1/10；气体基本连续流动，吸、排气压力脉动小，因此振动、噪声小。结构简单，体积小，重量轻，可靠性高构成压缩室的零件数与滚动转子式及往复式之比为1:3:7，其体积比往复式小40，重量轻15；没有吸、排气阀，易损件少；有轴向、径向间隙可调的柔性机构，能避免液击，可靠性高；在高转速下运行可保持高效率和高可靠性，

15、其最高转速可达13000rmin。制造需高精度的加工设备及精确的调心装配技术，限制了其制造及应用。涡旋式压缩机的优点压缩室由一对扭矩变化小振动小、噪声低涡旋盘组成同时对称地形反复冲击部分效率高成几个压缩室不需要吸气少零部件数量少阀、排气阀可靠性高体积小重量轻回转半径很小只有几毫米没有余隙容积相对滑动速度低内部泄漏、通道损失少、容积效率高优化结构，简化生产工艺，降低生产成本涡旋体型线研究，提高密封性能，减少磨损双作用压缩机：采用双作用涡旋盘，动涡盘的两面有完全对称的型线，分别与两侧的静涡旋盘型线啮合。此结构两侧气体力完全平衡，可减少轴向磨损和气体泄漏。扩大应用范围（低温领域、新工质）计算机仿真优

16、化设计采用新材料、新机构，减少机械摩擦损失、气体泄漏损失、传热损失和气流阻力损失，提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性。变容量调节新技术：数码涡旋压缩机三、发展趋势及研究现状密封与防自转机构h涡旋体型线：圆的渐开线压缩腔室对数涡旋圈数一、涡旋体型线主要涡旋参数：基圆半径 r渐开线起始角 涡旋体壁厚 t = 2r涡旋体节距 p = 2r涡旋体高Nm = N + 1 / 44.5 热力过程分析二、压缩室容积及吸气容积将两个相同涡旋参数的涡旋体中的一个旋转180，再平移回转半径R=0.5(P-2t)=r(-2 )距离，使两涡旋体相互相切接触，可形成若干对月牙形空间，此即涡旋压缩机的压缩室容积。图5-

17、15示出圈数为3.25时形成的三对月牙形面积, 规定其构成的压缩室由最内向外排定序号为室）图5-15 两涡旋体构成的压缩室投影面积1 、压缩室容积当两涡旋体构成的压缩室大于3个，则除中心压缩室以外，任一对压缩室容积的通用计算式为：（5-8）（5-11）Vi = P( P 2t )(2i 1 / )h中心压缩室容积为：V 1 = S1h其中，S1为中心压缩室的投影面积。2、吸气容积当动涡旋体转角0时，最外圈压缩室容积定义为吸气容积。若涡旋式压缩机有N对压缩腔，吸气容积计算式为：（5-12）Vi = P( P 2t )(2 N 1)h（即吸气容积按式（5-8）计算，式中的i=N,=0）3、压缩室容

18、积随转角变化曲线（图5-20）压缩室容积V是动涡旋体转角的函数：=0时第室容积完全闭合；=2时第室变为第室，即V=V2()=V3(=2)；当=*时第室与第室连通，开始排气，此时的排气容积V*=V1(*)+V2(*)，但V1(*)是第室残留气体的容积，即涡旋式压缩机的余隙容积，它没有向吸气腔的膨胀过程，不影响压缩机的容积效率。V曲线qvt 60nVs60n P(P-2t)(2N-1)h理论输气量qvt定义与往复式相同三、输气量理论输气量为吸气容积与压缩机转速的乘积（m3/h）（5-13）实际输气量qvaqva = vqvt （5-14）容积效率vv = vptl（5-15）无余隙容积中气体向吸气

19、腔的膨胀过程，容积系数v1（即涡旋式压缩机的余隙对输气量无影响）；无吸气阀，吸气为吞吸式，吸气压力损失小，压力系数p 1；中心室与吸气室通过中间压缩室隔开，余隙中的高温气体不会回流到吸气室加热吸入气体，加之转速高，因此温度系数T较高，近似有T 1；由于涡旋式压缩机各圈压缩空间的压力差不大，因此泄漏量较小且为内泄漏（泄漏量受轴向和径向间隙大小影响，尤其轴向间隙影响较大），在密封完善时泄漏更小；其容积效率在0.95以上，这是其它容积式压缩机不能与之相比的。涡旋式压缩机的容积效率气体泄漏的种类内泄漏指压缩机各压缩腔之间,压缩腔与背压腔之间的气体泄漏。表现为高压气体向低压腔泄漏,再从低压腔压力压缩到泄

20、漏前压力,造成重复压缩消耗功率。内泄漏直接结果为增加功耗；外泄漏指压缩机在吸气过程中与外界(大于吸气压力的高压气体)进行气体交换。高压气体进入到吸气腔内膨胀,并占据空间,使得实际吸气量减少。外泄漏不仅使功耗增加,而且还减少吸入气体量,使排气量减少和制冷量降低。0-11-2吸气过程吸气闭合阶段（敞开容积由大变小直至闭合）2-44-55-6压缩过程残留气体混合排气过程压力-转角曲线（P-）容积-转角曲线（V-）四、内压缩图5-21 压力转角曲线及容积转角曲线1、压力（容积）随转角的变化曲线2、容积比与内容积比容积比：指吸气容积与任意转角下的各压缩室容积之比（5-16）内容积比：指吸气容积与压缩终了

21、时的容积之比无排气阀时的计算式：式（5-18）有排气阀时的计算式：式（5-19）（5-17）3、压力比与内压力比压力比：任意转角时各压缩室气体压力与吸气压力之比压力比与容积比的关系：（5-20）内压力比：压缩终了压力与吸气压力之比内压力比与内容积比的关系：（5-21）（5-22）压力比越高则涡旋圈数越多，涡旋体加工越困难，通常单级压力比不超过8。过压缩图2-2a 发生过压缩时的P-V图当压缩终了时汽缸中的压力Pcyc 大于制冷系统中排气压力 Pdk ，此时压缩机的内压力比 i 大于系统运行中的压力比 = P dk / P s 0，即 i ，此时压缩机中压缩过程发生过压缩，产生等容膨胀额外功耗。

22、图2-2b 发生欠压缩时的P-V图当压缩终了时汽缸中的压力Pcyc 小于制冷系统中排气压力 Pdk ，此时压缩机的内压力比 i 小于系统运行中的压力比 = P dk / P s 0，即 i ，此时压缩机中压缩过程发生欠压缩，产生等容压缩额外功耗。欠压缩4、排气开始角时压缩机排气开始角*是指转角进入排气阶段。= *带有排气阀和不带排气阀时的*值不同。（5-23）设置排气阀由于工艺过程要求制冷压缩机适应变工况运转，但定容积比的涡旋压缩机不能适应变工况要求，因此需要设置排气阀，以防止变工况时产生过压缩或不足压缩造成的附加损失。有排气阀的排气角大小取决于冷凝压力（即排气压力）和气阀弹簧力，即可根据已知

23、的内容积比反算得出。内容积比的调节六、涡旋式压缩机的功率1、指示功的计算由指示图可见，由于 P( *) Pdk ，造成等容压缩过程或等容膨胀过程，产生附加损失。KJ/kg （5-28）式中：Wi：指示功；W：压缩内功；W：附加损失功；Wp：多变压缩功；Wr：内部损失功。2、指示功率及轴功率容积效率等熵效率5-41以60Hz时涡旋式压缩机的效率为100%进行比较三种压缩机的容积效率开始都随频率增加而上升。因为频率增加则转速增加，使泄漏减少；但当频率超过80Hz以后，往复式的容积效率开始下降，而涡旋式和滚动转子式的容积效率依然上升，这与其循环周期长和无吸气阀有关。这两者适用于转速在宽广范围内变化场

24、合。等熵效率在频率50-60Hz时为最高，低于或高于此频率范围等熵效率均降低，主要因为高速时摩擦损失增大，低速时泄漏加剧。变频压缩机工作效率比较变转速调节特性4.6 动力过程5-42变频压缩机振动噪声比较变转速调节特性以60Hz时涡旋式压缩机的振动加速度比和声压级比为100%。随频率的增加，涡旋式压缩机的振动与噪声水平均增加，但在任何频率下涡旋式压缩机的振动和噪声都比活塞式及滚动转子式低，这是因为涡旋式压缩机的压缩过程长，转矩变化非常平缓，且通过惯性力的二次平衡其动力平衡性能很好。与相同制冷量的一台压缩机相比，在较宽的制冷量范围内有较高的COP值。二、多机并联运行调节一个机壳中装有两台输气量不

25、同的立式涡旋式压缩机，其中一台由变频器驱动，另一台直接由电网供电；每台可彼此独立运行也可并联运行，其运行状态取决于空调器负荷，由微机控制；与具有单独机壳的双机并联系统相比，具有高效、可靠及成本低的优点；5-43三、变容量旁通调节汽车空调中常用通过活塞式控制阀6控制回流气体调节孔9的开启度，以控制吸入气体的回流量，从而实现输汽量调节。原理：通过吸气回流旁通输气量。5-45对比：变排量斜盘式压缩机的能量调节调节原理依靠改变压缩机排量实现车室内温度调节，以适应空调负荷变化要求。调节过程通过控制阀调节吸气压力和压缩机机体内压力差值，从而改变斜盘角度，进而达到改变活塞行程，实现排量变化，变化范围1015

26、6cm3/r。优点消除了离合器吸合脱开动作引起的发动机转速波动，防止发动机熄火；减少了空调系统温度波动，大大改善舒适性；功率消耗最大可减少25%。在一定的转速范围内，制冷量可根据空调工况要求保持不变(曲线)，可满足汽车空调中车速增加而冷负荷变化小的要求。在转速20005600r/min的调节区域，功率消耗约降低20%(曲线)，且吸气压力稳定(曲线)，排气压力低于定容量压缩机的排气压力(曲线)。变容量旁通调节变容量旁通调节的优点车内温度可保持稳定，空调舒适性好；无断续负荷产生的不可预料加减速，提高了驾驶性能；调节时压力条件得到缓和，提高了压缩机使用寿命；功率消耗降低，可减少燃料及费用。数码涡旋：

27、压缩机变容量调节新技术又称数码控制变容量涡旋压缩机；基于谷轮“柔性”设计专利， 10%-100%连续可调；利用变容量控制原理，通过压缩机的动、静涡旋盘离合来控制系统制冷剂流量，从而达到控制系统能量输出，系统更节能、可靠。数码涡旋压缩机（Digital scroll compressor）数码涡旋压缩机顶部有一个PWM （Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调节阀）数码容量调节电磁阀， 它通过压力控制压缩机动、静涡旋盘的离合来实现卸载或负载。数码涡旋压缩机的工作原理电磁阀打开时，定涡旋盘向上移动，压缩机容量为零，无制冷剂流量通过，此过程称“卸载状态”；卸载状态电磁阀闭合，定涡旋

28、盘恢复原位啮合，此即普通涡旋压缩机运行时状态，压缩机容量为100，制冷剂全部通过压缩机，此过程称“负载状态”。负载状态数码涡旋压缩机的优势1、容量调节广，温度调节迅速（1）变频压缩机的调节范围在50%-130%，数码涡旋压缩机是在10%-100%。（2）变频压缩机的容量输出是通过变频器分级达到，而数码涡旋通过负载和卸载时间的改变获得，容量能迅速从100%转换至10%（反之亦然），不需分步实现，属于连续和无级的调节。（3）变频压缩机必须通过中间频率，从低频到高频或反之的转换过程中存在时间的滞后量，当系统内的负荷突然发生变化时，变频系统无法立即响应负荷的变动，使得室温的波动较大，而数码涡旋技术的无

29、级调节和宽广的调节范围确保了室内空气温度的精确控制。2、电控系统简单，系统的可靠性好变频控制系统容量调节范围较窄，所以在变频调节的同时一般采用热气旁通和液体旁通的方法来共同响应负荷的变化。数码涡旋压缩机调节范围广，不需任何一种能量旁通手段，因而减少了该部分的控制系统，同时其容量调节方法是通过机械活动达到，亦少了变频器及变频控制中复杂的电控部分，所以其电控系统简易，增加了系统的可靠性，节省了成本。3、具有良好的回油特性和安装灵活性变频VRV系统在低频时，制冷剂流速较低，回油困难，系统一般设计有油分离器和回油循环。数码涡旋压缩机由于在卸载期间没有排出制冷剂，也就不存在回油的问题，而在负载时压缩机是满负荷运行，这时气流的速度足以令润滑油较充分地流回压缩机，所以数码涡旋系统在任一容量输出时回油均良好，是目前唯一不需油分离器或/和回油循环的系统，相应的控制系统也简洁。数码涡旋压缩机的优势4、制冷系统简单，维护方便定速空调系统和变频空调系统大多设计有热气旁通和液体旁通装置，而数码涡旋系统因能使容量最低