第五章 螺杆式式制冷压缩机.ppt
第五章 螺杆式制冷压缩机 Screw Refrigeration Compressor,College of Power Engineering,Chongqing University,主要内容,基本结构和工作原理螺杆转子齿形及结构参数热力性能吸排气孔口和内容积比调节转子受力分析*开启式和封闭式螺杆式压缩机螺杆式压缩机装置系统单螺杆式压缩机螺杆式压缩机的噪声和振动,College of Power Engineering,Chongqing University,1937年，瑞典SRM公司研制成功了两类螺杆压缩机试验样机；1946年，英国 James Howden 公司获得螺杆压缩机生产许可证，欧美和日本的多家公司也陆续获得许可证，从事螺杆压缩机的生产和销售；1961年，喷油螺杆制冷压缩机研制成功；,螺杆式压缩机的发展历史,近年来通过对转子型线的不断改进 和专用转子加工设备的开发成功，螺杆压缩机的优越性得到了不断发挥。,College of Power Engineering,Chongqing University,螺杆式制冷压缩机简介,螺杆式制冷压缩机属于工作容积作回转运动的容积型压缩机；按照螺杆转子数量不同，分为双螺杆式(double screw compressor)与单螺杆式(single screw compressor)两种；螺杆式制冷压缩机无余隙容积，效率高，无吸、排气阀装置等易损件,目前已成为一种先进的制冷压缩机，其制冷和制热输入功率已发展到101000kW，研究开发和应用领域十分广泛，性能优化潜力很大。,College of Power Engineering,Chongqing University,第一节 基本结构和工作原理,College of Power Engineering,Chongqing University,1.1 基本结构,两个按一定传动比反向旋转又相互啮合的转子平行配置在呈“”字形的气缸中。气缸的左右有吸气端座和排气端座，一对转子就支承在左右端座的轴承上。转子之间及转子和气缸、端座间留有很小的间隙。吸气端座和气缸上部设有轴向和径向吸气孔口，排气端座和滑阀上分别设有轴向和径向排气孔口。,螺杆式制冷压缩机主要由转子、机壳（包括中部的气缸体和两端的吸、排气端座等）、轴承、轴封、平衡活塞及输气量调节装置组成。,College of Power Engineering,Chongqing University,1.2 主要零部件,College of Power Engineering,Chongqing University,1.2 主要零部件,为一对互相啮合的螺杆。阳转子为凸齿形，与电动机直接连接，称主动转子；阴转子为凹齿形，称从动转子。为使螺杆式制冷压缩机系列化、标准化、通用化，我国规定螺杆公称直径为63、80、100、125、160、200和315mm七种，长径比分为1.0 和1.5 两种。,转子：通常采用整体式结构（轴与螺杆一体）,College of Power Engineering,Chongqing University,转子(Rotor),College of Power Engineering,Chongqing University,1.2 主要零部件,一般为剖分式，由机体（气缸体）、吸气端座、排气端座及两端端盖组成；材料通常采用灰铸铁；机体内腔横断面为双圆相交的横8字形，与置于其内的两个啮合转子的外圆柱面相贴合。,机壳(Frame),College of Power Engineering,Chongqing University,1.2 主要零部件,轴承(Bearing),主轴承(滑动轴承)：用柱销安装固定在吸、排气端座内；用以支承阴、阳转子，并保证转子高速旋转。止推轴承（向心推力球轴承）：在排气侧阳、阴转子上各装有两只，以承受一定的轴内力；螺杆式制冷压缩机属高速重载。为了保证阴、阳转子的精确定位及平衡轴向力和径向力，必须选用高精度、高速、重载的轴承和相应的平衡机构，确保转子可靠运行。,College of Power Engineering,Chongqing University,1.2 主要零部件,平衡活塞(Balance piston),装在阳转子吸气端的主轴颈尾部上。由于结构差异，因吸、排气侧压力差所引起的作用在阳转子上的轴向合力比作用在阴转子上的轴向力大得多，故阳转子上除装设止推轴承外，还增设油压平衡活塞，以减轻阳转子对滑动轴承端面的负荷，减轻止推轴承所承受的轴向力。,College of Power Engineering,Chongqing University,1.2 主要零部件,由滑阀、油缸、油活塞、四通电磁换向阀、油管路等组成。活塞装在气缸壁下部两圆交汇处，改变滑阀位置，即可起调节制冷量的作用。,能量调节装置(Energy regulator),College of Power Engineering,Chongqing University,1.3 工作原理,依靠气缸中一对含有螺旋齿槽的转子相互啮合，造成由齿形空间组成的基元容积的变化，进行制冷剂气体压缩。,随着转子在机体内的旋转运动，工作容积由于齿的侵入或脱开不断发生变化，从而周期性地改变转子每对齿槽间的容积，达到吸气、压缩和排气的目的。,螺杆式压缩转子的齿相当于活塞，转子齿槽、机体内壁面和两端盖等共同构成工作容积，相当于气缸。机体两端设有成对角线布置的吸、排气孔口。,College of Power Engineering,Chongqing University,阴、阳转子中的一对齿面、机体内壁面和端盖形成“V”字型齿间容积(基元容积)；在螺杆式制冷压缩机的运转过程中（吸气气体在密封基元容积中被压缩气体由排气孔口排出），基元容积的大小随转子旋转而变化，其空间位置也不断移动；,基元容积,互相啮合的转子，在每个运动周期内，分别有若干相同的基元容积依次进行相同的工作过程。只需研究其中一个基元容积的整个工作循环，就能了解压缩机工作的全貌。,College of Power Engineering,Chongqing University,基元容积由最小向最大变化，它与径向和轴向吸气口相通，进行吸气过程；当基元容积达到最大并与吸气口隔开时，吸气结束，封闭过程开始；基元容积由最大逐渐变小，开始气体压缩过程；当基元容积开始与轴向和径向排气口接通时，进行排气过程,直到基元容积变零为止；,随着转子的连续运转，上述吸气、压缩、排气过程循环进行，各基元容积依次陆续工作，构成螺杆式压缩机的工作循环。,基元容积,College of Power Engineering,Chongqing University,吸气过程 转子旋转时，阳转子的一个齿连续脱离阴转子的一个齿槽，齿间容积逐渐扩大，并和吸气孔口连通，气体经吸气孔口进入齿间容积；齿间容积达到最大值时与吸气孔口断开，齿间容积封闭，吸气过程结束。此时阴、阳转子的齿间容积彼此并不连通。,工作过程,吸气孔口,College of Power Engineering,Chongqing University,工作过程,压缩过程 转子继续旋转，在阴、阳转子齿间容积连通之前，阳转子齿间容积中的气体受阴转子齿的侵入先行压缩；经某一转角后，阴、阳转子齿间容积连通，形成“V”字形齿间容积对(基元容积)，随两转子齿的互相挤入，基元容积被逐渐推移、缩小，实现气体的压缩过程；,College of Power Engineering,Chongqing University,工作过程,排气过程 压缩过程直到基元容积与排气孔口相连通时为止，此刻排气过程开始；转子旋转时基元容积不断缩小，将压缩后气体送到排气管，此过程一直延续到该容积最小时为止。,College of Power Engineering,Chongqing University,两转子转向相迎合的一面，气体受压缩，称高压力区；另一面转子彼此脱离，齿间基元容积吸入气体，称低压力区。高、低压力区由两个转子齿面间的接触线隔开；由于基元容积的气体随着转子旋转由吸气端向排气端作螺旋运动，故螺杆式压缩机的吸、排气孔口一般呈对角线方式布置。吸气孔口位于低压力区端部，排气孔口位于高压力区端部。,高压力区,低压力区,College of Power Engineering,Chongqing University,工作容积、气体压力与阳转子转角的关系,吸气过程：齿间容积在吸气端开始形成的瞬间为零。随着阳螺杆的旋转，螺杆另一螺旋槽连通，齿间容积随之扩大并与吸气孔相通而吸气，当阳螺杆转角超过1瞬间，齿间容积达到最大值Vl并与吸气孔口断开，吸气过程结束。压缩过程：螺杆继续旋转，此时主动转子的齿间基元容积和从动转子的齿间基元容积彼此孤立地向前推进，当阳螺杆螺旋槽与阴螺杆组成新的工作容积时，两个孤立的齿间基元容积相互沟通，随着两螺杆的啮合运动，基元容积从最大值Vl缩小至V2，且瞬间与排气口连通，压缩过程结束，排气开始。,排气过程：螺杆继续旋转，与排气口连通的基元容积继续缩小，当阳螺杆转角由2增至3时，基元容积由V2缩小至零，排气过程结束。阳螺杆转角再增至4时，组成基元容积的阳螺旋糟又在吸气端与吸气孔口相通，准备形成新的工作容积，于是下一工作周期开始。螺杆旋转一周，每一螺旋槽完成一个吸气、压缩与排气工作过程。,College of Power Engineering,Chongqing University,优点:与往复活塞式制冷压缩机相比，螺杆式制冷压缩机的转速较高（通常在3000r/min以上），又有质量轻、体积小，占地面积小等一系列优点，因而经济性较好；无往复质量惯性力，动力平衡性能好，基础可以很小；结构简单紧凑，易损件少，所以运行周期长，维修简单，使用可靠，有利于实现操作自动化；对进液不敏感，可采用喷油或喷液冷却，故在相同的压力比下，排气温度比往复活塞式制冷压缩机低得多，故单级压力比高；与离心式制冷压缩机相比，螺杆式制冷压缩机具有强制输气的特点。即输气量几乎不受排气压力的影响，在较宽的工况范围内，仍可保持较高的效率。,螺杆压缩机工作特点,就压缩气体原理而言，螺杆式制冷压缩机与往复式一样同属容积式压缩机；就运动形式而言，螺杆式制冷压缩机的转子与离心式一样作高速旋转运动。故螺杆式制冷压缩机兼有往复式与离心式的特点。,College of Power Engineering,Chongqing University,螺杆式压缩机可分为无油式和喷油式两种。无油螺杆压缩机本世纪30年代问世时主要用于压缩空气，50年代才用于制冷装置中。60年代出现了气缸内喷油的螺杆式制冷压缩机，使制冷机的性能大大改善，故螺杆式制冷压缩机绝大部分为喷油式。,喷油式螺杆压缩机,College of Power Engineering,Chongqing University,喷油式螺杆制冷压缩机的特点,优点降低排气温度，减少工质泄漏，提高密封效果；增强对零部件的润滑，提高零部件寿命；对声能和声波有吸收和阻尼作用，可以降低噪声；冲洗掉机械杂质，减少磨损。缺点 由于喷油量较大，螺杆装置中必须增设油处理设备，如油分离器、油冷却器、油过滤器、油压调节阀和油泵等，这将增大机组体积和复杂性。,College of Power Engineering,Chongqing University,缺点由于气体周期性地高速通过吸、排气孔口及通过缝隙泄漏，故噪声大，需采取消音或隔音措施；要求精度较高的螺旋状转子，需要专用设备和刀具加工；由于间隙密封和转子刚度等的限制，目前螺杆式制冷压缩机还不能像往复式压缩机那样达到较高的压缩终了压力；由于采用喷油方式，需配置相应的辅助设备，使机组的体积和质量加大；没有吸、排气阀，可能出现过压缩和欠压缩现象。,工作特点,College of Power Engineering,Chongqing University,螺杆压缩机的新发展,封闭式大容量机组开发 HFC制冷剂及天然工质应用 容量调节控制（输气量调节、内容积比调节）转子加工和检测技术 螺杆式冷水机组的技术发展（主要形式：水冷冷水机组、水水热泵、风冷冷水机组、风冷热泵等）,College of Power Engineering,Chongqing University,第二节 螺杆转子齿型及结构参数,College of Power Engineering,Chongqing University,型面,螺杆式制冷压缩机的转子齿面称为型面，为螺旋形空间曲面；两齿啮合，其型面的接触线为空间曲线。随着转子的旋转，接触线由吸入端向排出端推移，接触线是基元容积的活动边界，它把齿间容积分成为两个不同的压力区，起到隔离基元容积的作用。,College of Power Engineering,Chongqing University,型线,垂直于转子轴线的端部平面与型面相交而得的平面曲线称型线（齿形）；型线组成转子外廓的齿形，常用的型线都是二次曲线，如摆线、直线（蜕化的摆线）、圆弧、椭圆、抛物线和包络线等；转子型面的空间接触表现在端平面为型线接触，两型线的接触点称啮合点；同一时刻轴向型面接触点的集合是接触线，其在端平面上的投影为啮合线；在研究转子啮合时，可使空间的啮合问题简化为平面来讨论，即用平面的型线，啮合线代替处于空间的型面与接触线进行分析。,College of Power Engineering,Chongqing University,型线的种类,螺杆式压缩机按照齿形的型线分为对称圆弧型线和非对称圆弧型线两种。前者制造较简单，后者排量大、效率高。通常把齿顶中心线两边齿形完全相同的型线，称为对称型线；反之齿顶中心线两边齿形不同的型线称为非对称型线；只在转子节圆的内侧或外侧一边具有型线称单边型线；节圆内外均具有型线则称双边型线。,实际运用中常采用圆弧、摆线以及椭圆等多段特殊曲线组成螺杆式压缩机转子的各种型线。国产螺杆式制冷压缩机多采用单边不对称摆线圆弧型线。,College of Power Engineering,Chongqing University,齿形选择原则,齿形必须符合啮合原理，保证螺杆转子连续平稳地运转，并满足以下基本原则：具有充分大的转子齿间容积，其基元容积气密性好，效率高螺杆齿形在啮合过程中要求压缩、排出和吸入区之间的气密，称横向气密性，这可通过确保接触线连续来保证，在端平面上啮合线应是连续封闭曲线；螺杆齿形在啮合过程中应具有基元容积之间的气密性，称轴向气密性，这可通过啮合线顶点与两螺杆外圆周交点重合来保证；两转子应具有尽可能短的接触线长度，以保证最小的总间隙面积（转子实际接触线长度与间隙值乘积）。型面往往并不接触，而保证一定间隙；螺杆齿形应具有较大的面积利用系数，以提高输气量。转子有稳定的传动特性，热变形性能好，以及足够的强度、刚度和良好的加工工艺性能。,College of Power Engineering,Chongqing University,啮合原理,螺杆式制冷压缩机一对转子作旋转运动，类似于齿轮传动，要求此一对转子的角速度比恒定不变。根据齿轮传动理论，不论齿廓形状如何，齿轮传动的转数比维持不变，即齿数的反比；欲使每一瞬时的角速度比恒定不变，齿廓形状必须符合：不论在任何位置，经过齿廓接触点的公法线必须通过节点。对螺杆式压缩机，其端面型线必须符合啮合原理，即两转子在节点的线速度相等，其节圆作纯滚动。,College of Power Engineering,Chongqing University,泄漏原因 基元容积内的气体在压缩和排气过程中会发生泄漏，即较高压力基元容积内气体向较低压力基元容积或吸气压力区泄漏。泄漏途径气体沿转子外圆与机体内壁间的泄漏（A方向）；气体沿转子端面与端盖间的泄漏（B方向）；气体沿转子接触线方向的泄漏（C方向）。,气密性问题,气体泄漏方向,College of Power Engineering,Chongqing University,沿转子接触线方向的泄漏 轴向泄漏,H、M为机体内壁圆周交点，H、M为共扼型线啮合点（啮合顶点）。若啮合顶点H与机体内壁圆周交点H不重合，将会产生高压基元容积内气体向较低压力基元容积泄漏，其泄量面形状接近三角形，俗称泄漏三角形，由于它是沿转子轴线方向泄漏，又称轴向泄漏；实际M-M与啮合线交点处在吸气低压区，气体不会向高压侧倒流泄漏，一般不需啮合线交于M-M，此即齿形前段采用圆弧型线的原因；H-H是高压区，因此要求相交，防止高压气体倒流；采用单边不对称型线就是为了在高压区使啮合顶点H与机体内壁圆周交点H重合，减少轴向泄漏（即泄漏三角形泄漏），提高螺杆式压缩机的气密性。,图5-7 轴向泄漏与横向泄漏,College of Power Engineering,Chongqing University,若接触线在D点中断，则气体要从中断处D由高压基元容积向低压基元容积产生横向泄漏；避免横向泄漏的条件：型面接触线连续，或啮合线封闭。在转子实际啮合工作中，型面沿接触线存在一定的间隙值，它既是密封线，又是泄漏线。两转子间隙值一定，接触线越短，泄漏量越小。,沿转子接触线方向的泄漏 横向泄漏,图5-7 轴向泄漏与横向泄漏,College of Power Engineering,Chongqing University,典型齿型X 齿型,特点：齿高半径R 增大，中心距离B缩短。减薄阴转子齿厚，其齿厚约为常用非对称型线中阴转子齿厚的一半，增大了面积利用系数。阴转子齿形圆滑。减少齿形对气流的扰动阻力，降低动力 损失和噪声，用点生式摆线减小了泄漏三角形。效率高，但未突破非对称单边齿形范畴。,由瑞典Atlas公司提出。在圆弧摆线所组成的非对称单边型线基础上形成，齿数比4:6。,College of Power Engineering,Chongqing University,特点：齿数比采用5:6；阴阳转子的圆周速度比较接近，有利于提高机器效率；Sigma齿形型线离开节圆有一定距离，造成接触线处始终有速度差，有助于提高气密性；两转子之间中心距加大（B=D0）。,典型齿型Sigma齿形,德国Kaeser公司创造。,College of Power Engineering,Chongqing University,特点：充分重视了泄漏三角形面积大小对轴向泄漏的影响；面积利用系数大。,典型齿型CF齿形,德国GHH公司提出，具有X齿形和Sigma齿形的特点，齿形结构更合理。,College of Power Engineering,Chongqing University,结构参数,齿高系数（齿高系数大，则阴转子齿部变薄，齿的刚度下降。）式中 R-齿高半径；Rlj-阳转子节圆半径。面积利用系数 无量纲参量，表征转子端面充气的有效程度。同一输气量的机器，Cn大,充气程度大，压缩机外形相对缩小。Cn大小与转子几何参数有关，尤其转子齿数、齿形。Z1-阳转子齿数；aol、a02-阴阳转子齿间面积，m2；D0-转子名义直径（公称直径），m。,College of Power Engineering,Chongqing University,扭转角表示转子上的一个齿在转子两端端平面上投影的夹角，它表示转子上一个齿的扭曲程度；增大,使两转子间相啮合的接触线增大，引起泄漏量增加，同时较大的使转子的型面轴向力加大，尤其是封闭式小型螺杆式压缩机。但较大的可使吸、排气孔口开得大一些，减小了吸、排气损失；螺杆阳转子扭转角一般在270以上，属于大扭转角，所以当工作的阳转子一个齿槽在与吸气孔口隔开时，与其相啮合的阴转子的齿，在排气端尚未完全脱开这一齿槽，产生齿槽不能完全充气。,结构参数,College of Power Engineering,Chongqing University,扭角系数C 设阳转子一个齿槽实际充气容积为Vp01,理论充气容积为Vp01，则它们之比为扭角系数C。,结构参数,Vp01阳转子一个齿槽在啮合中为阴转子所侵占的容积。,College of Power Engineering,Chongqing University,长径比转子长度L与其公称直径D0(转子名义直径)之比。LD0当输气量不变时，降低，则转子公称直径D0变大，可提高转子刚度和强度，且轴向吸排气孔面积变大，减少吸排气孔口的气流流动损失，提高容积效率；增大，则转子直径D0变小，可减少气体力作用在转子螺旋面上产生的不平衡轴向力，以致可省去平衡活塞；一般值取l1.5之间，下限称短导程，上限称长导程，转子直径为63500mm之间，适用广阔的输气量使用范围。,结构参数,College of Power Engineering,Chongqing University,圆周速度,结构参数,正确选择阴阳转子外圆的圆周速度对压缩过程中泄漏量和动力损失有很大影响；圆周速度增大，动力损失上升，而泄漏值下降。,图5-18 最佳圆周速度范围,Click to edit company slogan.,Thank You!,
