1、机械工业出版社机械工业出版社第三版第三版第五章第五章 螺杆式制冷压缩机螺杆式制冷压缩机5.1基本结构和工作基本结构和工作原理原理 5.2螺杆转子齿形及结构螺杆转子齿形及结构参数参数 5.3热力性能热力性能5.4吸排气孔口和内容积吸排气孔口和内容积比调节比调节5.5转子受力转子受力分析分析 5.6开启式和封闭式螺杆式压缩机开启式和封闭式螺杆式压缩机结构结构 5.7螺杆式压缩机装置螺杆式压缩机装置系统系统 5.8单螺杆式单螺杆式压缩机压缩机 5.9螺杆式压缩机的噪声螺杆式压缩机的噪声和振动和振动基本结构和工作原理 5.1.1螺杆式制冷压缩机组 在制冷循环中,作为循环四大部件之一的螺杆式压缩机往往以
2、机组形式出现。由于螺杆式制冷压缩机以喷射大量的油来保持其良好的性能,因此,在机组中除主机-螺杆式压缩机外,往往还有辅机-油分离器、油过滤器、油泵、油冷却器、油分配管等。随着螺杆式压缩机向小型化封闭式发展,这些辅机有的不断地被简化或省略。螺杆式制冷机组的制冷剂循环过程如图5-1所示。图5-1螺杆式制冷机组的制冷剂循环过程基本结构和工作原理 5.1.2螺杆式制冷压缩机基本结构 螺杆式制冷压缩机组由螺杆式压缩机、电动机、联轴器、气路系统(包括吸气止回式截止阀和吸气过滤器)、油路系统(包括油分离器、油冷却器、油过滤器、油泵、油压调节阀和油分配管路等)、控制系统(包括操作仪表箱、控制器箱、电控柜等)和设
3、备、系统间的连接管路等组成。用户按各自需要配备冷凝器、蒸发器等设备。由于螺杆式制冷压缩机的阴阳转子之间、转子与壳体之间靠间隙密封,故在运行中向压缩机工作腔喷入一定量的润滑油(为容积排量的0.6%13%,理论排量越大的螺杆式压缩机这个比例越小),以达到润滑、密封、提高压缩机工作效率、降低排气温度和噪声等目的,为此需要一套高效、可靠的油分离器、油冷却器、油过滤器、油泵等设备。双螺杆式制冷压缩机由机体(气缸体)、一对阴阳转子、吸排气端座、排气活塞、能量调节机构、轴承、联轴器等零部件组成。典型的半封闭螺杆压缩机结构如图5-2a所示,吸气吸入机壳内,经过吸气过滤网,冷却电动机,然后进入吸气腔。基本结构和
4、工作原理 在气缸体的内部,平行配置着两个螺旋形阴阳转子。其中具有凸齿的转子称为阳转子,与电动机相连,功率由此端输入,因此又称为主动转子;具有凹齿的转子称为阴转子,又称从动转子。两转子按一定的传动比(阳转子与阴转子的齿数一般为4 6)反向转动。在主动转子和从动转子的两端部,分别装有主轴承(滑动轴承),用来承受径向力。在排气端装有一对推力圆柱滚子轴承,用于承受轴向推力。主动转子的吸气端还装有平衡活塞,用来减轻由于排气侧和吸气侧之间的压力差所引起的轴向推力,从而减轻推力圆柱滚子轴承所承受的轴向力。气缸体的前后设有吸排气端座。吸气孔口开在吸气端座的上方,排气孔口开在排气端座的下方,制冷剂按对角线方向流
5、动。阳转子伸出端的端盖处设置有摩擦环式轴封装置,以防制冷剂的外泄或外界空气漏入系统。在转子底部装有输气量调节机构滑阀,通过油缸、活塞、传动杆,使滑阀能够轴向移动,在滑阀上还开有向气缸内喷油的喷油孔。压缩后气体进入排气腔,经过油过滤器后经过排气管排出机壳。螺杆式压缩机同往复式压缩机相比较时,由于它没有吸、排气阀,故其p-V图还可能出现过压缩现象和欠压缩现象。基本结构和工作原理 图5-2半封闭螺杆压缩机 a)结构图b)实物图1油分离器2排气管3排气端盖4排气连接法兰5容量活塞组件6容量滑块组件7容量电磁阀 8接线盒9电动机10进气过滤器11进气连接法兰12电动机转子固定挡块13阳转子电动机端间隙环
6、 14吸气端轴承15加热器16阳转子17排气端轴承18轴承螺母19滤网20吸气组件 21接线端子22排气组件23油分离器外壳24除雾器25油过滤器26副螺杆 27主螺杆28定子29转子30机体31端盖基本结构和工作原理 5.1.3工作原理 螺杆式(即双螺杆)制冷压缩机转子的齿相当于活塞,转子的齿槽、机体的内壁面和两端端盖等共同构成的工作容积,相当于活塞式压缩机的气缸。机体的两端设有呈对角线布置的吸、排气孔口。随着转子在机体内的旋转运动,使工作容积由于齿的侵入或脱开而不断发生变化,从而周期性地改变转子每对齿槽间的容积,来达到吸气、压缩和排气的目的。互相啮合的转子,在每个运动周期内,分别有若干个相
7、同的工作容积依次进行相同的工作过程,这一工作容积,称为基元容积。它由转子中的一对齿面、机体内壁面和端盖所形成。只需研究其中一个工作容积的整个工作循环,就能了解压缩机工作的全貌。螺杆式制冷压缩机的运转过程从吸气过程开始,然后气体在密封的基元容积中被压缩,最后由排气孔口排出,因此,工作过程可以分为吸气、压缩和排气三个过程,如图5-3所示。阴、阳转子和机体之间形成的呈V字形的一对齿间容积(基元容积)的大小,随转子的旋转而变化,同时,其空间位置也不断移动。基本结构和工作原理 图5-3压缩机转子的工作过程a)吸气过程即将开始b)吸气进行中c)吸气结束时的转子位置d)压缩过程即将开始e)压缩进行中f)压缩
8、结束时的转子位置g)排气过程h)排气过程即将结束基本结构和工作原理 1.吸气过程 图5-3a、b和c所示为压缩机吸气过程即将开始、吸气进行和吸气结束时转子的位置。阳转子按逆时针方向旋转,阴转子按顺时针方向旋转,图中的转子端面是吸气端面。压缩机转子旋转时,阳转子的一个齿连续地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,气体经吸气孔口进齿间容积,直到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。图5-3a所示为吸气开始时刻,在这一时刻,这一对齿前端的型线完全啮合,且即将与吸气孔口连通;随着转子继续运转,由于齿的一端逐渐脱离啮合而形成了齿间容积,并进一步扩大,形成一
9、定的真空,气体在压差作用下流入齿间容积,如图5-3b阴影部分所示。图5-3c所示状态是齿间容积达到最大,齿间容积在此位置与吸气口断开,吸气过程结束。2.压缩过程 图5-3d、e和f所示是压缩过程即将开始、压缩进行中和压缩结束时转子的位置,图中转子端面是排气端面。吸气结束,压缩机的转子继续旋转,在阴、阳转子齿间容积连通之前,阳转子齿间容积中的气体,受阴转子齿的侵入开始压缩,如图5-3d所示;经某一转角后,阴、阳转子齿间容积连通,形成“V”字形的齿间容积对(基元容积),随两转子齿的互相挤入,基元容积被逐渐推移,容积也逐渐缩小,实现气体的压缩过程,如图5-3e所示;压缩过程直到基元容积与排气孔口相连
10、通时为止,如图5-3f所示,此刻排气过程开始。基本结构和工作原理 3.排气过程 图5-3g、h所示是压缩机的排气过程。齿间容积与排气孔口连通后,排气即将开始。随着转子旋转时基元容积不断缩小,将压缩后气体送到排气管,如图5-3g所示。此排气过程一直延续到该容积最小时为止,也就是齿末端的型线完全啮合,封闭的齿间容积为零。随着转子的连续旋转,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,构成了螺杆式制冷压缩机的工作循环。从以上过程的分析可知,两转子转向互相迎合的一侧,即凸齿与凹齿彼此迎合嵌入的一侧,气体受压缩并形成较高压力,称为高压力区;相反,螺杆转向彼此相背离的一侧,即凸齿与凹齿彼此脱
11、开的一侧,齿间容积扩大形成较低压力,称为低压力区。此两区域借助于机壳、转子相互啮合的接触线而隔开,可以粗略地认为两转子的轴线平面是高、低压力区的分界面。另外,由于吸气基元容积内的气体随转子旋转,由吸气端向排气端做螺旋运动,因此吸气、排气孔口要呈对角线布置,吸气孔口位于低压力区的端部,排气孔口位于高压力区的端部。螺杆转子齿形及结构参数5.2.1齿形设计原理 螺杆式压缩机的转子齿面也称型面,它是空间曲面。当转子相互啮合时,其型面的接触线为空间曲线,随着转子旋转,接触线由吸入端向排气端推移,完成齿间容积的吸气、压缩和排气三个工作过程,因此接触线是把齿间容积分成不同压力区的边界线。垂直于转子轴线的端部
12、平面与型面相交而得的平面曲线,称为型线。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(退化的摆线)、圆弧、椭圆、抛物线和包络线等。转子型面的空间接触,表现在端面就是型线接触,两型线的接触点称为啮合点。同一时刻轴向型面接触点的集合是接触线,接触线在端平面上的投影即为啮合线。这样,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。在螺杆式压缩机发展史上,转子齿形一直是人们研究的核心,因此有必要掌握一些齿形设计的基本原理。螺杆转子齿形及结构参数1.啮合原理为了保证转子连续稳定地运转,端平面上的型线必须符合啮合原理。图5-4
13、型线啮合运动关系螺杆转子齿形及结构参数在图5-4中,转子型线E1和E2分别与阴阳转子固连,并且在M点相啮合,此时其点的线速度应该分别为式中 1、2分别为阴、阳转子的瞬时角速度;O1、O2分别为阴、阳转子的旋转中心;l1、l2分别为O1、O2至啮合点M的距离;vm1、vm2分别为阴、阳转子在啮合点的线速度。螺杆转子齿形及结构参数过M点作E1与E2的公法线NN交O1O2于P点,由于两型线连续啮合,故可导出vm1、vm2沿法线NN的分速度、必相等,这样vm1、vm2端点a、b的连线一定垂直于NN,再作直线O2K平行于O1M,由MO2KbMa和PO2KPO1M得出螺杆转子齿形及结构参数2.型线的一般方
14、程式 当螺杆式压缩机阴阳转子啮合运动时,瞬时传动比不变,两节圆做纯滚动,其相互滚动的节圆圆周是转子相对运动的中心轨迹线,如果设想一个转子不动,另一个转子的节圆相对于静止转子的节圆做纯滚动,则该动转子绕自身轴线旋转,又绕静转子轴线公转,不同时刻,动转子型线形成一族曲线,在正确啮合条件下,静转子上与其啮合的型线要始终保持与这一族线相切,这些切点的集合就是该曲线族的包络线,即为需求的共轭型线。根据这一原理,通过建立转子型线的一般方程式,用微分几何学的方法,即包络法设计各种型线。图5-5型线坐标系螺杆转子齿形及结构参数在讨论转子型线和其共轭型线时,采用如图5-5所示坐标系,图中1是动坐标系O1x1y1
15、相对静坐标系O1x0y0的逆时针旋转角;2是动坐标系O2x2y2相对于静坐标系O2x0y0的顺时针旋转角。当两转子的节圆做纯滚动时,它们的传动比i21可分别由转子转角、角速度、节圆半径Rj和导程h表示阳转子型线在坐标系中的一般方程为式中t1型线参数。吸排气孔口和内容积比调节 可利用啮合原理,求出阴转子在O2x2y2坐标系中的共轭型线方程。为此需应用动坐标系O1x1y1、O2x2y2与静坐标系O1x0y0、O2x0y0的转换关系,其方程式为式中B两转子中心距,单位为m。按上述公式把阳转子方程式(5-5)利用坐标转换式(5-13)转换到坐标系O2x2y2中得到螺杆转子齿形及结构参数3.啮合线方程式
16、 啮合线是两转子啮合时接触线在端平面上的投影。式(5-17)是已知式(5-5)型线的共轭型线,接触线实质上是一对共轭啮合型线啮合点在动坐标系的轨迹线,把这些动坐标系中啮合点转换到静坐标系上,就是一对共轭型线的啮合线。因此,求啮合线只需将曲线族的包络线转换到静坐标系,型线参数t1和转角参数1函数关系与求共轭型线时完全相同。若已知型线方程式为螺杆转子齿形及结构参数则啮合方程式为5.2.2齿形选择 如前所述,组成齿形必须符合啮合原理,以保证螺杆转子连续平稳地运转。一个优良的好齿形,必须满足以下基本原理:既具有充分大的转子齿间容积,其基元容积气密性好,各种效率高,还要使转子有稳定的传动特性,热变形性能
17、好以及足够的强度、刚度和良好的加工工艺性能。现从以下几方面予以讨论。螺杆转子齿形及结构参数1.面积利用系数Cn在计算螺杆式压缩机输气量时引入面积利用系数Cn,其定义为式中 z1阳转子齿数;A01、A02分别为阴阳转子齿间面积,如图5-11所示,单位为m2;D0转子名义直径或称为公称直径,单位为m。螺杆转子齿形及结构参数2.气密性图5-7轴向泄漏与横向泄漏图5-6气体泄漏方向螺杆转子齿形及结构参数图5-8泄漏三角形螺杆转子齿形及结构参数图5-9对称圆弧齿形的转子啮合线及接触线螺杆转子齿形及结构参数图5-10单边非对称齿形的转子啮合线及接触线螺杆转子齿形及结构参数5.2.3典型齿形 螺杆转子按型线
18、演变。第一代为对称性圆弧型线,型线由点、直线组成,设计、制造和测量方便,缺点是泄漏三角形的面积较大、效率较低。这类型线至今还被很多干式螺杆压缩机制造商广泛采用。第二代为不对称性型线,型线由点、直线、摆线等组成,以SRM-A型线为代表,减小了泄漏三角形的面积。第三代为转子型不对称型线,最新的非对称螺旋转子,采用圆弧、椭圆、抛物线等曲线组合,由线密封变成为带密封,有利于形成油膜、减少磨损和降低噪声,有代表性的包括盖哈哈(GHH)、日立、SRM-D。目前所有的实用的型线形式多样,得到了广泛应用。德国Kaeser(凯撒)公司的为SIGMA型线,阳 阴(阳转子同阴转子的齿数比,下同)为5 6;德国GHH
19、(盖哈哈)公司的为ECOSCREW型线,阳 阴为5 6;德国AERZEN(艾珍)公司的为ECOSCREW型线,阳 阴为4 6;中国台湾复盛公司的为复盛型线,阳 阴为5 6;瑞典SRM(斯乐姆)公司的为RM-D型线,阳 阴为4 6;瑞典Atlas Copco(阿特拉斯科普柯)公司的为X-型线,阳 阴为4 6;美国INGERSOLL-RAND(英格索兰)公司的为JLB型线,阳 阴为4 6;芬兰GD(登福)公司的为SRM-D型线,阳 阴为4 6。在第三代的高效齿形中,其阳转子同阴转子的齿数比有5 6,也有4 6的。在一般的线速度工作条件下,两种头数不同的转子,其性能上没有显著差别。现对具有代表性齿形
20、作概貌性地介绍。螺杆转子齿形及结构参数1.X齿形图5-11X齿形螺杆转子齿形及结构参数表5-1X齿形型线组成螺杆转子齿形及结构参数2.Sigma齿形图5-12Sigma齿形螺杆转子齿形及结构参数3.CF齿形表5-3CF齿形型线组成螺杆转子齿形及结构参数4.SRM-A型线 图5-14SRM-A型线 a)型线b)啮合线螺杆转子齿形及结构参数表5-4SRM-A型线的组成齿曲线和相应的啮合线螺杆转子齿形及结构参数5.SRM-D型线a)型线b)啮合线螺杆转子齿形及结构参数表5-5SRM-D的组成齿曲线和相应的啮合线螺杆转子齿形及结构参数6.日立型线图5-16 日立公司开发的新型型线 a)型线 b)啮合线
21、螺杆转子齿形及结构参数6.日立型线表5-6日立型线的组成齿曲线和相应的啮合线螺杆转子齿形及结构参数图5-17两种新型齿形螺杆转子齿形及结构参数表5-7几种常见齿形的有关参数比较螺杆转子齿形及结构参数5.2.4结构参数1.齿高系数与齿数图5-11中,螺杆式压缩机齿高系数一般取式中R齿高半径;R1j阳转子节圆半径。齿高系数大,则阴转子的齿部变薄,齿的刚度下降。表5-8主要齿形的值比较表螺杆转子齿形及结构参数2.扭转角与扭角系数C 转子的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,它表示转子上的一个齿的扭曲程度。转子的扭转角增大,使两转子间相啮合的接触线增大,引起泄漏量增加,同时较大的扭转
22、角相应地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,要去掉平衡转子上轴向力的平衡活塞时,转子不宜采用过大的扭转角。但是较大的转子扭转角可使吸、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1一般在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。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。螺杆转子齿形及结构参数表5-9扭转角1与C对应值3.长径比和圆周速度 螺杆式压缩机转子长度L与其公称直径D0(转子名义直径)之比称为长径比(=L/D
23、0)。当输气量不变时,增大长径比,则转子公称直径D=变小,可以减少气体力作用在转子螺旋面上产生的不平衡轴向力,从而可省去平衡活塞。一般值取11.5之间,下限称短导程,上限则称长导程,转子直径为63500mm之间,适用广阔的输气量使用范围。螺杆转子齿形及结构参数图5-18最佳圆周速度范围螺杆转子齿形及结构参数4.级数与压缩比 对喷油螺杆式压缩机,一般采用一级压缩或二级压缩。无油螺杆式压缩机主要是根据许可的排气温度决定压缩比和级数。5.间隙 螺杆式压缩机两转子之间、转子与机体之间要求留有适当的间隙。这不仅考虑制造和装配误差,也考虑了弯曲变形和热变形的因素。热力性能5.3.1输气量1.理论输气量 螺
24、杆式压缩机输气量的概念与往复式相同,也是把单位时间内排出的气体量折算为吸入状态下的气体容积值定义为输入量。转子每分钟所转过的齿间容积总和为理论输气量,即式中 qVt理论输气量,单位为m3/min;z1、z2分别为阴、阳转子的齿数;Vp01、Vp02分别为阴、阳转子的一个齿间容积,单位为m3;n1、n2分别为阴、阳转子转速,单位为r/min。热力性能 设两转子齿槽在端平面上的齿间面积为A01和A02(图5-11),则在转子轴向长度dL内,阴阳转子齿间容积为当转子长度为L时,阴阳转子一个齿间容积为热力性能又按啮合原理考虑上节所讨论过的面积利用系数Cn=z1(A01+A02)/和转子扭转角对吸气容积
25、的影响,而需引入扭角系数C,所以上式应写成2.实际输气量和容积效率 螺杆式压缩机的实际容积输气量qVa也与往复式压缩机一样,是理论容积输气量qVt与容积效率V的乘积,即热力性能5.3.2内压缩过程 螺杆式压缩机在等熵压缩过程中内压缩比i与内容积比Vi的关系式为式中 Vp独立一对基元容积;ps0吸气压力;等熵指数;pi、V分别为基元容积内的瞬时压力、容积。热力性能 瞬时基元容积V与转子转角的函数关系为V=V(),通常用填塞容积法求取,瞬时基元容积V写成式中 V基元容积中瞬时填塞容积,其值同转子转角间的函数关系也为 (1)阳转子独立基元容积被阴转子填塞的瞬时填塞容积;(2)阴转子独立基元容积被阳转
26、子填塞的瞬时填塞容积。热力性能1.阳转子内压缩过程 图5-19a所示为非对称阳转子在吸气端面上的齿形,阴影面积A01表示阳转子上所讨论的独立基元容积。当吸气端阳转子齿s和齿s到达机体内壁周围的相交点H,即是填塞的开始点,此时,阳转子齿顶中心线正好和HO1线重合,规定此位置对应的阳转子转角1=0,HO1与中心线连线O1O2的夹角为01。必须指出,对称圆弧齿形如图5-20所示,阳转子齿的s的齿顶要经过H点之后,填塞才能开始,对应齿的转角1=0的位置应该是齿的中心线与O1O2线成角度1。从此位置开始,随着阴转子齿不断伸入阳转子基元容积,阳转子独立的基元容积被填塞而逐渐变小,造成容积内气体压力上升。通
27、常把填塞分为两个阶段进行。热力性能图5-19阳转子齿间容积被填塞过程图热力性能图5-20对称圆弧齿形开始填塞(1=0)时的转子位置热力性能2.阴转子内压缩过程图5-21阴转子齿间容积开始填塞过程图热力性能3.内容积比Vi、内压缩比i和内压缩转角1c5.3.3功率和效率螺杆式压缩机功率和效率的定义及计算均与第2章中所述相同。影响螺杆式压缩机轴效率e的主要因素是指示效率i和机械效率m。i受到气体与壁面热交换和气体流动所造成的损失以及压缩机内泄漏的影响。图5-22所示的实线给出了使用R22和R717工质的螺杆式压缩机在不同内容积比Vi时等熵效率ts与内压缩比i的关系,虚线表示可变内容积比Vi、ts与
28、i的关系。热力性能图5-22螺杆式压缩机的效率曲线图可变内容积比 固定内容积比吸排气孔口和内容积比调节5.4.1吸排气孔口设计 螺杆式压缩机与往复式压缩机明显区别之一是无吸、排气阀,因此,如何合理开设吸、排气孔口,对压缩机制冷量、耗功和噪声的影响是至关重要的。在内压缩过程一节里,已讨论了内压缩压力与转子内压缩转角的关系,这为吸排气孔口设计提供了依据。螺杆式压缩机通常有两个吸气孔口和两个排气孔口,其中轴向吸气孔口设置在吸气端盖上,径向吸气孔口开设在机体上,而轴向排气孔口设置在排气端盖上,径向排气孔口开设在滑阀上。1.吸气孔口(1)吸气孔口的设计要求 1)为了获得尽可能高的容积效率,必须保证压缩机
29、基元容积最大限度地充气。2)严禁在轴向端面的啮合区开设吸气孔口,避免高低压区串通而产生严重气体泄 漏。3)吸气孔口的形状应确保气体流动阻力小和工艺性好。(2)吸气孔口位置和形状吸排气孔口和内容积比调节1)轴向吸气孔口。在内压缩过程一节讨论中,已确定了阳阴转子吸气结束,即压缩开始时的起始位置,当阳转子的齿顶转到机体内壁圆周交点H时,1=0,阳转子齿槽基元容积开始受阴转子填塞(图5-19a),此时,端面吸气孔口应该与该基元容积隔开,基元容积停止吸气。阳转子轴向吸气角1s大小按下式计算,即对阴转子齿宽角20的型线,阴转子的独立基元容积开始压缩要迟一段时间,如图5-21、图5-23所示,当阳阴转子转过
30、2的角度后两个独立基元容积才互相沟通。为了避免沟通时的回流损失,考虑阳转子轴向吸气孔口时,吸气角1s应为式中1阳阴转子的基元容积互相沟通时,阳转子齿顶中心线与两转子中心线 连线O1O2之间的夹角(图5-23)。吸排气孔口和内容积比调节图5-23轴向吸气孔口 对于阳转子有较大扭转角的情况,如1=300,按式(5-50)、式(5-51)计算阳转子轴向吸气孔口就不能符合转子基元容积按最大充气原则开设,应按图5-24开设,即按最大扭角系数原则,就是阴转子齿在吸排气端占据阳转子独立基元容积体积相等,此时,端面吸气孔口才与该基元容积隔开。按照图5-24,阳转子轴向吸气角1s为吸排气孔口和内容积比调节式中阴
31、转子齿侵占阳转子独立基元容积在吸排气端体积之和最小时,阳转子在吸气端面前齿齿顶中心线与两转子中心线O1O2的夹角。值可以由作图法求出,或按转子型线方程式和内压缩过程(参见本章5.3.2节)计算公式计算。阴转子的扭转角2一般不大,因此它的独立基元容积均能完全充气,其轴向吸气角2s在200250之间(图5-23、图5-24)。吸排气孔口和内容积比调节图5-24大扭转角时的轴向吸气孔口吸排气孔口和内容积比调节 轴向吸气孔口开设在吸气端座上,它的形状分别由阳阴转子部分型线或若干曲线组成,如图5-23和图5-24所示。2)径向吸气孔口。为了尽可能扩大吸气孔口的面积,除了在吸气端面开设轴向吸气孔口外,还通
32、过机体内壁切深进行径向吸气,切深位置按轴向吸气角1s和2s而定,因此式中D1、D2分别为阳、阴转子外圆直径。阳、阴转子外圆螺旋角1和2分别为吸排气孔口和内容积比调节图5-25吸气孔口机体内壁展开图 图5-25中,HH作为机体内孔测量基准,一般取1015mm,L是转子轴向长度,l1为滑阀固定端长度,当带有内容积比调节时,则l1在内壁展开图上是空白的,以便安装内容积比调节滑阀。吸排气孔口和内容积比调节(1)排气孔口的设计要求1)保证设计工艺所需要的内压缩比,对于有内容积比调节的螺杆式压缩机,轴向排气孔口应该按设计工况中压缩比最大工况设计。2)严禁轴向孔口开设在啮合线范围内,以免高低压区沟通,保证气
33、密性。3)排气孔口要平滑,减少气体扰动。(2)排气孔口位置和形式1)轴向排气孔口。根据内压缩过程一节讨论,可以由图5-26求出阳转子在排气端轴向排气角1p与内压缩转角1c之间的关系式,即式中1阳转子扭转角。按照设计工况提出的内压缩比要求,由式(5-48)进行计算,求得1c,此时,阳转子排气角1p就是排气端上p阳转子齿中心线与两转子中心连线O1O2之间的夹角(图5-26)。同样由图5-26看出,阴转子轴向排气角2p为吸排气孔口和内容积比调节式中2阴转子扭转角。按照设计工况提出的内压缩比要求,由式(5-48)进行计算,求得1c,然后按关系式2c=i211c-2求得2c,此时,阴转子排气角2p就是排
34、气端面上A02p阴转子齿槽的中心线与两转子中心线O1O2之间的夹角(图5-26)。对阴转子无齿宽的齿形,式(5-57)可写成轴向排气孔口开设在排气端座上,它的形状分别由阳阴转子部分型线或若干曲线组成(图5-26打网格的阴影面积)。轴向排气孔口图中的尖角,如E点、d点、i点和f点,必须采用圆角过渡,以减少气体流动损失和满足铸造工艺要求。吸排气孔口和内容积比调节 需要指出的是对于一些非对称转子点生式摆线齿形,当阳转子齿顶经过机体内壁圆周交点H后,如图5-27所示,继续转动时,阳转子齿s下面形成由阳转子齿形前端与阴转子齿形前端所围成的面积Ad,称为封闭容积,在运转中,该容积由大变小,内部压力剧增,耗
35、功增大,一般通过漏气槽解决。同样,阳转子齿s上部形成封闭容积As,它由小变大,与吸气侧相通,所以排气孔口不能开设在Hid(图5-26)范围内,否则高低压区沟通形成泄漏。吸排气孔口和内容积比调节图5-26轴向排气孔口图图5-27封闭容积吸排气孔口和内容积比调节2)径向排气孔口。一般情况下,开设在排气端盖上的轴向排气孔口大小和位置是固定的,而开设在滑阀上的径向排气孔口位置和大小可以改变,所以轴向排气孔口按设计工况中的内容积比最大设计,孔口最小,而径向排气孔口按设计工况中的容积比最小设计,或分几档内压缩比来设计。图5-28径向排气孔口结构图吸排气孔口和内容积比调节径向排气孔口也根据内容积比确定1c,
36、由1c便可以决定径向排气孔口在滑阀上的轴向位置。径向排气孔口结构设计图形如图5-28所示。图5-28中,l1为滑阀固定端长度,在有内容积比调节时,该固定端也可以移动。l1长度计算式是式中L转子长度,单位为m。阳转子侧l1可按下式求得吸排气孔口和内容积比调节式中的2如图5-26所示,即2=1,其计算式为式中R齿高半径;R2j阴转子节圆半径。在图5-28中转子受力分析 螺杆式压缩机转子在压缩制冷剂气体时主要受到气体力的作用,其他还有摩擦力等。因此,研究作用在转子上气体力的大小和方向,以便进行转子强度、刚度计算,从而为确定平衡活塞大小和选配轴承提供必要的设计依据。为了研究方便,通常将作用在转子复杂型
37、面上的气体力分成轴向分力、径向分力和切向分力来讨论。5.5.1卧式螺杆压缩机受力分析1.轴向力作用在转子上的轴向力主要由气体力产生,其总的轴向力Fz表达式为式中Fa气体压力作用在转子两端面上产生的轴向力;Fb气体压力作用在转子型面上产生的轴向力。转子受力分析(1)端面轴向力 端面轴向力是转子在两端面受到的气体力。其中吸气端面均受吸气压力,方向指向排气端;而排气端面情况较复杂,在简化计算处理时,看作一半面积受到的作用力为吸气压力ps0和排气压力pdk的平均值,另一半面积受到吸气压力ps0作用,其方向指向吸气端。这样转子端面轴向力Fa为式中Aa阳阴转子在端面上的齿的总面积;Ab阳阴转子在端面上轴颈
38、的总面积。Fa的方向应由排气端指向吸气端。转子受力分析(2)型面轴向力 气体压力作用于转子齿面上的轴向力称为型面轴向力。对于每一个基元容积的齿面,无论是阳转子还是阴转子,齿面由前段型线齿面、背段型线齿面和齿根圆弧面(阳转子)或齿顶圆弧面(阴转子)几部分组成。在无接触线存在的基元容积内,气体压力作用于齿根或齿顶圆弧面,其型面轴向力为零,而前段型线齿面和背段型线齿面,由于它们在端平面上投影面积相等,所以气体压力作用在型面上的轴向力大小相等,但它们方向相反,因而相互抵消。这样在研究型面轴向力时只需在基元容积中有接触线存在的一段,即在图5-30中,对阴转子为-与-截面之间,对阳转子则为-与-截面和-与
39、-截面之间。阴转子在截面-与-段中,基元容积被接触线a-1-5-4-3分隔,型面被阳转子的齿覆盖,在背段型线的型面上,相当于a-1-5-a的面所受力是处于吸气压力ps0,它在端平面上面积为AH(图5-30)的阴影面积。转子受力分析2.切向力和转矩 电动机输给螺杆式压缩机的功率主要是克服螺杆转子压缩气体时产生的转矩,在讨论切向力和转矩时,为了计算气体力对转子作用的转矩,在转子型面上取一微元面积dA,该面积离转子轴线距离为Ri,如图5-31a所示。把作用在微元面积dA上的气体力dFi分成与转子轴线平行的型面轴向力dFbi,与转子轴线垂直的型面径向力dFri,以及与转子轴线距离为Ri的圆柱表面相切的
40、型面切向力dFti。图5-31微元面上力的关系1阳转子(右旋)2阴转子(左旋)转子受力分析3.径向力 作用在转子齿面上并垂直于转子轴线的那部分气体力称为径向力。径向力是选择轴承和校核转子强度、刚度的基本数据,一般转子重量是不计入径向力的,只有当转子较大时才顾及。螺杆式压缩机的一对基元容积是扭曲的,在工作过程中,它被接触线分隔成压力不同的两个区域,而且基元容积随着转子旋转在不断地变化,因此,作用在转子齿面上的径向力是一组空间力系,计算十分复杂。转子受力分析图5-32等值圆柱体受力分析图5-33转子单位径向载荷分布规律转子受力分析5.5.2立式螺杆压缩机受力分析 立式双螺杆压缩机的结构如图5-34
41、所示。在立式压缩机中,阴阳转子均为竖直放置,排气端向下,角接触轴承设计在排气座上。进气口及补气口均在中间设置。轴向吸气口和径向吸气口在空间上是连成一体的,所以吸气设计为横向进气。油箱设计在机体下部。电动机的定子安装在机体上,电动机的转子则用键与阳螺杆转子直连。油气分离器可以根据需要设计成环形和平板形状,但由于环形的油分离效果较好,所以一般设计成环形。具体工作过程为:气体从吸气口进入压缩腔,经压缩后向下排出,并折返通过电动机来冷却电动机,经过电动机的气体最后通过油分离器排出压缩机。螺杆式压缩机设计时的主要问题之一是轴向力过大,给排气端的设计带来不便。常用的解决办法是加平衡活塞来减少轴向力。对于制
42、冷机来讲,则是采用多个角接触轴承串联来承受较大的轴向力。采用多个角接触轴承串联,一方面会使成本增加,并且由于多轴承连用,会造成装配工艺性差及对转子的加工精度要求的提高。而立式螺杆压缩机的结构则可以很好地解决这个问题。转子受力分析 从图5-35可以看出,立式螺杆压缩机采用横向吸气,气体经螺杆压缩后向下排气,然后气流经过排气通道、电动机及油分离器后从顶部排出。从受力分析看,压缩机在正常运行过程中,转子将受到向上的力F1,设计中的角接触轴承也正是承受这个力的,但由于立式压缩机的特殊结构,电动机侧的轴颈将受到向下的力F2,起到一个平衡活塞的作用。同时转子的重力F3也会抵消一部分作用。所以最后转子的受力
43、F为:F=F1+F2+F3,F2、F3与F1的方向相反,取负值。F2为6080mm的轴径由气体压力差产生的力,而F3则是由螺杆阳转子与电动机转子的重力组成的重力。以某型号的立式压缩机为例,螺杆转子自重为343N,电动机转子自重为392N,计算的气体轴向力为11125N,轴颈处的受力为5585N,从而可得:F=F1+F2+F3=4805N。因此压缩机最终轴向受力为4805N,受力减少了57%,也就是说对于相同工况及转子的制冷压缩机来讲,立式螺杆压缩机的受力是卧式压缩机受力的43%,所以其轴承寿命会延长。转子受力分析图5-34立式螺杆压缩机的结构示意图图5-35转子受力示意图开启式和封闭式螺杆式压
44、缩机结构5.6.1开启式螺杆式压缩机制冷装置上最先应用的螺杆式压缩机是开启式,以后再发展到半封闭式和全封闭式。1.开启式螺杆式压缩机的优点同往复式相比较,螺杆式压缩机突出的优点是:1)螺杆转子压缩气体的运动为旋转运动,转子转速可得到提高,因此当输气量相同时,螺杆式压缩机与往复式相比较,体积显得小,重量轻,占地面积小,运动中无往复惯性力,对地面基础要求不高。2)机器结构简单,其零件数仅为往复式压缩机的1/10,而且易损件少,尤其是它无吸排气阀,无膨胀过程,单级压缩比大,对液击不敏感。3)能适应广阔的工况范围,尤其是用于热泵机组上,其容积效率并不像往复式压缩机那样有明显的下降。4)输气量能无级调节
45、,并且在50%以上的容量范围内,功率与输气量成正比关系。开启式和封闭式螺杆式压缩机结构2.开启式螺杆式压缩机的发展 开启式螺杆式压缩机设计制造方面的改进概括起来有以下几个方面:(1)普遍采用内容积比调节结构除了内容积比自动调节外,还有如图5-36所示的日本日立制作所MYCOM中V系列机器的一种手动内容积比调节机构,它是通过调节杆1的转动,移动内容积比调节滑阀3,使得输气量调节阀2(调节原理见第6章)和内容积比调节滑阀3一起向排气端移动,造成径向排气口变小,由于内容积比调节滑阀3仍紧靠输气量调节阀2,所以能进行无级内容积比调节。开启式和封闭式螺杆式压缩机结构 图5-36日立螺杆式压缩机内容积比无
46、级调节图1内容积比调节杆2输气量调节阀3内容积比调节滑阀4油压缸5负荷指示器6液压活塞7输气量调节杆开启式和封闭式螺杆式压缩机结构 内容积比可调,能减少螺杆式压缩机的过压缩或欠压缩损失。图5-37所示是按三种内容积比Vi=2.6、3.6、5开设的排气口,在工况变化时,通过内容积比调节所得到的全负荷时的轴功率提高率。因此具有内容积比可调的螺杆式压缩机能在广阔的工况变化范围内依然高效地运行,这对于多种用途的冷冻冷藏制冷系统和受外界气温影响的空气热源热泵等机组尤为适用。图5-37满负荷时的轴功率提高率开启式和封闭式螺杆式压缩机结构(2)采用单机两级压缩制冷装置采用两级压缩系统,设备费用较高,因此,如
47、烟冷、大冷、日本日立制作所、瑞典斯达尔等公司研制了单机双级螺杆式压缩机,如图5-38所示。用电动机直接驱动低压级的阳转子,通过它再驱动高压级的阳转子。一般冷冻冷藏用的机器,高、低压级容积比为1 3,也可以为1 2,根据工况运转要求,还可有多种组合。图5-38单机双级螺杆式压缩机的结构开启式和封闭式螺杆式压缩机结构 2)优化供油量和油质。1)改进齿形。(3)开启式螺杆式压缩机的小型化目前,制冷装置的单机容量规模趋于缩小,同时为了改善部分负荷性能,朝着多机组化发展,所以小型开启式螺杆式压缩机研制也取得了长足发展,如瑞典斯达尔公司研制了Stals-mini微型开启式RV-53-59系统,输气量为24
48、5412m3/h。概括地说,这方面主要成果如下:图5-39润滑油和R22制冷剂的温度-压力-溶解度曲线图5-40在20kW单级螺杆式压缩机中供油量为20cm3/min下运行工况开启式和封闭式螺杆式压缩机结构 3)采用滚动轴承和无油泵系统。4)采用水冷式电动机。5)采用经济器系统。图5-41SVA和SVR系列螺杆式压缩机带和不带经济器系统的制冷量比较工况:冷凝温度35液体过冷度5蒸发温度-40蒸发温度-10开启式和封闭式螺杆式压缩机结构图5-42国产LG16A/F型开启式、螺杆压缩机的性能曲线开启式和封闭式螺杆式压缩机结构5.6.2半封闭式螺杆式压缩机 由于螺杆式压缩机在小容量机型中也能获得好的
49、热力性能,又能适应苛刻的工况变化,在冷凝压力和排气温度很高的工况下也能可靠地运行,因此很快向往复式所占的半封闭式领域发展。半封闭式螺杆式压缩机原理的动画,可扫码观看。该动画说明了其典型结构和喷液冷却、中间补气、油分离与润滑、容量调节等工作原理。半封闭式螺杆式压缩机的功率一般在10100kW之间。图5-43和图5-44所示是比泽尔(Bitzer)公司开发的单级半封闭式螺杆式压缩机结构图。使用R134a工质时,其冷凝温度可达70,使用R404或R507工质时,蒸发温度最低可达-45。开启式和封闭式螺杆式压缩机结构 图5-43比泽尔公司HSK型半封闭式螺杆式压缩机结构图1阳转子2安全卸载阀3滚动轴承
50、4止逆阀5排温控制探头6内容积比控制机构7喷油阀8电动机9输气量控制器10阴转子11接线盒12电动机保护装置开启式和封闭式螺杆式压缩机结构 图5-44比泽尔公司HSKC型半封闭式螺杆式压缩机结构图1压差阀2单向阀3油过滤器4排温控制探头5内容积比控制机构6电动机7滚动轴承8阳转子9输气量控制器10油分离器11阴转子12电动机保护装置13接线盒开启式和封闭式螺杆式压缩机结构 上述半封闭式压缩机的阳阴转子都采用5 6或5 7齿数比。同全封闭式一样,阳转子与电动机共用一根轴,滚动轴承采用圆柱轴承,推力轴承比滑动轴承小,可保持阳阴转子轴心稳定,从而能减少转子啮合间隙,减少泄漏,同时使用润滑油量也减少,
