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绪论
本设计以空调用涡旋式压缩机为题,主要为了学习涡旋式压缩机的设计过程,以及运用和巩固我们大学所学知识。
目前在空调领域对于涡旋式压缩机的研究已越来越普遍也越来越热门,涡旋式压缩机的发展将会不仅仅为空调领域带来飞跃,从而针对空调用涡旋式压缩机的研究是非常有意义的。
通过回顾涡旋式压缩机的历史,我们对其可以进行初步的了解。
涡旋式压缩机最早由法国工程师Creux发明并于1905年在美国获得专利,于国际上70年代开始开发应用的一种新型压缩机,它以高效率,高可靠性,低能耗,低噪音,零件少,易损件少,结构紧凑等突出优点引起许多国家的重视,被称为全新一代压缩机,在1-705KW输出功率的范围内,涡旋压缩机已在单元式空调机及汽车空调器中得到相当普遍的应用,并很快牢固地占领了市场,由于涡旋压缩机在较宽的频率范围内(30-120hz)均有较高的容积效率与绝热效率,适合采用变频装置,可进一步降低空调器的耗能,提高舒适性,所以在空调领域中具有广阔的发展前景。
为保证环保减少制冷剂泄露到空气中,汽车空调领域中具有采用全封闭式涡旋压缩机的发展方向。
70年代以前由于难以得到高精度的涡旋形状,缺乏实用而可靠地驱动机构,摩擦磨损的问题不能妥善解决,因此涡旋压缩机在将近70年的时间内未得到普及应用直到70年代初期,美国的ADL公司及日本,中国的几家公司又相继重新开始涡旋压缩机的研究开发工作。
因若干关键技术逐步得到解决,于80年代初就推出了空调用涡旋压缩机的系列产品。
这些产品与相同容量的往复式压缩机相比,体积小40%,重量轻15%,零件数减少85%,效率提高10%,扭距变化幅度小90%,噪音降低5db(A).
在供暖、空调与制冷应用中,主要的能量都耗在压缩机上,高效压缩机对美国市场已成为头等重要因素。
在欧洲和日本市场,对低噪音,低振动的压缩机需求更为突出,因而,兼有高效低噪两大优势的涡旋压缩机成为换代产品已是必然局势,虽然在完善密封机构,减少机械摩擦耗功以及数控加工提高涡旋盘成产率等方面已经进行了广泛有效地改进,但作为技术密集程度很高的涡旋压缩机,其技术优势和效益任存在很大的发展潜力。
通过借鉴前人研究的方式和方法,本论文旨在根据已知工作条件,通过各零部件的强度校核和受力分析对空调用涡旋式压缩机进行结构设计。
通过完成这次设计达到我们所学的理论与实践相结合,增加我们的设计经验。
涡旋式压缩机是一种新型的正压机械。
涡旋式压缩机有许多有利的特性,包括简单的结构、较低的振动,和相对于其它类型压缩机的高容积的效率。
伴随着涡旋压缩机的发展,它已在多领域大受欢迎。
为了实现卓越的运营效率和提高可靠性,涡旋压缩机的压缩室被注入了水。
涡旋压缩机中润滑油效率的提高将可以密封固定轴与绕卷轴之间的空隙。
此外,石油能有助于控制通过吸收一些流体的热它升压通过压缩放电温度—。
不过,对于食品加工,医疗系统、纺织制造、低温燃料电池堆栈和其他超清洁的应用,石油污渍不能在这类领域的容忍和严格禁止。
一实现无油压缩空气可能意味着通过油过滤器的使用,另一个是采取钪。
钪的使用比油的过滤器更加有效,因为它消除了润滑油的使用。
涡旋压缩机面临的主要问题应属由于加工精度和结构问题导致的径向和轴向的泄露,但是随着社会的飞速发展,工业的日益壮大,设备的精度会得到提高,加工的技术会得到飞跃,涡旋式压缩机将会随着社会的发展慢慢挖掘出无限的潜能,它的优点将会会越来越突出,发展前景广阔。
1.概论
1.1涡旋压缩机的研究背景
20世纪初,法国人克拉斯提出了涡旋式压缩机的工作原理并取得专利,从而标志着一项新技术的问世。
克拉斯提出的工作原理就是涡盘型线为圆渐开线型线,动涡盘公转平动带动机械运转,涡旋齿顶部带有密封装置。
由于加工涡旋型线需要相当精密的设备和工艺技术,而当时的加工设备和技术条件很落后,因此在此之后近半个世纪,此项理论研究成果一直未获得突破性的发展。
到了70年代,数控技术的快速崛起给加工涡旋压缩机这种精密设备给予了一线曙光。
当时能源危机日益加剧,人们试图找到一种耗能低、效率高、安全可靠性高、结构简单运行平稳的新型设备,而涡旋压缩机就是具有以上多种特点的代表性机械,因此在该领域的探索上实质性上更进了一步。
1972年,美国的ArthurD.公司率先研制出了一台排气压力为1.7MPa的氦气涡旋压缩机,这台压缩机的研制成功标志着涡旋压缩机的发展进入一个新的纪元,正式由理论探索转变成产品开发,从而转入商业化的快速发展。
随后世界各制造强国纷纷加大了对涡旋压缩机的研发力度和资金投入,新的产品层出不穷。
现在在该领域有所成就的国家主要有:
美国、韩国、日本、法国和中国等国家。
其中,美国的谷轮公司研制出的涡旋压缩机最为著名,并设有全世界最大的研发中心,是该领域的领军者,公司年产量超过1000万台。
日、韩两国在该领域研发方面也有不错的发展,其中日本有三电、日立、松下、丰田、三菱重工、大金等具实力的研发厂商,而韩国
主要是三星和LG在大量研制涡旋压缩机。
中国虽然着手这个领域较晚,但是这些年发展飞速。
我国研究主力大部分集中于一些科研实力较强的工科院校中,刚开始以西安交通大学、兰州理工大学和合肥通用机械研究所为研发中心,后来有一些高校和科研机构也加入了研发行列,其中有清华大学、东北大学、重庆大学、南京大学等一流名校。
通过引进、消化、再创新的过程,我国在涡旋压缩机的研发过程中取得了一些成就,其中投入生产的已有很多种类型,应用最为普遍的就是涡旋空气压缩机和无油涡旋式压缩机。
可是我国研发成品缺乏核心竞争力,技术核心还是掌握在日本、韩国及西方制造业发达国家。
涡旋压缩机有较好的防过热和润滑装置,它采用配管将冷凝器处的部分制冷液引入压缩室,使之
在气缸内喷射进行冷却,提高了冷却效果。
为了防止把大量的制冷液直接吸入气缸内产生液击,在制
冷系统中设有气液分离器,润滑油和制冷液首先进入气液分离器进行分离,进入气液分离器的制冷液便立即蒸发成为气体,而润滑油从气液分离器下方小孔缓缓地连续进入压缩机,保证了输气的质量。
涡旋机械以其结构紧凑、高效节能、微震低噪和高可靠性等诸多优点,已被广泛地应用于空调、制冷、各种气体压缩、增压器、真空泵和液压泵等领域。
1.2涡旋压缩机的工作原理
涡旋压缩机由动涡旋盘、静涡旋盘、机体、防自转机构、偏心轴等零部件组成。
动涡旋和静涡旋的结构十分相似,都是由端板和端板上伸出的涡旋齿所组成,在工作中一涡旋盘静止不动,称为静涡旋盘,而另一涡盘作公转平动,称之为动涡旋盘。
动涡旋在专用防自转机构的约束下,由主轴带动作公转平动,这种特定的装配和运动,使得动、静涡旋齿之间所形成的多对月牙形封闭工作腔容积由大变小,实现周期性的容积变化。
当主轴处于某
一旋转角度时,最外圈的一对封闭的工作腔容积开启,吸气过程开始;当主轴旋转一周后,这一对工作腔关闭,形成封闭的工作腔容积,吸气过程结束;在这对新吸气腔形成的过程中,前一周所形成的封闭吸气腔已同时开始压缩过程。
随着主轴的旋转,啮合点由外圈向内圈移动,月牙形工作腔容积由涡旋盘的外圈逐渐向涡旋盘中心处移动,封闭工作腔容积逐渐由大变小,被封闭的气体受到压缩,气体压力逐渐升高;当工作腔容积与排气口相连通时,压缩过程结束,排气过程开始。
动盘和静盘的涡旋型呈渐开线形状,安装时使两者中心线距离一个回转半径e,相位差180度。
这样两盘啮合时,与端板配合形成一系列月牙形柱体工作容积。
当两涡旋盘的主轴相对位置在0度位置时,最外圆的月牙形容积正好吸满低压气体并且封闭。
随着电转角ϖ的变化,月牙形封闭容积的两端啮合点沿着涡旋齿齿壁由外向里持续移动,封闭容积对应由大到小变化,如图中90度,180度,270度位置的情况所示。
从而实现封闭工作腔容积的周期性变化,被封闭的气体受到压缩,气体压力逐渐升高,实现气体的压缩过程。
当工作腔容积与排气口相接通时,气体从静涡旋中央的排气孔释放出,气压相应降低,完成整个制冷剂的吸入、压缩和排出过程。
1.3涡旋压缩机的主要特点
涡旋压缩机是继往复压缩机、转子压缩机、螺杆压缩机之后的又一种新型高效容积式压缩机,被公认为是技术最先进的第三代容积式压缩机。
与同等容量的往复压缩机相比,主要零部件仅为往复式的1/10,体积减少40%左右,噪声下降5~8dB,效率提高10%,重量减轻15%,驱动力矩的波动幅度仅为往复式的1/10。
其主要优点有:
(1)零件数少、无气阀的易损件,因而结构简单紧凑、体积小、重量轻、可靠性高;
(2)无吸排气阀,因而气体流动损失少、吸排气损失小、无气阀的敲击噪声和由此引起的振动;
(3)吸气过程持续时间长,无吸气余隙,容积效率高;
(4)工作腔容积变化过程持续时间长,压缩平稳,排气接近连续,气流脉动小;
(5)主轴回转半径小,且可对旋转零件进行平衡设计,因而旋转惯性力小、运动平衡性能好,整机振动小、运转平稳;
(6)动、静两涡旋盘之间相对滑动速度小,因而摩擦磨损小、主轴可选用较高转速;
(7)可实现径向和轴向随变,能够实现径向和轴向的磨损补偿、对系统杂质和液体具有较高的容许量;
(8)定压缩比压缩,因而启动性能好,转速可在较大范围内调节且效率变化不大,变转速特性好;
(9)多个压缩腔同时工作,转矩和驱动力矩变化幅度小;
(10)相邻压缩腔的压差小,因而工作腔间的密封性好,气体泄漏小。
由于涡旋压缩机型线的特性决定其存在如下的缺点:
(1)涡旋盘的加工精度要求高,涡旋齿型线的加工难度大;
(2)整机摩擦副数量较多;
(3)难以实施压缩气体的外部冷却,工作过程中的热量不易导出,因而压缩比不能过大,适用于压缩指数较小的气体,或需对压缩腔进行喷液以进行内部冷却;
(4)当排气压力变化时,其变工况性能欠佳;
(5)难以适应较大排气量和较高压力比的应用场合。
1.4涡旋压缩机的应用
涡旋压缩机的应用领域非常广泛,且不断在扩大,主要用作涡旋制冷压缩机、涡旋空气压缩机、涡旋增压器、涡旋液体泵、涡旋发动机、涡旋膨胀机和涡旋真空泵等。
涡旋压缩机主要应用于
1.制冷和空调
在制冷和空调领域涡旋压缩机的应用最为广泛和成熟,大多数制成封闭式压缩机,但是也可以制成开启式结构用于汽车和列车空调系统用压缩机,为提高气量已发展到采用多机并联机组的设计形式。
2.空气压缩机
涡旋空气压缩机的品种和规格较多,排气量主要集中在0.6~3m/min之间,主要是动力用涡旋空气压缩机。
近年来国内在无油润滑涡旋空气压缩机方面进行了深入的研究。
增压器
在增压器应用方面,比较典型的是汽车发动机用涡旋增压器。
德国大众公司成功开发了著名的G增压器,使得发动机的功率提高了35%。
涡旋增压装置在20世纪90年代以后,又被谷轮公司制造成医用空气动力源,效果也比较理想。
此外,也有研究和探讨涡旋膨胀机和涡旋压缩机两者结合,利用汽车排出废气的能量实现对新鲜气体的增压。
4.真空泵
涡旋机械也可作为真空泵应用,所达到的极限真空比一般回转真空泵高。
涡旋真空泵也可制成公转型和自转型两种结构形式。
自转型涡旋式真空泵的涡圈之间,密封线的位置和方向始终不变,这样,通过调节涡盘径向的作用力,达到更好的径向密封效果。
目前涡旋真空泵的真空度可达10-²Pa,这比滑片式真空泵所能达到的真空度提高了近10倍。
5.膨胀机
涡旋膨胀机是容积式膨胀机的一种,适合用于中小型ORC循环系统,可用于回收工业(如冶金、水泥、陶瓷、玻璃生产等)中存在的大量不能充分利用的中低品位余热,从而节约能源、保护环境。
1.5涡旋压缩机的发展展望
涡旋压缩机是近十几年来迅速发展起来的一种新型容积式压缩机,主要用于制冷、空调,真空泵等行业,随着行业中技术的不断进步,批量生产的可行性已经越来越受到压缩机行业的公认。
但要进一步提高产品性能及经济效益,还有许多方面需要改进,许多困难需要克服。
(1)型线的优化设计和新型线的
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