制冷压缩机 教学课件 ppt 作者 吴业正 第三章 滚动转子式制冷压缩机

第三章滚动转子式制冷压缩机3.1工作原理、结构特点及发展状况3.2主要热力性能3.3动力学分析及主要结构参数3.4振动与噪声3.5摆动转子式压缩机3.1工作原理、结构特点及发展状况 一、概述汽缸偏心轴滚动转子滑片排气阀弹簧外壳等 结 构 组 成 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。基元容积大小随转子转角变化，是转子转角θ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 工作原理 利用一个偏心圆筒形转子在气缸内转动改变工作容积，实现气体的吸入、压缩和排出。二、压缩机工作过程θ=αθ=2π θ=4π-γθ=2π+ψ 再度压缩θ=4π-φ θ=2π+βθ：转子转角几个特征角 吸气孔口后边缘角α （顺旋转方向）可构成吸气封闭容积θ=α 时吸气开始，α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β 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β的不利 影响，通常β＝30˚～35˚。 排气孔口后边缘角γ影响余隙容积的大小，通常γ＝30˚～35˚。 排气孔口前边缘角ф构成排气封闭容积，造成气体再度压缩。 排气开始角Ψ 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。工作过程 过程 转角 压力变化 基元容积 准备过程 0~α 1-2,从最大降至0 0 吸气过程 α~2π 3-4,Ps0 a~b,从0升至 Vmax 气体倒流 2π~2π+β 4-5,Ps0 b~b’,减少ΔV 压缩过程 2π+β∼2π +ψ 5-6,从Ps0升至 Pdk b’~c 排气过程 +~ 6-7Pdk c~d 余隙容积气体膨胀过程 4π-γ~4π–φ 7-8,Pdk降至Ps0 再压缩过程 4π–φ~4π 8-1,压力急剧上升，超过Pdk气体压力-转角曲线 基元容积-转角曲线图4-3PdkPs0 Vmax工作容积与气体压力随转角θ的变化 2π+ψ vd,4π−γ 工作过程气体的吸气、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，故可以认为压缩机一个工作循环仍是在一转中完成的。特征角α、β、γ、φ对压缩机的性能有影响。α和φ角分别决定吸、排气封闭容积的大小；β角直接影响排气量，它的存在使达最大基元面积(θ=2π)后，基元面积在与吸气孔口相连通的情况下再次缩小(θ=2π~2π+β)，产生吸气倒流；γ角表示余隙容积的大小。在结构可能的前提下，α、β、γ、φ应尽可能小。 三、主要结构形式及特点主要结构形式: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 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。 特点优点： 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，因为没有吸气阀故流动阻力小，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。 四、目前发展趋势 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4-6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的。） 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4-8） 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。3.2主要热力性能 输气量及其影响因素理论输气量（汽缸工作容积与转速的乘积）实际输气量qva=ηvqvtqvt=60nVp(m3/h)(m3/h) ηv=λvλpλtλlλh（回流系数） ηv0.7~0.9 容积效率表征汽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，其值大于往复式压缩机。影响输气量的因素容积系数λv 余隙容积的组成： 转子与气缸的切点T达到4π-γ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λp：表征吸气压力损失对输气量造成的影响；温度系数λT：反映由于吸入气体被加热造成输气量的减少；泄漏系数λf：表征气缸中气体泄漏对输气量造成的影响；回流系数λh：回流使输气量减少。输气量调节方法一、变频调节二、旁通调节三、多机并联调节3.3动力学分析及主要结构参数 一、变频调节具有节能、舒适、启动快速、温控精度高和易于实现自动化等优点。启动时压缩机高速运转，快速接近暖房设定温度，当室内温度趋向适合温度时，压缩机低速运转，可减少开停次数，并使室温变化很小，达到既节能又舒适的目的。包括交流变频器调速和直流变频器调速。 采用变频调节的热泵空调机运行特性 1、交流变频器调速 变频器是使交流电频率发生连续变化的装置。它首先通过整流器将交流电转换为直流电，然后再通过逆变器将直流电经控制电路转换成频率可变的交流电； 变频器有电流源型和电压源型，又根据控制电路调制方式分为脉宽调制方式（PWM方式）和脉幅调制方式(PAM方式），当前空调器用制冷压缩机的电动机变频器多采用电压源型PWM方式。 交 流 变 频 器交流变频器的工作过程 温度传感器测出房间温度及换热器温度送入微机，经运算后将信息送入数字信号控制电路进行波形成型处理，然后送入逆变器，将由整流器送来的直流电转换为频率可变的交流电，去驱动感应电动机。 当传感器测出的冷房温度大于设定温度，则经微机运算再通过数控电路，使逆变器输出的交流电频率升高，电动机转速增加，制冷量增大，冷房温度降低至设定值，完成能量调节。 交流变频器调速 感应电动机的转速n与交流电输入频率的关系为: 假定s为常量，改变交流电的频率就可以改变电动机转速，压缩机的输气量与电动机的转速成正比，若交流电频率连续变化，则转速连续变化，从而实现了输气量的连续调节、达到了制冷量连续调节的目的。该方法空调工作功率的变化呈阶梯性变化，一般只分为几档。2、直流变频器调速采用直流变频器将50Hz或60Hz固定频率的交流电转变成直流电，对直流电动机进行调速，省却了交流变频器又将直流变成交流的麻烦，使电器元件减少；直流变频呈线性平滑的变化，空调工作时可在功率范围内任意递增或递减，空调功率可随温度出现精确变化，故更省电；直流变频压缩机的电动机转子采用稀土永磁材料制成（永磁无刷直流电动机），定子产生旋转磁场与转子永磁磁场直接作用，实现压缩机运转，可通过改变供给电机的直流电压来改变电机转速（调整电枢电压法），为得到可调整的直流电源，广泛采用脉宽调制系统（PWM系统）。直流变频压缩机不存在定子旋转磁场对转子的电磁感应作用，克服了交流变频压缩机的电磁噪音与转子损耗，具有比交流变频压缩机效率高与噪音低特点，直流变频压缩机效率比交流变频压缩机高10%-30%，噪音低5～10dB。 无刷直流电动机 无刷直流电动机由直流电源供电，在结构上没有电刷和换向器，其绕组里的电流变化（通、断和方向）是通过电子换向器（控制器）实现的，电流以方波形式变化。 永磁无刷直流电动机的电动机转子采用稀土永磁材料制成，其结构形式与无刷直流电动机一样，但其绕组电流按正弦规律变化。无刷直流电动机的工作原理 3、变频调节给压缩机带来的问题 压缩机高速运转时： 运动部件的磨损增加； 气体流经排气阀的流动损失增加，并导致排气阀片产生延 迟关闭，阀片寿命降低； 润滑油循环率随转速增加而增加； 各种杂质随润滑油进入运动部件间隙中，引起部件损伤； 噪声增加。压缩机低速运转时：导致泄漏量增加压缩机振动随转速变化加剧 二、旁通调节1、单缸机旁通调节 在压缩腔设置旁通孔D，使一部分被压缩气体返回吸气腔，其输气量调节范围一般在100%～70%，由旁通孔位置决定。2、双缸机旁通调节 电磁控制阀10控制左缸中被压缩的气体引入右缸，使卸载阀13动作，关闭右缸吸气孔口8，右缸进入空运转，压缩机输气量减少一半，达到调节负荷的目的。 三、多机并联调节 当需要的制冷量（或制热量）变化范围较大时，采用多台压缩机并联进行制冷量调节是比较高效、经济的调节方式，并且可以减少单台压缩机的停机次数，延长压缩机的寿命； 多机并联运行按制冷量大小的需要，可以只运行一台，也可以多台全部同时运行。双作用滚动活塞压缩机传统的滚动活塞压缩机压缩转矩波动大，导致机器振动大、压缩机配管容易损坏。为解决这一问题，提出了气缸内具有两个工作室的双作用滚动活塞压缩机。 工作原理 双作用滚动活塞压缩机是在普通滚动活塞 压缩机滑板的对称位置上，再增加一个滑 板（包括滑板弹簧）。每个滑板的两侧都 开有吸、排气孔口。 两个滑板将气缸与滚动活塞间的月牙空间 分为三部分，即有三个工作腔：吸气腔、 压缩腔、中间腔。 针对每个工作腔而言，主轴旋转一圈半才 完成一个完整的工作循环；对整个压缩机 来说，三个工作腔同时工作，主轴每转一 转排气两次。一、滚动转子式制冷压缩机的振动引起振动的原因 压缩机曲柄-连杆机构运动时形成的惯性力； 由于气流脉动引起的管系振动。惯性力 往复惯性力：取决于曲柄-连杆机构的运动及质量分布，为活塞组和连杆往复运动 部分产生的往复惯性力之和。 旋转惯性力 换算到曲柄销中心的曲柄质量与曲柄销质量之和产生的旋转惯性力； 连杆旋转质量产生的旋转惯性力。惯性力平衡 单缸 多缸3.4振动和噪声 1、曲柄-连杆机构的惯性力和惯性力矩曲柄-连杆机构的运动特征 活塞的直线运动（活塞加速度aj，式3-35） 曲柄销的旋转运动（曲柄销径向加速度ar，式3-36）连杆的质量代替系统 假定连杆质量集中于连杆小头中心和连杆大头中心，构成两质量系统（mc1—往复运动质量，mc2—旋转运动质量，式3-37，3-38）。往复惯性力Fj（式3-40） 一阶往复惯性力Fj1 二阶往复惯性力Fj2旋转惯性力Fr（式3-41）往复惯性力矩和旋转惯性力矩 力矩产生原因：曲轴各曲拐上的惯性力不在同一个曲 轴旋转平面上。 2、滚动转子式的惯性力平衡单缸压缩机 旋转惯性力Fr平衡：在曲柄相反方向装平衡块完全平衡 （图3-155a，式3-42）； 往复惯性力Fj平衡：用平衡块部分平衡（图3-155b）。多缸压缩机 立式两缸（两曲拐夹角为180度） 旋转惯性力Fr平衡：相互抵消； 往复惯性力Fj平衡：作用在两个曲拐上的一阶往复惯性 力Fj1相互抵消； 旋转惯性力矩平衡：在曲柄相反方向设置两个平衡块 （图3-156，式3-44）； 往复惯性力矩平衡：用平衡块部分平衡。 角度式（图3-157，角度式压缩机的汽缸布置和平衡块位置； 表3-6，各种压缩机的惯性力平衡计算公式。）二、滚动转子式制冷压缩机的噪声 机械噪声 相对运动零件间隙产生的撞击 机体、管路、支承件振动 阀片撞击升程限制器和阀座 流体噪声 吸、排气时气体的压力脉动 气体流经电动机 气体在壳体内振荡引起的共鸣 电磁噪声 内置电动机运转发出的电磁声 噪 声 源降噪措施 针对不同噪声源采取不同措施： 提高零件加工精度和装配精度，以降低零件相互撞击噪声； 适当控制阀片升程，改善阀片的运动规律，以减少阀片冲击升程限制器和阀座时的冲击声； 合理设计减振装置，从而在减振的同时降低噪声； 改进壳体形状，提高其刚度及自振频率； 适当改变壳体尺寸防止壳内气柱共鸣； 适当加厚刚板厚度； 改变内部排气管的弯曲形状和支撑。3.5摆动转子压缩机工作原理 滚动活塞与滑板做成一整体零件，称为摆动转子，安装在气缸内。 摆动转子由滚环和摆杆两部分组成，滚环套在主轴的偏心轮上，主轴的旋转中心与气缸的几何中心重合； 摆杆在圆柱形导轨中能自由地上下滑动，并随导轨左右摆动。当滚动活塞在汽缸内作回转运动时，摆杆作左右摇摆运动。摆动转子压缩机的特点 摆动转子压缩机将滚环和摆杆做成一体后，使二者之间不存在密封和润滑问题，也不需设滑板弹簧。适合用于使用替代工质的制冷系统，因为与HFC配用的酯类油的润滑性能低于矿物油； 滚环和摆杆做成一体后，摆杆变成两侧支撑，可以承受较大的压力差；同时导轨又能转动，减小了摆杆的侧向力，并消除了滚环和摆杆间的摩擦磨损，使压缩机的机械效率有所提高； 摆动转子的受力不会因气缸直径或主轴偏心距的增大而增加，故可采用较小的气缸高度，使其内部最严重的泄漏部位--滚环与气缸切点处径向间隙的面积减小，即摆动转子压缩机结构本身有利于减少内部泄漏，提高了容积效率； 摆动转子加工很困难，导向部分的加工要求很精密，滚环与偏心轮间难以实现油膜动压润滑。