涡旋压缩机工作原理

t 2 r
P 2 r

1 4
压缩腔室对数 N 涡旋圈数
mN
动、静涡盘基圆中心距离 （回转半径）
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
创成法生成圆的渐开线
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
创成法生成圆的渐开线
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
基元容积随转角变化的关系
记圆的渐开线展角增量 d 对应的微元面积为 dS 则有：
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋压缩机的几何理论
构成涡旋压缩机的 涡旋曲线可以采用 螺线、正多边形的 渐开线以及圆的渐 开线 。
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
φ
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
若以渐开角（也叫展开角） 作为参变数，则圆的 渐开线可表示为：
x r (cos sin )
xi r[(cos(i ) i sin(i )] yi r[(sin(i ) i cos(i )]
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
具有一定壁厚的涡旋体外侧及内侧的渐开线的方程还 可以表示为：
x0 r[cos ( ) sin ] y0 r[sin ( ) cos ]
3
3
1 1 S 3 [ r 2 3 ]02 [ r 2 3 ]02 6 6
3
3
S4
S4
涡旋式压缩机
中心压缩腔1 面积计算用图
《容积式压缩机》讲义
r0 2 r
r0 2 r
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
中心腔的容积计算式为：
V1 S h (2 S1 2 S 3 S 2 2 S 4 ) h 1 2 5 3 3 2 r {( )3 ( ) 3 } 2 r 2 ( ) 2 r 2 3 ( S 2 2 S 4 ) 3 2 2 2 3
中心腔1的面积 涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
θ
S
1 S1 [ r 2 3 ] 32 6 2
5
1 S1 [ r 2 3 ] 32 6 2
5
—
S2
1 1 S 3 [ r 2 3 ]02 [ r 2 3 ]02 6 6
xi r[cos ( ) sin ] yi r[sin ( ) cos ]
都以为 参变数
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
β
φ φ φ
0
δ
α α
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋压缩机的涡线参数：
基圆半径 r 涡旋体壁厚 涡旋体节距 涡旋体高度 h 渐开线起始角
V2 2 S h p ( p 2t )h (3 )
从中心压缩腔数起的第 i 个压缩腔容积的通式为：
Vi ( ) p ( p 2t ) h[(2i 1) ] (i 2)
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
中心腔 1 的容积计算，分为两种情况： 首先来看排气角 * 的定义：工作腔和排气孔开始连通时 的动盘转角。 先看 时中心腔容积的计算：
y r (sin cos )
考虑到涡圈有一定的壁厚，涡旋体的外侧及内侧渐 开线分别表示为：
x0 r[(cos(0 ) 0 sin(0 )] y0 r[(sin(0 ) 0 cos(0 )]
以 0 为参变数 以 i 为参变数
空气压缩机
压力比较高，且空气会产生较多的压缩热，因而技术上难度较空调压缩机 大。目前空气压缩机的应用包括无油涡旋空气压缩机和喷油涡旋空气压缩 机，单机排气量一般在1m3/min以内，排气压力在1Mpa以下。
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋压缩机的生产厂家
空调用涡旋压缩机 （0.75~15 KW，一般3~5 KW）
《容积式压缩机》讲义
日本：
Dakin Hitachi Sande Sanyo Toshiba_ Carrier Mutisubishi Electric ，数量上没有一家可以和 Copeland 竞争。 韩国： LG 电子，Century 生产 1.5-5.0 HP 涡旋压缩机 中国：
苏州 Copeland
注册专利
上世纪70年代，高精度数控铣床的出现，给涡旋机械技术的发 展带来了机遇
1975年美国ADL公司首次开发了涡旋式氦气压缩机，并应用在 远洋海轮上，标志着涡旋压缩机实用化年代的到来，迈出了工 程开发关键性的一步 80年代初，涡旋机械首先在空调技术领域取得了商业应用，生 产了涡旋式汽车空调压缩机（Sanden，1982）和柜式空调全封 闭涡旋压缩机（Hitachi，1983） 涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋式压缩机
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
主要内容
发展历史 基本原理 涡旋压缩机的特点及应用 涡旋压缩机几何理论、型线及其修正 柔性补偿机构 防自转机构
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋压缩机的发展历史
1905 年由法国人Leon Creux提出涡旋机械的概念，并在美国
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
作为一种回转机械，与其它回转机械比较，具有如下优点：
吸气过程主轴转角可到达360度，理论上涡旋压缩
机的容积（进气）系数可大到100% 。 排气过程主轴转角为360度，这也是其它回转压缩 机无法比拟的。因此，排气比较均匀，阻力损失相 对较小。
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
Vh vi ( ) Vi ( * )
*
vi ( * )
2N 1
* 3
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋压缩机的特点
作为一种回转机械，与往复机械比较，具有如下优点：
结构简单，体积小，重量轻，易损件少，可靠性高。 无余隙气体膨胀，吸气过热很小，泄漏小（相邻容积 之间压差小），容积效率高。 无气阀，流动损失小；动盘运转速度低，整个机器摩 擦损失相对较小，机械效率高。 多个工作腔同时工作，转矩均匀，运转平稳。 吸排气过程连续，进排气的压力脉动小，故振动小， 噪声低。
涡旋式压缩机
涡旋压缩机基本原理
《容积式压缩机》讲义
图1 涡旋压缩机基本零件 1 静涡盘 2 动涡盘 3 十字滑环 4 主轴 5 机架
图2 涡旋压缩机基本机构 1 静涡盘 2 动涡盘 7 排气口 3 十字滑环 4 主轴 5 机架 6 吸气口
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
《容积式压缩机》讲义
谷轮（Copeland ）公司于1987年开始生产涡旋压缩机 开利公司，特灵公司于1992年开始生产涡旋压缩机 80年代后期，涡旋机械在我国逐渐成为研究热点，先后 有西安交通大学、甘肃工业大学、机械部通用机械研究所 等。1987年试制出第一台涡旋空气压缩机 1990s，涡旋压缩机系列化产品相继问世。日本松下电器 生产出家用空调用小型全封闭压缩机；东芝推出列车空调 压缩机；开利推出冷水机组上并联用的涡旋压缩机；涡旋 空气压缩机也得到一定的发展。
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋压缩机应用
空调压缩机
全封闭结构，单机功率在1-25HP范围，制冷工质可以是R22、R407C、 R410A等
制冷压缩机
压力比大，排气温度较高，一般采用加大润滑油或喷射制冷工质的方法降低 进行内冷却 ，目前有适用工质R12、R404A/R507和R134a，功率在215HP.
2.5x10 2.0x10 1.5x10 1.0x10 5.0x10
-4
-4
-4
-4
-5
0.0 -5.0x10
-5
-200
0
200
400
600
800 1000 1200 1400
曲柄转角 /度
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
内压缩及开始排气角
涡旋压缩机的内容积比是指形程容积与任意回转角下个各压 缩腔的容积之比， 即： Vh vi ( ) Vi ( ) 而结构内容积比是指形程容积与内压缩终了时压缩腔的容积之 比， 即：
0 *
涡旋式压缩机
静盘
《容积式压缩机》讲义
*
动盘
开始排气时刻的回转角， 称作排气角。
θ
θ
涡旋式压缩机
0
*
θ θ
* 2
《容积式压缩机》讲义
θ
θ
0 *
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
θ
θ
θ θ
* 2
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
压缩机每分钟的理论排气量 Vt (m3 / min) 为： 压缩机每分钟的实际排气量 V (m 3 / min) 为：
Vt nVh
V Vt v
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
定义涡圈最外侧闭合时，动涡盘转角 =0
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
3.5x10 3.0x10
-4
-4
工作容积 /(m3)
欧美： Copeland 目前全球最大的涡旋生产制造商。在全球年总产量 为600万台。冷媒有R22、R407C、R410A和R404A。 Carrier 92年开始推出产品，年产量100万台，生产2-9HP的涡 旋压缩机。
Trane 92年开始生产7.5-15HP的涡旋压缩机
Danfoss 92年开始生产7.5-30HP的涡旋压缩机。 涡旋式压缩机
1 dS ( r ) 2 d 2
，
由此求得图中阴影部分的面积
S

S
为：
0
1 2 3 dS r 6
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
B
rd
M（x，y）
d
S

A
d
渐开线
r
基圆
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
定义涡圈最外侧闭合时，动涡盘转角 =0
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
* 2
* 2
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
行程容积及排气量
对具有N个压缩腔室的压缩机， 从工作腔容积计算的通式可以 Vi ( ) 0,i N 成为行程容积 Vh 得出，令i=N， =0 ，则 （m3），即： Vh Vi ( ) 0,i N p ( p 2t )h[(2i 1) ] 0,i N p ( p 2t )h (2 N 1)
涡旋压缩机存在的缺点：
对零部件的精度要求很高
工作腔无法实施外冷却
受涡旋体高度的限制，流量大时涡盘直径必 须增大，要求更大的平衡重 受工作腔密封与零部件强度的限制，排气压 力不宜过高，到目前没有超过3.0MPa的工业 产品。
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋压缩机的研究动向
✓提高涡旋盘的生产效率； ✓减小机械摩擦损失、气体泄漏损失，提高工作 效率和可靠性； ✓拓宽使用领域 ✓适应新的制冷工质的要求
0 *
当 时，由于所研究的中心腔1 已与其外 2 便得到此 侧的压缩腔2 连通，所以只要将上式转动 时的容积：
V1 S h (2 S1 2 S 3 S 2 2 S 4 ) h 1 2 9 7 7Baidu Nhomakorabea2 2 3 3 3 2 2 r {( ) ( ) } 2r ( ) r ( S 2 2 S 4 ) 3 2 2 2 3
西安Dakin 广州万宝
大连三洋
涡旋空气压缩机
瑞典 Atlas 日本 岩田涂装 三井精机 1-15KW 功率范围内最受青睐的机型
涡旋式压缩机
《容积式压缩机》讲义
涡旋压缩机的主要构件有： 静涡盘 动涡盘 十字滑环 主轴 机架 静涡盘与动涡盘的涡旋体或涡圈一般均为相 同的渐开线构成，偏心配置，相向安装，且 相位相差180度。
φ
θ
A0[φ]= Ai[φ]=
3 2 5 2
S
1 S l [ r 2 ] 6
9 3 2 5 2
1 S s [ r 2 3 ] 32 6 2
7
涡旋式压缩机
压缩腔面积2 计算用图
《容积式压缩机》讲义
由于形成两个2个形状相同的压缩腔，所以其容积为：