第4章 涡旋式制冷压缩机

结构与工作过程
低压气体从机壳顶部吸气管1 直接导入涡旋板四周，封在月 牙形容积中，然后被压缩； 高压气体由静涡旋体5的中心 排气孔2进入排气腔4，并通过 排气通道6被导入机壳下部去 冷却电动机11，与润滑油分离 后由排气管19排出； 十字滑环18是上、下两面设置 互相垂直的两对凸键的圆环， 其作用是防止动涡旋体倾斜和 自转。背压腔8的作用是平衡 轴向力和力矩； 润滑系统：压差供油
V—θ曲线
理论输气量qvt
三 、 输 气 量
理论输气量为吸气容积与压缩机转速的乘积（m3/h）
qvt ＝60nVs＝60n P(P-2t)(2N-1)h
（5-13）
实际输气量qva
qva = vqvt
容积效率ηv
定义与往复式相同
（5-14）
v = vptl
（5-15）
涡旋式压缩机的容积效率
工作过程
排气孔
当两个月牙形空间汇合成一个中心腔室并与排气孔相通时，压缩过程结束，开始 进入排气过程，直至中心腔室的空间消失，排气过程结束。
工作过程说明
涡旋圈数为3圈，曲轴旋转3周(即曲轴转角1080°)，涡旋体外圈分别开 启和闭合三次，完成3次吸气过程、1次压缩及排气过程。即每当最外圈 形成两个封闭的月牙形空间并开始向中心推移成为内工作腔时，另一个 新的吸气过程同时开始形成； 不同的涡旋圈数，压缩过程的转角不同，涡旋圈数愈多转角愈大； 吸气、压缩、排气等过程同时和相继在不同的月牙形空间中进行。外侧 空间与吸气口相通，始终进行吸气过程，中心部位空间与排气孔相通， 始终进行排气过程，中间月牙形空间一直进行压缩过程。
三 、 发 展 趋 势 及 研 究 现 状
优化结构，简化生产工艺，降低生产成本 涡旋体型线研究，提高密封性能，减少磨损
双作用压缩机：采用双作用涡旋盘，动涡盘的两面有完全对称的型线，分别
与两侧的静涡旋盘型线啮合。此结构两侧气体力完全平衡，可减少轴向磨损和 气体泄漏。
扩大应用范围（低温领域、新工质） 计算机仿真优化设计
制造需高精度的加工设备及精确的调心装 配技术，限制了其制造及应用。
涡旋式压缩机的优点
压缩室由一对 涡旋盘组成 同时对称地形 成几个压缩室 扭矩变化小 振动小、噪声 低
反复冲击部分 少
效率高
不需要吸气 阀、排气阀
回转半径很小 只有几毫米 没有余隙容积
零部件数量少 可靠性高
相对滑动速度 低 体积小重量轻 内部泄漏、通 道损失少、容 积效率高
2、吸气容积
当动涡旋体转角θ＝0°时，最外圈压缩室容 积定义为吸气容积。若涡旋式压缩机有N对压 缩腔，吸气容积计算式为：
Vi = P( P 2t )(2 N 1)h
（5-12）
（即吸气容积按式（5-8）计算，式中的 i=N,θ=0°）
3、压缩室容积随转角变化曲线（图5-20）
压缩室容积V是动涡旋体转角θ的函数：
3.1活塞式制冷压缩机的构造
Refrigeration Technique
张进制作
3.1活塞式制冷压缩机的构造
Refrigeration Technique
张进制作
涡旋式制冷压缩机
2.涡旋式制冷压缩机的工作原理 涡旋压缩机的工作过程仅有进气、压缩、排气三个 过程，而且是在主轴旋转一周内同时进行的，外侧空间 与吸气口相通，始终处于吸气过程，内侧空间与排气口 相通，始终处于排气过程，而上述两个空间之间的月牙 形封闭空间内，则一直处于压缩过程。因而可以认为吸 气和排气过程都是连续的。
第四章 涡旋式制冷压缩机
4.1 工作原理、工作过程及特点
主 要 内 容
4.2 涡旋式压缩机的啮合原理与型线
4.3 结构
4.4 密封与防自转结构*
4.5 热力过程 4.6 动力过程 4.7 安全保护
4.1 工作原理、工作过程及其特点 涡旋式压缩机简介
属容积型（回转式）压缩机； 由法国人发明， 1905年在美国取得专利，1982年日本三电 公司生产出汽车空调用涡旋式压缩机；
相邻两室的压差小，气体的泄漏量少；
二 、 特 点
由于吸气、压缩、排气过程是同时连续地进行，压力上升 速度较慢，故转矩变化幅度小、振动小；
没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降的膨胀过程；
无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低；
由于采用气体支承机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔内 压力过高，可使动盘与静盘端面脱离，压力立即得到释放； 机壳内腔为排气室，减少了吸气预热，提高了输气系数； 涡线体型线加工精度高，必须采用专用的精密加工设备； 密封要求高，密封机构复杂。
图5-15 两涡旋体构成的压缩室投影面积
1 、压缩室容积
当两涡旋体构成的压缩室大于3个，则除中心压 缩室以外，任一对压缩室容积的通用 h 5-8）
中心压缩室容积为：
V 1 = S1h
其中，S1为中心压缩室的投影面积。
（5-11）
效率高
吸气、压缩、排气连续单向进行，直接吸气，因而吸入气体的有害 过热小； 没有余隙容积中气体的膨胀过程，容积效率高（高达95％以上）； 两相邻压缩腔中的压差小，气体泄漏少； 动涡旋体上所有接触线转动半径小，运动速度低，摩擦损失小； 无吸气阀，也可不设置排气阀，气流的流动损失小； 涡旋式压缩机的效率比往复式约高l0％。
θ=0°时第③室容积完全闭合； θ=2 时第③室变为第②室，即V=V2(θ)=V3(θ=2 )； 当θ=θ*时第②室与第①室连通，开始排气，此时的排 气容积V*=V1(θ*)+V2(θ*)，但V1(θ*)是第①室残留气 体的容积，即涡旋式压缩机的余隙容积，它没有向吸气 腔的膨胀过程，不影响压缩机的容积效率。
6）机壳内腔为排气室，减小了吸气预热，提高了压缩机的 输气系数。 7）涡线体型线加工精度非常高，必须采用专用的精密加工 设备。 8）密封要求高，密封机构复杂。
内压力过高，可使动盘与静盘端面脱离，压力立即得到释放。
结构组成
一 、 工 作 原 理
由动、静涡旋体、曲轴、机 座、防自转机构组成； 由动、静两个涡旋盘相错 180°对置而成，它们在几条 直线(在横截面上为几个点) 上接触并形成一系列月牙形 容积（基元容积）； 动涡旋盘由一个偏心距很 小的曲柄轴驱动，绕静涡旋 盘平动，两者间的相对位置 靠安装在动涡旋盘与固定部 件间的十字滑环保证。
为目前较新型的制冷压缩机，广泛用于5~70kW功率范围。
涡旋式制冷压缩机 1.基本构成 涡旋式压缩机的结构如图所示。它由运转涡旋盘（动 盘）、固定涡旋盘（静盘）、机体、防自转环、偏心轴等 零部件组成。 动盘1和静盘2的涡线呈渐开线形状，安装时使两者中 心线距离一个回转半径e，相位差180°。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。
工作过程（图5-2）
动涡旋体
静涡旋体 动涡旋体中心 静涡旋体中心
动涡旋体中心位于静涡旋体中心的右侧，涡旋外圈部分刚好封 闭，此时最外圈两个月牙形空间充满气体，完成了吸气过程。
工作过程
压缩腔 排气孔
随着曲轴转动，动涡旋体作回转平动，动静涡旋体保持良好啮合，外圈两个月牙 形空间中的气体不断向中心推移，容积不断缩小，压力逐渐升高，进行压缩过程。
工作过程特征
吸、排气连续进行，从吸气开始至排气结束 需经动涡旋体多次回转平动才能完成,故转矩 较均衡，气流脉动小，振动小，噪声低； 各月牙形空间之间压差较小，故泄漏少； 进排气分别在涡旋外侧和内侧，减轻了吸气 加热； 采用排气冷却电动机，减少了吸气过热度， 提高了压缩机效率； 由于机壳内为高压排出气体，排气压力脉动 小，振动、噪声小； 余隙容积中气体没有向吸气腔的膨胀过程， 不需进气阀，容积效率高，可靠性高。
整机
过程模拟
涡旋盘
涡旋式制冷压缩机 结构总图 1-曲轴 2、4-轴承 3-密封 5、 15-背压腔 6-防自转环 7-排 气管 8-吸气腔 9-吸气管 10-排气口 11-机壳 12-排气 腔 13-静盘 14-动盘 16-机 架 17-电动机 18-润滑油
图4-13
吸气 立式
排气
卧式
涡旋式制冷压缩机
力矩变化小，振动小，噪声低
压缩过程较慢，并可同时进行两三个压缩过程，机器运转平稳，且曲 轴转动力矩变化小，其转矩为滚动转子式和往复式的1/10； 气体基本连续流动，吸、排气压力脉动小，因此振动、噪声小。
结构简单，体积小，重量轻，可靠性高
构成压缩室的零件数与滚动转子式及往复式之 比为1:3:7，其体积比往复式小40％，重量轻 15％； 没有吸、排气阀，易损件少；有轴向、径向间 隙可调的柔性机构，能避免液击，可靠性高； 在高转速下运行可保持高效率和高可靠性，其 最高转速可达13000r／min。
涡旋压缩机在 主轴旋转一周 的时间内，仅 有的进气、压 缩、排气三个 工作过程是同 时进行的，外 侧空间与吸气 口相通，始终 处于吸气过程， 内侧空间与排 气口相通，始 终处于排气过 程。
图4-12 涡旋式压缩机工作原理示意图 a）0°位置 b）90°位置 c）180°位置 d）270°位置 1-压缩室 2-进气口 3-动盘 4-静盘 4-排气口 6-吸气室 7-排气室 8-压缩室
图4-11 涡旋式压缩机的结构 1-动盘 2-静盘 3-机体 4-防自转环 5-偏心轴 6-进气口 7-排气口
涡旋制冷压缩机
涡旋盘实物
涡旋式压缩机
回转式：容积式压缩机的一种，通过一个或几个转子在气缸里 作回转运动使得工作容积发生周期性变化。与往复压缩机不同 的是，回转压缩机的工作容积在周期性扩大和缩小的同时，其 空间位置也在变更。
二 、 压 缩 室 容 积 及 吸 气 容 积
将两个相同涡旋参数的涡旋体中的一个旋转180°， 再平移回转半径R=0.5(P-2t)=r( -2 )距离，使两涡旋体 相互相切接触，可形成若干对月牙形空间，此即涡旋压缩 机的压缩室容积。
图5-15示出圈数为 3.25时形成的三对 月牙形面积, 规定 其构成的压缩室由 最内向外排定序号 为①②③室）
气体泄漏的种类
内泄漏
指压缩机各压缩腔之间,压缩腔与背压腔之间的气体泄 漏。表现为高压气体向低压腔泄漏,再从低压腔压力压缩 到泄漏前压力,造成重复压缩消耗功率。内泄漏直接结果 为增加功耗；
基元容积
动、静涡旋体型线均为螺旋形，动涡旋体相对静涡旋体偏心 并相差180°对置安装。它们轴向在几条直线上接触，在动 静涡旋体间形成一系列月牙形空间，即基元容积。 动涡旋体以静涡旋体中心为旋转中心作无自转回转平动，外 圈月牙形空间不断向中心移动，基元容积不断缩小。
工作原理
静涡旋体最外侧开有吸气孔，其顶部端面中心开有排气孔。制冷 剂气体从吸气孔进入动、静涡旋体间最外圈的月牙形空间，随着动 涡旋体的运动，气体被逐渐推向中心空间，其容积不断缩小压力不 断升高，直至与中心排气孔相通，高压气体被排出压缩机。
3.涡旋式制冷压缩机的特点 1）相邻两室的压差小，气体的泄漏量少。 2）由于吸气、压缩、排气过程是同时连续地进行，压 力上升速度较慢，因此转矩变化幅度小、振动小。
3）没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降的膨胀 过程。
4）无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低。
涡旋式制冷压缩机
5）由于采用气体支承机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔
采用新材料、新机构，减少机械摩擦损失、气体泄漏损失、传热 损失和气流阻力损失，提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性。
变容量调节新技术：数码涡旋压缩机
密封与防自转机构
4.5 热力过程分析
涡旋体型线：圆的渐开线
一 、 涡 旋 体 型 线
主要涡旋参数：
基圆半径 r 渐开线起始角 涡旋体壁厚 t = 2r 涡旋体节距 p = 2 r 涡旋体高 h 压缩腔室对数 N 涡旋圈数 m=N+1/4
无余隙容积中气体向吸气腔的膨胀过程，容积系数v＝1（即涡旋 式压缩机的余隙对输气量无影响）；
无吸气阀，吸气为吞吸式，吸气压力损失小，压力系数p ＝1；
中心室与吸气室通过中间压缩室隔开，余隙中的高温气体不会回流 到吸气室加热吸入气体，加之转速高，因此温度系数λT较高，近 似有T ＝1； 由于涡旋式压缩机各圈压缩空间的压力差不大，因此泄漏量较小且 为内泄漏（泄漏量受轴向和径向间隙大小影响，尤其轴向间隙影响 较大），在密封完善时泄漏更小； 其容积效率在0.95以上，这是其它容积式压缩机不能与之相比的。