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1、第三章 螺杆式制冷压缩机 螺杆式压缩机是指用带有螺旋槽的一个或两个转子( 螺杆) 在气缸内旋转使气体压缩的压 缩机。螺杆式压缩机属于工作容积作回转运动的容积型压缩机, 按照螺杆转子数量的不同, 螺杆 式压缩机有双螺杆与单螺杆两种。双螺杆式压缩机简称螺杆式压缩机, 由两个转子组成, 而单螺 杆式压缩机由一个转子和两个星轮组成。20 世纪 70 年代以来, 螺杆式压缩机以其具有的许多 独特的优点, 在制冷空调领域得到了越来越广泛的应用。 第一节 螺杆式压缩机的工作过程 一、工作原理及工作过程 1 组成 螺杆式制冷压缩机主要由转子、 机壳( 包括中部的气缸体和两端的吸、 排气端座等) 、 轴承、 轴
2、封、 平衡活塞及输气量调节装置组成。图 3 -1 是典型开启螺杆式压缩机的一对转子、 气缸和 两端端座的外形图。两个按一定传动比反向旋转又相互啮合的转子平行地配置在呈“ ” 字形 的气缸 3 中。转子具有特殊的螺旋齿形, 凸齿形的称为阳转子 6, 凹齿形的称为阴转子 2。一般 阳转子为主动转子, 阴转子为从动转子。气缸的左右有吸气端座 1 和排气端座 5, 一对转子就支 承在左右端座的轴承上。转子之间及转子和气缸、 端座间留有很小的间隙。吸气端座和气缸上 部设有轴向和径向吸气孔口, 排气端座和滑阀 4 上分别设有轴向和径向排气孔口。压缩机的吸、 排气孔口是按其工作过程的需要精心设计的, 可以根
3、据需要准确地使工作容积和吸、 排气腔连通 或隔断。 2 工作原理 螺杆式压缩机的工作是依靠啮合运动着的一个阳转子与一个阴转子, 并借助于包围这一对 转子四周的机壳内壁的空间完成的。当转子转动时, 转子的齿、 齿槽与机壳内壁所构成的呈“ V” 字形的一对齿间容积称为基元容积( 见图 3 - 2) , 其容积大小会发生周期性的变化, 同时它还会 沿着转子的轴向由吸气口侧向排气口侧移动, 将制冷剂气体吸入并压缩至一定的压力后排出。 3 工作过程 图 3 - 2 为螺杆式压缩机的工作过程示意图。其中图 a、 b 为一对转子的俯视图, 图 c、 d、 e、 f 为一对转子由下而上的仰视图。当基元容积由最
4、小向最大变化时, 它与径向和轴向吸气口相通, 67 图 3 - 1 开启螺杆式压缩机的结构 1吸气端座;2阴转子;3气缸;4滑阀;5排气端座;6阳转子 进行吸气过程( 图 3 - 2a、 b) 。当基元容积达到最大并与吸气口隔开时, 吸气结束( 图 3 - 2c) 。 此后, 基元容积由最大逐渐变小, 开始气体的压缩过程( 图 3 -2d、 e) 。当基元容积开始与轴向和 径向排气口接通时, 进行排气过程( 图 3 -2f) , 直到基元容积变为零为止。 随着转子的连续运转, 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 了螺杆式压缩机的工作循环。 由上可知, 两转子
5、转向相迎合的一面, 气体受压缩, 称为高压力区; 另一面转子彼此脱离, 齿 间基元容积吸入气体, 称为低压力区。高压力区与低压力区由两个转子齿面间的接触线所隔开。 另外由于吸气基元容积的气体随着转子旋转, 由吸气端向排气端做螺旋运动。因此螺杆式压缩 机的吸、 排气孔口一般都是呈对角线方式布置的。 二、特点 就压缩气体的原理而言, 螺杆式压缩机与往复活塞式压缩机一样, 同属于容积式压缩机械; 就其运动形式而言, 螺杆式压缩机的转子与离心式压缩机的转子一样, 做高速旋转运动。所以, 螺杆式压缩机兼有二者的特点。 1 优点 ( 1)与往复活塞式压缩机相比, 螺杆式压缩机的转速较高( 通常在 3 00
6、0 r/ min 以上) , 又有 质量轻、 体积小, 占地面积小等一系列优点, 因而经济性较好。 ( 2)螺杆式压缩机没有往复质量惯性力, 动力平衡性能好, 故基础可以很小。 ( 3)螺杆式压缩机结构简单紧凑, 易损件少, 所以运行周期长, 维修简单, 使用可靠, 有利于 实现操作自动化。 ( 4)螺杆式压缩机对进液不敏感, 可采用喷油或喷液冷却, 故在相同的压力比下, 排气温度 比往复活塞式压缩机低得多, 因此单级压力比高。 ( 5)与离心式压缩机相比, 螺杆式压缩机具有强制输气的特点, 即输气量几乎不受排气压力 的影响。在较宽的工况范围内, 仍可保持较高的效率。 77 图 3 - 2 螺
7、杆式压缩机的工作过程 2 缺点 ( 1)由于气体周期性地高速通过吸、 排气孔口, 及通过缝隙的泄漏等原因, 使压缩机有很大 的噪声, 需要采取消音或隔音措施。 ( 2)要求精度较高的螺旋状转子, 这样就需要有专用设备和刀具来加工。 ( 3)由于间隙密封和转子刚度等的限制, 目前螺杆式压缩机还不能像往复活塞式压缩机那 样达到较高的终了压力。 ( 4)由于螺杆式压缩机采用喷油方式, 需要喷入大量油而必须配置相应的辅助设备, 从而使 整个机组的体积和质量加大。 87 第二节 结构及基本参数 一、主要零部件的结构 螺杆式压缩机的主要零部件包括机壳、 转子、 轴承、 平衡活塞、 轴封及输气量调节装置等。
8、 1 机壳 螺杆式压缩机的机壳一般为剖分式。它由机体( 气缸体) 、 吸气端座、 排气端座及两端端盖 组成, 如图 3 -3 所示。 图 3 - 3 机壳部件图 1 吸气端盖; 2 吸气端座;3 机体 ; 4 排气端座;5 排气端盖 机体是连接各零部件的中心部件, 它为各零部件提供正确的装配位置, 保证阴、 阳转子在气 缸内啮合, 可靠地进行工作。其端面形状为“ ” 字形, 这与两个啮合转子的外圆柱面相适应, 使 转子精确地装入机体内。机体内腔上部靠吸气端有径向吸气孔口, 它是依照转子的螺旋槽形状 铸造而成的。机体内腔下部留有安装移动滑阀的位置, 还铸有输气量调节旁通口, 机体的外壁铸 97
9、有筋板, 可提高机体的强度和刚度, 并起散热作用。 吸气端座上部铸有吸气腔, 与其内侧的轴向吸气孔口连通, 装配时轴向吸气孔口与机体的径 向吸气孔口连通。轴向吸气孔口的位置和形状大小, 应能保证基元容积最大限度地充气, 并能使 阴转子的齿开始侵入阳转子齿槽时, 基元容积与吸气孔口断开, 其间的气体开始被压缩。吸气端 座中部有安置后主轴承的轴承座孔和平衡活塞座孔, 下部铸有输气量调节用的液压缸, 其外侧面 与吸气端盖连接。 排气端座中部有安置阴、 阳转子的前主轴承及推力轴承的轴承座孔, 下部铸有排气腔, 与其 内侧的轴向排气孔口连通。轴向排气孔口的位置和形状大小, 应尽可能地使压缩机所要求的排
10、气压力完全由内压缩达到, 同时排气孔口应使齿间基元容积中的压缩气体能够全部排到排气管 道。轴向排气孔口的面积越小, 则获得的内容积比( 内压力比) 越大。装配时, 排气端座的外侧 面与排气端盖连接。 机壳的材料一般采用灰铸铁, 如 HT200 等。 2 转子 转子是螺杆式压缩机的主要部件, 如图 3 - 4 所示, 常采用整体式结构, 将螺杆与轴做成一 体。转子的毛坯常为锻件, 一般多采用中碳钢, 如 35 钢、 45 钢等。有特殊要求时也有用 40Cr 等 合金钢或铝合金的。目前, 不少转子采用球墨铸铁, 既便于加工, 又降低了成本。常用的球墨铸 铁牌号为 QT600 - 3 等。转子精加工
11、后, 应进行动平衡校验。校验时, 允许在吸气端面较厚的部 分取重。允许的不平衡力矩, 因转子的尺寸和转速不同, 通常是 0 05 1 0 N m, 可近似地取作 ( 0.1 0.2) G 10 - 3 N m( G 为转子重力, N) , 尺寸小、 转速高的机器应取偏低值。 3 轴承与油压平衡活塞 在螺杆式压缩机的转子上, 作用有轴向力和径向力。径向力是由于转子两侧所受压力不同 而产生的, 其大小与转子直径、 长径比、 内压力比及运行工况有关。由于转子一端是吸气压力, 另 一端是排气压力, 再加上内压缩过程的影响, 以及一个转子驱动另一转子等因素, 便产生了轴向 力。轴向力的大小与转子直径、
12、内压力比及运行工况有关。 另外, 由于内压缩的存在, 排气端的径向力要比吸气端大。由于转子的形状及压力作用面积 不同, 两转子所受的径向力大小也不一样, 实际上阴转子的径向力较大。因此承受径向力的轴承 负荷由大到小依次是: 阴转子排气端轴承、 阳转子排气端轴承、 阴转子吸气端轴承和阳转子吸气 端轴承。同样, 两转子所受轴向力大小也不同, 阳转子受力较大。轴向力之间的差别比径向力的 差别大得多, 阳转子所受轴向力大约是阴转子的四倍。 螺杆式压缩机属高速重载。为了保证阴、 阳转子的精确定位及平衡轴向力和径向力, 必须选 用高精度、 高速、 重载的轴承和相应的平衡机构, 确保转子可靠运行。 一般来说
13、, 低负荷、 小型机器多采用滚动轴承; 高负荷、 大中型机器多采用滑动轴承。由于滚 动轴承的间隙小, 能提高转子的安装精度, 使转子与转子、 转子与机壳具有较小的间隙, 减少了气 体的泄漏。另外滚动轴承摩擦损耗小, 维护也比较简单, 而滑动轴承加工和装配都不如滚动轴承 方便, 近年来逐渐趋向于采用特别的重载、 高速、 长寿命的滚动轴承。 08 对于径向轴承, 一般采用圆柱滚子轴承。推力轴承采用角接触球轴承。无论采用何种形式 的轴承, 都应确保转子的排气侧轴向定位, 而在吸气侧留有较大的轴向间隙让其自由膨胀, 以便 保持排气端有较小的间隙值, 使气体的泄漏量最小, 并避免端面磨损。 值得指出的是
14、, 虽然螺杆式压缩机中的径向力无法消除, 必须全部由轴承来承受, 但部分或 全部轴向力却是可以消除的。通常用一个平衡活塞或类似装置, 在它两边施加一定的压差, 来达 到这一目的。采用平衡活塞来平衡轴向力, 可大大减小推力轴承的负荷和几何尺寸, 降低金属消 耗量。平衡活塞位于阳转子吸气端的主轴颈尾部, 它利用高压油注入活塞顶部的油腔内, 产生与 轴向力相反的压力, 使轴向力得以平衡。图 3 -5 所示为一个油压平衡活塞的结构。 图 3 - 4 转子结构 1阴螺杆;2阳螺杆 图 3 -5 油压平衡活塞结构 4 轴封 制冷系统的密封至关重要, 因此在开启螺杆式压缩机的转子外伸轴处, 通常采用密封性能
15、较 好的接触式机械密封, 主要有图 3 -6 所示的弹簧式和图 3 -7 所示的波纹管式两种, 并且需向此 轴封处供以高于压缩机内部压力的润滑油, 以保证在密封面上形成稳定的油膜。必须注意的是, 轴封中有关零部件的材料要能耐制冷剂的腐蚀。 5 输气量调节滑阀 输气量调节滑阀是螺杆式压缩机中用来调节输气量的一种结构元件, 虽然螺杆式压缩机的 输气量调节方法有多种, 但采用滑阀的调节方法获得了普遍的应用, 如图 3 - 8a 所示。这种调节 方法是在螺杆压缩机的机体上装一调节滑阀, 成为压缩机机体的一部分。它位于机体高压侧两 内圆的交点处, 且能在与气缸轴线平行的方向上来回滑动。其调节原理见本章第
16、三节。 6 喷油结构 螺杆式压缩机大多采用喷油结构, 如图 3 - 8b 所示, 与转子相贴合的滑阀上部开有喷油小 孔, 其开口方向与气体泄漏方向相反, 压力油从喷油管进入滑阀内部, 经滑阀上部喷油孔, 以射流 形式不断地向一对转子的啮合处喷射大量冷却润滑油。这些润滑油与被压缩的制冷剂气体均匀 混合, 吸收气体压缩过程产生的热量, 降低压缩机的排气温度。此外, 喷入的压力油在螺杆及机 体内壁面形成一层油膜, 起密封和润滑作用, 从而减少气体内部泄漏, 提高输气系数, 降低运动时 18 图 3 - 6 弹簧式机械密封 1、 2 传动销;3传动套;4弹簧座;5弹簧;6动环辅 助密封圈; 7动环;8卡环; 9 静环;10静环辅助密封圈;11防转销 图 3 - 7 波纹管式机械密封 1密封垫片;2锁紧螺母;3螺钉;4传动套; 5 波纹管; 6 动环;7静环辅助密封圈;8静环;9防转销 的噪声。 喷油量以输气量的 0 8% 1% 为宜。喷油温度一般规定:
