空調器實用回轉制冷壓縮機的設計開發(fā)實例探討

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摘要：本文介紹了回轉制冷壓縮機的設計方法，此種制冷壓縮機零部件少、結構簡單、制造方便、運行平穩(wěn)、適用容量范圍廣，并以設計圖實例為明，供參考。 

關鍵詞：回轉 制冷壓縮機設計  中圖分類號：s611文獻標識碼：a 文章編號：  一、前言  二十世紀后半葉,制冷和空調產(chǎn)業(yè)獲得前所未有的高速發(fā)展。制冷已成為全球保證食品供應的基本手段之一,而空調則是當今社會保證生產(chǎn)工藝及生活環(huán)境舒適要求的必要手段。而壓縮機相當于制冷系統(tǒng)中的心臟,各種類型的制冷壓縮機是決定系統(tǒng)能力大小的關鍵部件,對系統(tǒng)的運行性能、能效、噪聲、振動、維護和使用壽命等有著直接的影響。應用最廣泛的就是往復式制冷壓縮機,由于其驅動機構為曲柄連桿機構,需要將電機的旋轉運動轉換為曲柄連桿機構的往復運動,造成整個系統(tǒng)的效率低,并且相同功率下與其它類型制冷壓縮機相比設備復雜、總體體積龐大、傳動效率低、噪聲大、磨損厲害、可靠性低、運行中故障多、壽命短。適用范圍制冷量200kw以下,其性能系數(shù)約為2~2.5w /w (制冷)和2. 9~ 3.4w /w (空調)?；剞D式壓縮機的種類較多,各有優(yōu)勢,但也各有弱點。  目前廣泛應用于家用冰箱和空調中的滾動轉子式制冷壓縮機一旦在其軸承、主軸、滾輪或是滑片處發(fā)生磨損、間隙增大,馬上會對其性能產(chǎn)生較明顯的不良影響,在裝配中對系統(tǒng)具有較高的清潔度要求,特別是滑片對材料的要求比較高。對于現(xiàn)場安裝的制冷空調系統(tǒng)而言,如果進入系統(tǒng)的雜質較多,會使機器性能迅速惡化。單缸的轉子式壓縮機在低轉速時的轉速不均勻度會增大,且制冷量小,適用范圍的制冷量為5kw~10kw,比較狹窄。其性能系數(shù)可達2.9w/w(制冷)和3.4w/w(制熱)。  渦旋式制冷壓縮機發(fā)展越來越好,適用范圍的制冷量為5kw~70kw,能效比高,但應用場合有局限性,在較小的制冷量的工況下,效率比較低,制造成本比較高,制造需要高精度的加工設備及精確的調心裝配技術。  離心式制冷壓縮機適用于制冷量在350kw以上的場合,而對于制冷量小的場合則不適用。此外,大型離心式制冷壓縮機如果應用于工作壓力變化范圍很大的場合,會帶來喘振問題。在部分負荷運轉時,工作效率低。整體設備復雜,零部件較多,運行維護不便。運行時噪聲比較大。還有其它形式的制冷壓縮機,如滑片式制冷壓縮機,旋葉式制冷壓縮機,螺旋葉片式制冷壓縮機等,都是由于效率、可靠性、可行性問題,應用少或者正在研究開發(fā)之中。  因此,開發(fā)綜合優(yōu)勢較強的制冷壓縮機是很有必要的。本壓縮機的開發(fā)主要著眼于高效、結構簡單、制冷量范圍廣。  不少壓縮機的核心技術主要掌握在美國、日本,還有一些歐洲發(fā)達國家手里,而國產(chǎn)的壓縮機企業(yè)大部分是合資企業(yè),具有自己獨立知識產(chǎn)權的壓縮機企業(yè)寥寥無幾。制冷壓縮機的設計與研發(fā)對民族企業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。本文所描述的自行設計的壓縮機,是結合滾動轉子式制冷壓縮機和渦旋式制冷壓縮機的特點,組合部分制冷壓縮機的優(yōu)點而設計的一種制冷壓縮機。  二、壓縮機的基本結構  回轉式制冷壓縮機的殼體有兩個完全關于空間中心對稱的圓環(huán)空心體交叉組成，一端是密封的,另一端是開口的,開口的一端用端蓋密封,并且把旋轉的活塞和端蓋做成一體,電動機與底端軸連接。輔助零件有活塞環(huán),齒輪等。圖1為壓縮機的工作原理圖,圖2為基本結構立體圖。  1、活塞； 2、氣缸； 3、排氣口 ；4、排氣口； 5、活塞； 6、氣缸；  7、吸氣口；8、吸氣口； 9、交匯處； 10、交匯處  圖1 壓縮機的工作原理(左氣缸壓縮、右氣缸吸氣)    圖2壓縮機的基本結構  三、工作原理  工作原理如圖1所示,主體結構為一種雙環(huán)相交型回轉式壓縮機氣缸。兩個氣缸的橫截面形狀均為圓環(huán)形,左氣缸2與右氣缸6相交,兩個圓環(huán)型氣缸各有一固定端蓋和活動端蓋。圖2中的右氣缸上面端蓋為活動端蓋,下部為固定端蓋;左氣缸的上面端蓋為固定端蓋,下部則為活動端蓋。兩個圓環(huán)形氣缸交匯處空間連通,左氣缸2內(nèi)設置有一個圓弧形左活塞1,右氣缸6內(nèi)設置有一個圓弧形右活塞5,左氣缸或右氣缸圓環(huán)形活動蓋板分別與左活塞1和右活塞5連接成一個整體,并分別在各自的圓環(huán)形氣缸空間內(nèi)作回轉運動且運轉方向相反。由于圓環(huán)形氣缸的交匯處空間互通,每個圓環(huán)形氣缸內(nèi)的活塞都能通過交匯處。位于上交匯處附近的左氣缸2和右氣缸6的兩個圓環(huán)形氣缸壁上,分別開有左排氣口3和右排氣口4,位于下交匯處附近的左氣缸2和右氣缸6的兩個圓環(huán)形氣缸壁上,分別開有左吸氣口8和右吸氣口7。左氣缸壓縮、右氣缸吸氣過程如圖1所示,當上交匯處9被右活塞5占據(jù)時,在左氣缸2中,左活塞1與右活塞5的圓弧面外側形成壓縮空間,左活塞1的順時針運動形成先壓縮、后排氣過程;當下交匯處10被左活塞1占據(jù)時,在右氣缸中,右活塞5與左活塞1的圓弧面外側形成吸氣空間,右活塞5的逆時針運動形成吸氣過程,氣體從右吸氣口7進入氣缸。同理可形成左氣缸吸氣、右氣缸壓縮的過程,如圖3所示。  圖3 壓縮機的工作原理(左氣缸吸氣、右氣缸壓縮)  四、壓縮機的設計細節(jié)  1、 壓縮機的驅動結構  兩個環(huán)形的活塞通過一個兩端輸出的電機驅動。如圖2所示，電機裝在左氣缸內(nèi)壁面內(nèi)部, 下部輸出端直接通過花鍵和左氣缸的下面活動端蓋連接,活動端蓋和活塞做成一體;上部輸出端與左氣缸上部的主動齒輪相聯(lián),從動齒輪與右氣缸上部的活動端蓋相聯(lián)。兩個齒輪大小相等,齒數(shù)、模數(shù)相等。這樣,一個電機可同時驅動兩個環(huán)形活塞(一個順時針旋轉,一個逆時針旋轉)。該機構使用齒輪連接有如下優(yōu)點:  ①效率高。在常用的機械傳動中,以齒輪的傳動效率為最高。一級圓柱齒輪傳動的效率可達99%。  ②結構緊湊。在同樣的使用條件下,齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。  ③工作可靠、壽命長。設計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動,工作十分可靠,壽命可長達一、二十年,這也是其它機械傳動所不能比擬的。這對制冷壓縮機尤為重要。  ④適用的圓周速度和功率范圍廣。  2、潤滑和氣密性  在壓縮機的活塞上開一些油道，在壓縮機的底部注入一定量的潤滑油,通過齒輪的旋轉將一部分油甩入油道,另外靠活塞的旋轉產(chǎn)生的離心力將一部分油甩入油道,對傳動部件進行潤滑。密封:在端蓋和活塞連接處的上端設置一個活塞環(huán),進行軸向密封,在垂直方向上也設置兩道平行的活塞環(huán),起密封和刮油的作用。  3、能量調節(jié)  在壓縮腔設置一系列不同直徑的旁通孔,使一部分被壓縮氣體返回吸氣腔,使得能量調節(jié)范圍達到10%~100%;也可以采用變頻電機,通過旁通孔和變頻電機相結合進行能量調節(jié)。  4、振動和噪聲  活塞和缸體全是面接觸,且是緊密接觸,布置相對運動的兩部件合理間隙,使振動減小、摩擦小、運行比較平穩(wěn)、噪聲比較小。為降低噪聲可采用排氣消聲孔和亥姆霍茲共鳴器相結合的消聲方法及多重膨脹室消聲器。  5、氣閥  該壓縮機可不使用吸氣閥,但是排氣閥非常重要。為防止轉速增加后輸氣量加大,氣體流經(jīng)氣閥的流速增加、流動阻力也增加,不使用普通彈片。普通彈片過軟,導致排氣閥片產(chǎn)生延遲關閉、閥片壽命降低。閥片應采用特殊不銹鋼材料以提高其耐沖擊力,也可采用帶緩沖片的氣閥結構。  6、優(yōu)點  從上述圖中可以看出,本壓縮機的結構簡單,零部件少。由于其是回轉式的結構,運轉效率高。氣缸的徑向和軸向的尺寸擴張對工作原理和加工工藝不產(chǎn)生特別的影響,因此體積變化不受限制,因而制冷量范圍可以很廣。  五、結論  本文提及所設計的制冷壓縮機零部件少, 制造簡單、效率高、噪音小、運行平穩(wěn)、適用功率范圍廣, 可以適用多種環(huán)保制冷劑，對于我國壓縮機制造水平的提高、壓縮機制造企業(yè)的發(fā)展、制冷空調行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。  六、參考文獻：  【1】楊可楨、程光蘊，機械設計基礎[m ] . 北京: 高等教育出版社, 2005.  【2】周鶯、張華俊、李積杰、等，世界制冷壓縮機現(xiàn)狀及發(fā)展動向【j】，壓縮機技術, 2001。  【3】周子成，我國空調壓縮機制造業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向【j】，制冷與空調，2004。  注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用pdf形式查看。