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旋渦壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、工作過程及主要特點(diǎn)

渦旋壓縮機(jī)是一種容積式壓縮的壓縮機(jī)，壓縮部件由動渦旋盤和靜渦旋組成。

其工作原理是利用動、靜渦旋盤的相對公轉(zhuǎn)運(yùn)動形成封閉容積的連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的目的。

主要用于空調(diào)、制冷、一般氣體壓縮以及用于汽車發(fā)動機(jī)增壓器和真空泵等場合，可在很大范圍內(nèi)取代傳統(tǒng)的中、小型往復(fù)式壓縮機(jī)。

基本結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

兩個(gè)具有雙函數(shù)方程型線的動渦盤和靜渦盤相錯180°對置相互嚙合，其中動渦盤由一個(gè)偏心距很小的曲柄軸驅(qū)動，并通過防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)約束，繞靜渦盤作半徑很小的平面運(yùn)動，從而與端板配合形成一系列月牙形柱體工作容積。

特點(diǎn)：利用排氣來冷卻電機(jī)，同時(shí)為平衡動渦旋盤上承受的軸向氣體力而采用背壓腔結(jié)構(gòu)，另外機(jī)殼內(nèi)是高壓排出氣體，使得排氣壓力脈動小，因而振動和噪聲都很小。

背壓腔如何實(shí)現(xiàn)軸向力的平衡？

動渦旋盤上開背壓孔，背壓孔與中間壓力腔相通，從背壓孔引入氣體至背壓腔，使背壓腔處于吸、排氣壓力之間的中間壓力。通過背壓腔內(nèi)氣體作用于動渦旋盤的底部，從而來平衡各月牙形空間內(nèi)氣體對動渦旋盤的不平衡軸向力和力矩。

高壓外殼的特點(diǎn)：

1、吸氣溫度加熱損失少；

2、排氣脈動??；

3、啟動時(shí)冷凍機(jī)油發(fā)泡。

低壓外殼的特點(diǎn)：

1、吸氣溫度易過熱；

2、壓縮機(jī)不易產(chǎn)生液擊；

3、內(nèi)置電動機(jī)效率較高。

數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)

采用“軸向柔性”浮動密封技術(shù)，將一活塞安裝在頂部訂渦旋盤處，活塞頂部有一調(diào)節(jié)室，通過0.6mm直徑的排氣孔和排氣壓力相連接，而外接PWM閥（脈沖寬度調(diào)節(jié)閥）連接調(diào)節(jié)室和吸氣壓力。PWM閥處于常閉位置時(shí)，活塞上下側(cè)的壓力為排氣壓力，一彈簧力確保兩個(gè)渦旋盤共同加載。PWM閥通電時(shí)，調(diào)節(jié)室內(nèi)排氣被釋放至低壓吸氣管，導(dǎo)致活塞上移，帶動頂部定渦旋盤上移，該動作使動、定渦旋盤分隔，導(dǎo)致無制冷劑通過渦旋盤。

用于冷凍系統(tǒng)中的系統(tǒng)流程圖：

對壓縮過程進(jìn)行中間補(bǔ)氣的經(jīng)濟(jì)器運(yùn)行方式，是解決渦旋壓縮機(jī)在低溫工況下運(yùn)行時(shí)，由于壓比過高導(dǎo)致排氣溫度過高的有效方法。

渦旋壓縮機(jī)的工作過程

渦旋壓縮機(jī)在主軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間內(nèi)，其吸氣、壓縮、排氣三個(gè)工作過程是同時(shí)進(jìn)行，外側(cè)空間與吸氣口想通，始終處于吸氣過程，內(nèi)側(cè)空間與排氣口想通，始終處于排氣過程。

渦旋壓縮機(jī)的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

相鄰兩壓縮室壓差小，可使氣體泄漏量減少。

由于吸氣、壓縮、排氣過程是同時(shí)連續(xù)進(jìn)行，故壓力上升速度較慢，因此轉(zhuǎn)矩變化幅度小、振動??；同時(shí)沒有余隙容積，故不存在引起容積效率下降的膨脹過程。

無吸、排氣閥，效率高，可靠性高，噪聲低。

由于采用柔性結(jié)構(gòu)，抗雜質(zhì)和液擊能力強(qiáng)，一旦壓縮腔內(nèi)壓力過高，可使動盤與靜盤端面脫離，壓力立即得到釋放。

機(jī)殼內(nèi)腔為排氣室，減少了吸氣預(yù)熱，提高了壓縮機(jī)容積效率。

由于壓縮氣體由外向內(nèi)運(yùn)動，可進(jìn)行噴液冷卻和中間補(bǔ)氣，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)器運(yùn)行。

缺點(diǎn)：

渦旋體型線加工精度非常高，其端板平面的平面度、端板平面與渦旋體側(cè)壁面的垂直度須控制在微米級，必須采用的精密加工設(shè)備以及的調(diào)心裝配技術(shù)。

限制其應(yīng)用范圍：目前僅用于功率在1~15kW的空調(diào)器中密封要求高，密封機(jī)構(gòu)復(fù)雜。由于無氣閥，壓縮腔內(nèi)部會形成過壓縮和欠壓縮。

發(fā)展趨勢：

1.渦旋體型線的研究開發(fā)：單一型線、修正型線、組合型線、通用型線。

2.擴(kuò)大制冷容量：變頻渦旋機(jī)、數(shù)碼渦旋機(jī)、雙作用渦旋機(jī)、雙機(jī)共用同一機(jī)殼渦旋機(jī)等。

3.擴(kuò)大應(yīng)用范圍：開發(fā)低溫用渦旋機(jī)、渦旋式真空泵、渦旋式空壓機(jī)、渦旋式發(fā)動機(jī)等。

4.理論研究進(jìn)一步深入：計(jì)算機(jī)模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立各種模型（如各種泄露模型、傳熱模型、摩擦損失模型等）排氣孔口的形狀和位置，背壓孔的大小、位置及背壓壓力的高低等，并進(jìn)行動力學(xué)分析。

雙轉(zhuǎn)子與渦旋壓縮機(jī)的比較

壓縮機(jī)構(gòu)

R410A適用型

節(jié)能性

某品牌轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)技術(shù)

高壓腔與低壓腔渦旋壓縮機(jī)特點(diǎn)比較

高壓腔與低壓腔渦旋壓縮機(jī)的劃分，主要是對全封閉渦旋壓縮機(jī)中，電機(jī)所處在的工作環(huán)境溫度進(jìn)行區(qū)分。

電機(jī)處于排氣側(cè)（殼體內(nèi)為排氣壓力），稱為高壓腔（一般以HITACHI為代表)；

電機(jī)處于回氣側(cè)（殼體內(nèi)為回氣壓力） ，稱為低壓腔（一般以COPELAND為代表）。

兩種結(jié)構(gòu)的渦旋壓縮機(jī)，與其結(jié)構(gòu)對應(yīng)具有相應(yīng)的特點(diǎn)，且各具優(yōu)缺點(diǎn)。

高壓腔渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

低壓腔渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

優(yōu)缺點(diǎn)：

影響渦旋壓縮機(jī)性能的主要因素分析

動力功耗方面

造成渦旋壓塑機(jī)電動機(jī)輸入功率偏大的原因在實(shí)際工作過程中非常復(fù)雜，但主要有：（1）電機(jī)損耗過大，包括銅損、鐵損（與電動機(jī)材料和加工工藝有關(guān)）；（2）壓縮機(jī)工作過程引起的功率消耗等。

分析如下：

機(jī)械摩擦

壓縮機(jī)工作時(shí)，動、定盤之間，防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與配合鍵槽之間，曲軸與主、副軸承之間接觸并發(fā)生相對滑動等，不可避免的產(chǎn)生摩擦損失。

動盤與定盤之間的摩擦損失

動、定盤間的摩擦損失指的是壓縮機(jī)工作腔內(nèi)的摩擦損失，主要有：

（1）動、定盤的渦旋線、齒頂、底面的加工精度、平面度、位置度等沒有達(dá)到要求造成。

（2）壓縮機(jī)整機(jī)含塵量較高，或固定塵埃(如焊渣、加工余屑等)顆粒直徑過大造成。從而造成壓縮機(jī)工作腔內(nèi)異常摩擦，嚴(yán)重時(shí)甚至影響壓縮機(jī)正常工作。

防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與各配合鍵槽之間的摩擦損失

防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要用于防止動盤自轉(zhuǎn)運(yùn)動，在壓縮機(jī)工作過程中，防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在機(jī)架和動盤上分別沿垂直方向上與鍵槽滑動配合，在滑動過程中產(chǎn)生滑動摩擦損失。

（1）十字鍵或鍵槽的垂直度、平行度、光潔度、平面度超差較大時(shí)，會增大摩擦，加大功耗；

（2）立式渦旋壓縮機(jī)防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是直接與機(jī)架上的支撐面接觸的，故在運(yùn)動過程中也會產(chǎn)生摩擦損失。

曲軸與主、副軸承之間的摩擦損失

電動機(jī)驅(qū)動力是通過曲軸轉(zhuǎn)動，從而通過軸承帶動動盤旋轉(zhuǎn)來完成吸氣、壓縮、排氣的過程。

由于曲軸中心線與滑動軸承的中心線重合非常困難，而且由于加工誤差和裝配誤差的影響，曲軸和軸承常常是偏心的，因而產(chǎn)生的摩擦損失也是必然的。

潤滑油的影響

運(yùn)動部件各摩擦面、嚙合面都必須有足夠的潤滑，才能保證壓縮機(jī)安全、可靠、的工作，潤滑不良，會加劇運(yùn)動部件的磨損。

在制冷壓縮機(jī)中,不論是強(qiáng)制還是自然冷卻，潤滑油總是在冷卻后由上油孔或上油管進(jìn)入各摩擦面，吸收十字環(huán)、工作腔、軸承等處的熱量，隨高壓氣體經(jīng)排氣口排出，從而保證壓縮機(jī)正常工作。

流體阻力

動盤運(yùn)動引起的流動阻力損失

當(dāng)動盤旋轉(zhuǎn)時(shí),因其背面受中間壓力腔中流體(包括氣體、氣體和潤滑油的混合物)阻礙,會產(chǎn)生流動阻力損失,阻力大小與動盤背部結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、旋轉(zhuǎn)角度及流體密度有關(guān)。

平衡塊的流動阻力損失

平衡塊所在空間是具有一定壓力的氣體、潤滑油或潤滑油和氣體的混合物,當(dāng)平衡塊隨曲軸一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí),會產(chǎn)生阻力損失,阻力大小與平衡塊幾何尺寸、流體擾動系數(shù)、粘度、密度等有關(guān)。

吸、排氣阻力損失

氣體流動時(shí),由于氣體內(nèi)部的摩擦以及氣體與管壁之間的摩擦，而導(dǎo)致流動阻力損失。

當(dāng)氣體通過吸氣管道和吸氣逆止閥時(shí)，產(chǎn)生阻力損失，使吸氣壓力降低和吸氣比容升高，從而降低壓縮機(jī)的實(shí)際排氣量,降低了容積效率；同樣，排氣孔口處的流動阻力，使得壓縮機(jī)實(shí)際排氣壓力升高，而使功耗增加。

氣體的泄漏

氣體泄漏種類

氣體泄漏分為內(nèi)泄漏和外泄漏兩種。

內(nèi)泄漏：指壓縮機(jī)各相鄰壓縮腔之間，壓縮腔與背壓腔之間的氣體泄漏，表現(xiàn)為高壓氣體向低壓腔泄漏，再從低壓腔壓力壓縮到泄漏前壓力，造成重復(fù)壓縮消耗功率，所以內(nèi)泄漏直接結(jié)果為增加功耗。

外泄漏：指壓縮機(jī)在吸氣過程中與外界(大于吸氣壓力的高壓氣體)進(jìn)行氣體交換，導(dǎo)致高壓氣體進(jìn)入到吸氣腔內(nèi)膨脹，并占據(jù)空間，使得實(shí)際吸氣量減少，即外泄漏不僅使功耗增加，而且還減少吸入氣體量，使排氣量減少和制冷量降低。

泄漏通道：

內(nèi)泄漏

渦旋壓縮機(jī)中，內(nèi)泄漏的發(fā)生途徑主要有工作腔之間的泄漏，工作腔與背壓腔之間的泄漏，安全閥孔泄漏等。

工作腔之間的泄漏：

徑向泄漏：氣體或潤滑油中溶解的工質(zhì)通過軸向間隙產(chǎn)生的泄漏(圖1)。

周向泄漏：氣體或潤滑油中溶解的工質(zhì)通過徑向間隙產(chǎn)生的泄漏(圖2)。

工作腔與背壓腔之間的泄漏：

中間壓力腔與背壓腔之間通過中間壓力孔造成氣體或潤滑油中溶解工質(zhì)的泄漏(圖3)。

背壓腔與動盤端板通過它們之間的密封造成氣體或潤滑油中溶解工質(zhì)的泄漏(圖4)。

外泄漏：主要是指由于定盤吸氣孔O型環(huán)密封性差，導(dǎo)致高壓氣體進(jìn)入吸氣腔的泄漏(圖5)。

吸氣預(yù)熱

吸入氣體受壓縮機(jī)機(jī)體或環(huán)境加熱，使吸入氣體比容增加，實(shí)際吸氣量減小，壓縮機(jī)的制冷量降低，功耗增加。

有資料表明：吸氣預(yù)熱每增加3℃，壓縮機(jī)的能效比就下降1% 。

影響渦旋壓縮機(jī)性能的因素錯綜復(fù)雜的，它包括設(shè)計(jì)、制造和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)，除以上分析的因素外，另外吸油管攪油損失，氣體流動摩擦損失，動、定盤材料熱膨脹系數(shù)的影響，動、定盤齒高選配等。