一种新型回转式制冷压缩机的结构优化和设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.76MB 81 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
制冷压缩机，即制冷剂压缩机，是决定蒸气压缩式制冷（热泵）系统能力大
小的关键部件。压缩机在系统中的作用在于：抽吸来自蒸发器的制冷剂蒸气，提
高压力和温度后将它排向冷凝器，并维持制冷剂在制冷系统中的不断循环流动。
由此可见，压缩机相当于制冷系统中的“心脏”。因此，压缩机常被称为制冷系统
的“主机”， 而换热器、节流元件等设备则被称为“辅机”。
制冷压缩机根据其对制冷剂蒸气压缩热力学原理可以分为容积型和速度型两
大类，如图 1-1 所示。
图1-1 制冷压缩机的分类和结构示意图
在容积型压缩机中，一定容积气体先被吸入到气缸里，继而在气缸中其容积
被强制缩小，压力升高，当达到一定压力时气体便被强制地从气缸中排出。可见
容积型压缩机吸排气过程是间歇进行，其流动并非连续稳定的。容积型压缩机按
其压缩机的运动特点可以分为两种形式：往复活塞式和回转式。而后者又可根据
其压缩机的结构特点分为滚动转子式、滑片式、双螺杆式、单螺杆式、涡旋式等。
目前，大多数家用冰箱、空调及汽车空调都采用小型容积式压缩机。
在速度型压缩机中，气体压力增长是由气体的速度转化而来，即先使吸入的
气流获得一定高速，然后再使之缓慢下来，让其动能转化为气体的压力能而使压
力升高。可见，速度型压缩机中的压缩流程可以连续进行，其流动是稳定的。在
大容量和较低压比的一些制冷和热泵系统中应用的主要是离心式压缩机。
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§1.1 课题的来源及意义
20 世纪后半叶，制冷和空调产业获得了前所未有的高速发展。制冷已成为全
球保证食物保藏供应的基本手段，而空调则是当今社会赖以达到工作及生活环境
舒适要求的必要手段。制冷和空调产业发展的推动力，跟其他技术型产业一样，
是来自环境保护和经济发展方面以及新技术进步的要求。
制冷空调工业，现在遇到三个问题。首先的是如何实现 CFCS和HCFCS的替
代，以免臭氧层继续遭受破坏。这个问题是近几十年来比以往任何时候对制冷空
调工业产生最大影响的大事。第二个，是进一步提高设备和系统的效率以减少能
源消耗，能源危机和全球变暖，都导致对制冷空调要求进一步提高。第三则是，
世界上的制冷空调公司越来越多，竞争白热化。要求高新技术和新工艺不断投入
实际生产。
无论是在制冷系统还是在热泵系统中，压缩机相当于系统中的“心脏”，压缩
机性能的好坏直接决定了整个系统的优劣。各种类型的制冷压缩机是决定系统能
力大小的关键部件，对系统的运行性能，噪声，振动，维护和使用寿命等有着直
接的影响。所以新型制冷压缩机的研究对制冷的优化具有重要意义[1，2]。
本课题设计的压缩机是根据滚动转子式制冷压缩机和涡旋式制冷压缩机的特
点，结合其它各种制冷压缩机的优点，创新设计的一种新型制冷压缩机。
新型压缩机的优点：
1.零件数少、无气阀等易损件，因而结构简单紧凑、体积小、重量轻、可靠性
高。
2.无吸排气阀，因而气体流动损失小、吸排气损失小、无气阀的敲击噪声和由
此引起的振动。
3.吸气过程是主动的包容运动且持续时间长，余隙容积微小（极限设计可无余
隙容积），容积效率高。
4.工作腔容积变化过程持续时间长，因而压缩平稳、排气接近连续，气流脉动
小。
5.齿轮传动，旋转零件平衡性好，因而旋转惯性小、运动平衡性能好、整机振
动小运转平稳。
6.无轴向和径向运动，因而轴向和径向密封好，泄漏系数小。
目前制冷领域的压缩机的核心技术主要掌握在美国，日本，还有一些欧洲国
家手里，而国产的压缩机企业大部分是合资企业，而具有自己的独立的知识产权
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的压缩机企业却寥寥无几。新型制冷压缩机的设计与研发对民族企业的发展也具
有重要的意义。
§1.2 该领域目前的国内外研究现状
国内的新型压缩机的研究，主要还是在高等院校和科研机构中进行，在我国
压缩机制造企业中尚缺乏能力。例如：
a)直线压缩机：采用新型磁阻式直线电机驱动往复活塞式压缩机，其结构简单，
易于控制，可实现高效节能。西安交大压缩机研究中心和中国科学院低温技术实
验室等单位正在研究。
b)使用二氧化碳自然制冷剂的制冷循环及压缩机和膨胀机：自然制冷剂的
ODP 和GWP 都很小，是一种理想的环保制冷剂。天津大学、上海交通大学等单
位正在研究。
c)新型摆线转子压缩机：一种类似于齿轮油泵的压缩机，内转子型线由短幅上
摆线的内等距线构成，外转子型线由圆心均布于创成圆上的圆弧构成。西安交大
环境与化工学院正在研究[3]。
国外压缩机专业的科研工作，在各类压缩机的性能和可靠性已基本妥善解决
了的高水准基础上，仍主要围绕产品的寿命和性能两大方面进行工作。特别是电
子计算机技术在制冷压缩机研制中的广泛使用，使数理模型取代了“经验凑试”，
使科研工作向自动化、最佳化方向发展。
在气阀研究中，计算机使阀片运动规律的数字模型方程得出迅速准确的结果，
正确地认识了气阀的工作过程、特性和结构参数的合理性，气阀的最优化研究和
可靠性研究取得明显效果。
在气流脉动与管道振动研究中采用模拟机，解决了气柱固有频率、压力脉动、
结构振动、复杂管系固有频率的计算和动力效应的分析，使管路系统设计合理，
消振措施有力。
在压缩机性能预测的研究中，实现了对几何特征参数、模腔曲线、压缩过程、
排气过程、吸气过程、泄露流量的计算预测，避免了多工况下的实机运转试验，
大幅节约了时间和费用[4-5]。
图1-2 表示了目前各类压缩机的大致应用范围及其制冷量的大小。如图 1-2 所
示往复式制冷压缩机迄今为止还是应用的最广泛的一种机型，尽管它的市场份额
已被其他形式的压缩机占去一部分；转子式制冷压缩机如今广泛应用于家用电冰
箱和空调器中；涡旋式压缩机在制冷，空调和热泵应用场合往往较多；螺杆式压
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缩机逐渐从中等制冷量范围向大制冷量范围迈进；离心式压缩机目前在大制冷量
范围仍保持优势。下面将分别介绍各类机器的发展状况。
图1-2 各类压缩机的应用范围及其制冷量大小
1．往复式制冷压缩机
与传统的往复式压缩机不同，线性压缩机是采用直线电机驱动的压缩机。由于
省去了旋转运动转换为直线运动的传动机构，因此线性压缩机具有效率高、结构紧
凑、体积小的特点[6] 。由于直线电机的电磁驱动力方向始终与活塞的运动方向在
同一直线上，活塞将不存在径向力或径向力非常小，极大地减少了活塞的摩擦功耗
和磨损，可以延长压缩机的使用寿命，易于实现无油润滑[7]。另外，可以灵活调整
的活塞行程也给线性压缩机的变容量调节提供了更大的自由度。基于以上特点，线
性压缩机已被公认为是小型制冷装置用高效压缩机的一个主要发展方向[8]。近年来
，
韩国和日本对直线压缩机的研究工作较为活跃
，
如
：
韩国 LG 株式会社朴贞植等成
功研发的一种动磁式直线压缩机，具有结构紧凑、动力大和效率高等特点[9] ；日
本松下冷机株式会社山本秀夫等于 1998 年研发了一台动磁式直线压缩机[10] ，该
机型有利于制造和提高电动机的功率；另外，这两家公司还对直线压缩机的直线
电动机、弹簧共振系统以及控制装置的结构和性能分别进行了改进和提高。
往复活塞式无油润滑压缩机发展迅速。无油润滑压缩机的专用材料更加丰富。
例如：活塞环、支承环、填料所使用的填充聚四氟乙烯自润滑材料。除此之外，
近年来还开发了如多孔金属浸渍材料、氯化聚、陶瓷等自润滑材料，以满足无润
滑压缩机在压缩不同介质和特定的条件下的使用要求。气阀阀片材料多样化，除
了钢及其他金属材料外，非金属材料如：玻璃增加尼龙、热固性化合物、聚醚亚
胺、聚酞亚胺等，近年来又推出了聚芳醚酮新材料，使气阀的性能和可靠性又迈
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上了一个新台阶。全无油润滑压缩机，即传动部件也无润滑油液的压缩机，近年
来微小型方面的发展令人刮目相看。
2．滚动转子式制冷压缩机
有通过零件优化选配， 减少滑动部分的间隙采用圆形气缸， 用减少螺栓扭
紧力矩来减少其变形高精度加工， 提高滑动部分表面精度采用计算机模拟技术，
引入有限元方法， 同时考虑到制冷剂及润滑油的泄漏、吸气加热损失、余隙中的
气体膨胀等因素，建立滚动转子式压缩机的数学模型来指导设计。
为了适应大制冷量的要求以及改善压缩机的特性， 双气缸双转子的滚动转子
式压缩机已被开发。它是在一根垂直的轴上有两个相互错开的偏心轮， 与其相配
合的有两个气缸， 使得制冷量增加一倍， 而外形尺寸增加不大， 同时使平衡性
改善， 振动减小， 转矩变化均匀。近年来， 在滚动转子式压缩机上设计了制冷
量调节机构， 即在气缸上分别开有多个回气孔， 通过阀门与吸气腔相通， 其制
冷量可在 10%-100%的范围内进行调节[11]。
3．涡旋式制冷压缩机
涡旋压缩机应用在汽车空调上有其它压缩机不可替代的优势， 日本、美国几
个大公司就首先将涡旋压缩机用于汽车空调。德国汉诺威大学曾对往复式、曲轴
连杆式、滑片式、六缸斜盘式、五缸斜盘式、螺杆式、滚动活塞式以及涡旋式等 8
种车用空调压缩机进行性能比较， 涡旋压缩机转速在 4000 r/min 以上时性能明显
高于其它类型压缩机[12-13]。
组合型线是在同一涡旋齿上，采用多段不同类型的型线连接成的光滑型线，
组合型线通常为变厚壁型线为基础，以发挥不同的型线的优势，它兼顾了吸气、
压缩、排气全过程。常见的组合型线主要有：圆渐开线-圆弧-圆渐开线组合型线；
线段渐开线-高次曲线-圆渐开线等。双涡旋齿形线涡旋压缩机具有排气量大、涡
旋盘直径小及气体力变化幅度小等优点，成为涡旋压缩机向大排量和大功率方向
发展的技术关键。E.Morishita 最早用圆渐开线作为双涡旋齿的内外侧型线。顾兆
林建立了圆渐开线的双涡旋齿涡旋盘的几何理论[14-17]。
进入 21 世纪， 谷轮公司又推出了一种新的数码涡旋压缩机， 使空调器不必
使用昂贵的变频控制器就能实现制冷量在 10%～ 100% 范围内的无级调节。数码
涡旋压缩机有一独特固有特性称为“轴向柔性”。这一特性使得固定的涡旋盘沿轴
向可有少量的移动，确保用最佳力使固定涡旋盘和动涡旋盘始终共同加载。数码
涡旋压缩机通过 PWM 阀的开启和关闭，变换顶部涡旋盘的升起和啮合，压缩机在
“卸载状态”、“负载状态”两种状态之间变换，实现压缩机的容量调节[18]。
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4．螺杆式制冷压缩机
由于螺杆技术的飞跃发展，加之采用高性能的新齿型，如 SRM 型线之后又开
发成功了 X型齿和 Sigma 型齿，以后又研制成功集 X和Sigma 两种齿型优点的
GHH 齿型，使小型螺杆式压缩机在性能上达到了能和中型机相匹配的水平，而其
所占外形体积却明显减小。机组的小型化正是当今螺杆式发展的明显趋势之一。
瑞典 Atias Copco 公司的技术具有代表性，它先后研制成功了有油和无油的、具有
固定式和移动式箱形、低噪、全自动的中小型螺杆式的 G，X，Z等系列产品[19]。
5．离心式制冷压缩机
目前采用双向进气单级离心压缩机，从应用的开始，就将目标瞄准单级压比
达到 4 ，而此前单级压比最高值只达到 2.5 [20]。德国宇航院(DFVLR) Krain 博士
基于准三维气动设计方法，通过计算机辅助设计完成了离心压缩机后向三元叶轮
的设计，并应用激光测试技术对该叶轮内部流场进行了非常详细地测量[21]。为减
小离心压缩机叶轮进口的冲击损失，降低叶片厚度对进气的阻塞，避免叶轮出口
圆周上相邻两叶片间距过大等，目前国内外的高效率离心压缩机叶轮广泛采用了
长、短叶片(分流叶片) 的形式。刘瑞韬等人运用三维粘性流动数值计算程序 Fine/
Turbo 对含分流叶片的离心压缩机级内三维粘性流场进行了数值分析，为该类叶轮
的优化设计及改进研究打下了基础[22-23]。
综上所述，各种类型的制冷压缩机，核心技术都不掌握在我们自己的手中，
主要掌握在日本和欧美国家手中。我们国家自己发展制冷压缩机的道路十分艰巨，
现阶段我国的压缩机的先进机型均为中外合资，外国企业控股技术。为此笔者只
是在老师和师兄的基础上，在开发新型制冷压缩机的路上做的一个探讨和尝试，
以期望同行多多努力和支持，给出自己的建议，一起研发出我们自己的制冷压缩
机。
§1.3 回转式制冷压缩机的发展趋势
§1.3.1 滚动活塞制冷压缩机的发展趋势
A 变频压缩机的发展
采用变频调速技术进行能量调节，使制冷量与系统负荷协调变化，使机组在
各种负荷条件下都具有较高能效比。具有节能、舒适、启动快速、温控精度高、
易于实现自动控制等优点。
B 双缸滚动转子式压缩机的发展
双缸滚动转子式压缩机的两个气缸相差 180°对称布置，可使负荷扭矩变化趋
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于平缓，广泛用于较大功率场合。
C 提高压缩机的经济性及可靠性
借助计算机对压缩机工作过程进行性能仿真，对主要部件如轴承、滑片、滚
动转子、排气阀等结构进行特性分析及噪声、振动的仿真，可对压缩机的经济性
和可靠性、噪声和振动进行预测，对满足各种要求的滚动转子式压缩机进行优化
设计。
D 对降低噪声提出更高要求
减少曲轴及轴承的振动，改进压缩机与机壳的连接系统，开发各种新型消声
结构和排气阀等[24-26]。
§1.3.3 涡旋式压缩机的发展趋势
优化结构，简化生产工艺，降低生产成本
A 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。
B 扩大应用范围（低温领域、新工质）
C 计算机仿真优化设计
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。
D 变容量调节新技术
数码涡旋技术又称数码控制变容量涡旋压缩机，基于谷轮“柔性”设计专利，
10%-100%连续可调，利用变容量控制原理，通过压缩机的动、静涡旋盘离合来控
制系统制冷剂流量，从而达到控制系统能量输出，系统更节能、可靠[27]。
§1.3.3 螺杆制冷压缩机的发展趋势
A 改进齿形
阳阴转子齿数比 5：6、5：7，齿形的型线也不断更新，这样增加了齿间面积，
在相同的转子直径和长度下，增加输气量，并且减少泄露，提高输气系数。
B 优化供油量和油质
C 采用滚动轴承和无油泵系统
D 采用水冷式电动机
E 采用经济器系统
使用经济器节能效果显著，一般制冷量能增加 14%~34%，而功率却增加仅为
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8%~13%[28-30]。
综上所述，往复式制冷压缩机，体积庞大、传动效率低、噪声大、磨损厉害、
可靠性低、运行中故障多、寿命短。滚动转子式制冷压缩机一旦在其轴承、主轴、
滚轮或是滑片处发生磨损，间隙增大，马上会对其性能产生较明显的不良影响，
在装配中对系统具有较高的清洁度，特别是滑片对材料的要求比较高。涡旋式制
冷压缩机适用范围制冷量 1KW~15 KW，应用场合局限。在较小的制冷量的工况下，
效率比较低，制造成本比较高。制造需要高精度的加工设备及精确的调心装配技
术。螺杆式制冷压缩机制冷剂气体周期性地高速通过吸、排气孔口，通过缝隙的
泄漏等原因，使压缩机有很大噪声，需要采取消音减噪措施；螺旋形转子的空间
曲面的加工精度要求高，需用专用设备和刀具来加工；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式压缩机那样达到较高的终了压力。
制造精度比较高。大型离心式制冷压缩机如果应用于工作压力变化范围很大的场
合，会带来喘振问题。在部分负荷运转时，工作效率低。整体设备复杂，零部件
较多，运行维护不便。运行时噪声比较大。上述各种压缩机各有自身的优点与不
足，本课题旨在设计一种新型的回转式制冷压缩机，能尽量综合上述压缩机的优
点，摒弃上述压缩机的一些不足，并且突出应用的冷量范围广的优点。
§1.4该新型压缩机已完成工作
本课题由前一届研究生启动，已完成的工作如下：
1.新型回转式制冷压缩机的工作原理
由于本课题研究的制冷压缩机是全新的，需要深入地研究制冷压缩机的工作原
理，并分析压缩原理的可行性。
从初始图 1-3 实施双环型回转式气体压缩方法的压缩机构如图 1-3 所示，包括：
左转子 1，左气缸 2，左排气口 3，右排气口 4，右转子 5，右气缸 6，右吸气口 7，
左吸气口 8，上交汇处 9，下交汇处 10。其组成是：气缸的横截面形状为两个圆环
形相交的结构；两个圆环形气缸交汇处空间互通；每个圆环形的气缸内有一个圆
弧形转子，转子的圆弧形状与气缸的圆环形状相匹配，使得转子在气缸内既能自
由运转，又能尽量靠紧气缸壁面，以形成较好的密封的作用；由于圆环形气缸的
交汇处空间互通，每个圆环形气缸内的转子都能交替通过交汇处。
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图1-3 压缩方法示意图（左圆环气缸压缩、右圆环气缸吸气过程）
每个圆环形气缸有两个端面，使得气缸形成封闭空间。每个圆环形气缸的其
中一个端面固定，而另一个端面与活塞连成一体，形成旋转端面，该端面的旋转
带动活塞旋转。每个圆环形气缸的固定端面相向分置两端，旋转端面也相向分置
两端，这样两个旋转端面不会互相干扰。旋转端面可由外接电动机驱动运转，通
过传动机构可以实现一台电动机带动两个旋转端面运动，实现两个气缸活塞的回
图1-4 压缩机运行的初始相位
转运动，完成气体的吸气、压缩和排气过程。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论制冷压缩机，即制冷剂压缩机，是决定蒸气压缩式制冷（热泵）系统能力大小的关键部件。压缩机在系统中的作用在于：抽吸来自蒸发器的制冷剂蒸气，提高压力和温度后将它排向冷凝器，并维持制冷剂在制冷系统中的不断循环流动。由此可见，压缩机相当于制冷系统中的“心脏”。因此，压缩机常被称为制冷系统的“主机”，而换热器、节流元件等设备则被称为“辅机”。制冷压缩机根据其对制冷剂蒸气压缩热力学原理可以分为容积型和速度型两大类，如图1-1所示。图1-1制冷压缩机的分类和结构示意图在容积型压缩机中，一定容积气体先被吸入到气缸里，继而在气缸中其容积被强制缩小，压力升高，当达到一定压力时气体便被强制地从气...

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