往复式压缩机原理及结构.doc

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1、绪 论 绪 论总 论第一章第二章第三章第四章第五章实 验本课程将系统地介绍往复式压缩机的工作原理、结构、受力分析等各方面的知识，使同学们充分了解往复式压缩机的特点。在教材的基础之上进一步加深同学们对压缩机的认识和了解，对将来走向工作岗位打下比较坚实的基础。当然，实践对于认识压缩机结构、设计优化的帮助是不能否认的。同学们只有将所学理论与实践结合起来才能收到良好的效果。教学大纲发展历程 总 论压缩机的发展历程 从世界范围内看压缩机的发展历程和概况。压缩机的发展历史悠久，具有丰富的设计、研究、制造和运行的经验，至今在各个领域中依然被广泛采用、发展着。在其种类的多样性方面，活塞式以外的各类压缩机机型，

2、如离心式、螺杆式、滚动转子式和涡旋式等均被有效地开发和利用，并各具特色，。压缩机分类 压缩机空气压缩机及化工流程压缩机容机型速度型往复式回转式离心式轴流式往复式压缩机的优缺点 优点：适应较广泛的压力范围热效率高、单位耗电量少、加工方便对材料要求低，造价低廉生产、使用、设计、制造技术成熟装置系统较简单缺点：转速受到限制结构复杂、易损件多、维修工作量大运转时有震动输气不连续、气体压力有波动 第一章 热力过程理论循环与实际循环之间的差别实际循环的压缩机的性能指标 制冷压缩机指标 空气压缩机指标 一些重要概念 输气系数 压缩机功率、效率 运行特性曲线 排气温度 练习题练习园地 第二章 活塞式制冷压缩机

3、动力学 曲柄连杆机构的受力分析曲柄连杆机构的惯性力 连杆惯性力的质量代替系统往复惯性力 旋转惯性力气体压力的作用力-气体力摩擦力 往复式压缩机的动力平衡曲柄连杆结构的受力分析单缸制冷压缩机的平衡 多缸制冷压缩机的平衡 第二章 练习园地 1连杆惯性力代替系统应满足条件答案 2平衡块安装方法 答案3多缸压缩机平衡方法答案4曲柄连杆机构受哪些力答案 第三章 活塞式制冷压缩机的总体结构 制冷压缩机的主要结构参数 活塞平均速度 活塞行程缸径比 曲柄转速 气缸数 气缸中心距 曲轴半径连杆长度的比 制冷压缩机的基本要求 动力经济性方面的要求 质量和外形尺寸方面的要求 可靠性和耐久性方面的要求 结构工艺性方面

4、的要求 压缩机噪声方面的要求 内置电动机方面的要求 制冷压缩机的主要结构图 制冷压缩机的总体结构 开启式压缩机 半封闭式压缩机 全封闭式压缩机 第三章 总体结构 练习园地 1影响活塞平均速度因素 答案2影响活塞行程缸径比因素答案 3影响曲轴转速因素答案 4发生噪声声源有哪些答案 5内置电动机要求 答案6开启式、半封闭和全封闭压缩机特点 答案7对活塞要求答案 8曲轴结构形式答案 9气阀要求 答案10轴封结构 答案 一台制冷压缩机在其理论排气量已确定而要进行结构设计时，必须确定一些影响压缩机结构和性能的重要综合参数。 活塞平均速度 活塞平均速度p(单位为m/s)是压缩机的最重要的结构参数之一，它直

5、接反映了往复运动零件的高速性。活塞平均速度的表达式为:p=sn/30式中 s-活塞行程，单位为m;n-压缩机转速，单位为r/min;按此把压缩机的理论排量改写为 qvt=1.414i*D*D*p*1000这个表达式说明，在qvt和i 确定的情况下，p愈大，则压缩机的气缸直径愈小。因此，在保证压缩机运转可靠性、耐久性和合理的动力经济指标前提下，提高p值对缩小压缩机的尺寸具有重要意义，这是设计人员努力追求的目的。但是，提高p的值，压缩机的机械摩擦和零件的磨损均增加，机械效率和机器的寿命下降。p也决定着工质在压缩机流通截面处的流动速度。p大时，吸排气阀处的流动阻力损失增大，这样，降低了压力系数p ，

6、增加了功率消耗。此外，p值也决定着压缩机的往复惯性力载荷和由此而引起的零件应力和应变的大小。在几何尺寸和材料相同的情况下，它们是和p的平方成正比的，因而，影响到压缩机的强度和刚度，也影响到压缩机的动力平衡性。 活塞行程缸径比 活塞行程缸径比=S/D是一个对压缩机摩擦功率、零件磨损、尺寸重量、强度刚度、热力过程等很多方面都有影响的结构参数。 对活塞平均速度的影响p=0.(qvt/i)*1/3*(n)*2/3 由此可见，在Vth、i和n不变的条件下，减小的值，则可以把p值降低下来。这对于在提高压缩机转速的同时又要限制p值，是有效的措施。对压缩机重量和外形尺寸的影响由Vth的表达式经变换后可得D=0

7、.227(qvt/in)*1/3S=D=0.227(qvt*/in)*1/3当qvt、i和n一定的情况下，D反比于的1/3次方，S正比于的2/3次方。减小值可使S值有较大的缩小而D值则有较小的增长。这样，对于立式压缩机则可使整机高度得到压缩，而纵向和横向尺寸有不大的扩展。对于角度式压缩机，压缩机的纵向长度一般取决于曲轴的设计，故而D值的增大，对其纵向长度实际上是没有多大的影响。但S值的减小，却使其高度降低和横向尺寸减小。压缩机的重量亦由此有所减轻。对气阀流动阻力的影响值的降低导致p值的下降，气阀流通面积因D增大而相应增大。这样，有利于工质在气阀中流速的降低，减少了流动阻力。对曲轴设计的影响采用

8、较小的值，有利于缩短活塞行程和增大气缸直径导致曲柄半径的缩短和曲柄销直径的增大。因而，在曲拐轴中便有可能增加主轴颈和曲柄销的重合度，大大提高了曲柄的强度和刚度。在偏心轴中，缩小偏心距离就可以减小偏心轮的直径，降低了偏心轮上的圆周速度，有利于改善轴承摩损，提高机械效率，减轻不平衡质量，缩小连杆大头直径，使机器尺寸紧凑，在全封闭式压缩机设计中有十分重要的意义。对相对余隙容积的影响若是气缸中的直线余隙数值受到限制而维持不变，则由于值的减小而引起S的缩短将会引起气缸相对余隙容积的增大，降低压缩机的输气系数，这在低温工况下尤为明显。通过以上分析，可见随着气缸采用角度式布置和压缩机转速提高的需要，选用较小

9、的值是合适的。现代的中小型多缸高速制冷压缩机的值一般在0.7-0.8的范围内。但是，对数气系数不良影响，为改进压缩机的性能，近来出现值增大至1的产品，如丹麦SABROE公司的SMC108L型和我国上海制冷机厂的ES10型， 曲柄转速 当压缩机qvt、i和n不变时，提高转速可以减小整机的重量和尺寸但p还是要上升。若为了限制p的增长而降低，则S的缩小程度要比D的缩小大得多，这样，机器高度得到压缩。此外，高转速机器可配用转速较高的电动机，其价格较便宜，重量也轻。转速提高后对气阀的工作寿命带来不利影响。转速愈高，阀片对升程限制器和阀座的冲击次数愈多，冲击力也愈大，故不论从气阀疲劳损坏和磨损来看，都会缩

10、短气阀，特别是阀片的使用寿命。压缩机因转速的提高而缩小了尺寸，减小了热交换面积，不利于热量散发，容易使机器工作温度升高，如果没有相应的冷却措施，甚至会引起压缩机过热。提高转速是促进压缩机小型化的一种有效措施。为此，即使在已使用二级电动机的全封闭式压缩机中，国外已经开始采用变频装置来提高电源效率，以达到扩大压缩机的转速范围和进行能量调剂的目的。更多.一、开启式压缩机压缩机的曲轴的一端伸出机体，在伸出处用封闭件使轴端和机体间保持封闭，这种结构形式的压缩机称为开启式压缩机。 开启式压缩机制冷压缩机的一般特点在于：原动机独立于制冷系统之外，与制冷系统中的制冷剂和润滑剂脱离接触。这样原动机的损坏、维修、

11、更换对制冷系统没有任何影响。对驱动氟里昂制冷压缩机的电动机不需耐氟的要求。驱动电动机的冷却剂与制冷系统无关，压缩机缸盖和气缸体充分暴露在外，使吸入制冷剂蒸气的过热度减少。在无电力供应的场合，可由发动机来驱动运转，如冷藏车、客车空调。可用于燃气机驱动的热泵系统中，达到节能的目的。在以氨为制冷工质的制冷系统中，可用作氨压缩机。容易拆卸维修。可以采用改变皮带传动比的简单方法改压缩机的转速，调节制冷量 活塞环结构 活塞、活塞组结构 曲轴结构 活塞销结构 机体、机壳结构 阀片原理图 环片结构 对于给定理论排量qvt的制冷压缩机，如果维持和p为定值，不同的气缸数将对应不同的气缸尺寸和不同的转速。气缸数少则

12、气缸径大，转速低；反之，缸径小，转速高。下面就分析气缸数多少的利弊。（1）从压缩机重量大小方面看，缸数多由于缸数少。且以下标l和m分别表示缸数少和气缸数多。设两种压缩机均几何相似，则压缩机的理论排量相等。qvt=60ilVplnl=60imVpmnm活塞平均速度相等。p=Slnl/30=Smnm/30由此可推出il/im=Vpmnm/Vplnl=(nm/nl)*(Dm/Dl)*3=(Dm/Dl)*2设相似压缩机的每缸重量与缸径的三次方成正比，则Gl/Gm=(il/im)*(Dm/Dl)*3=(im/il)*1/2这就是说，压缩机的重量大小是与气缸数的平方根成反比，气缸多的压缩机的较轻，可以节约

13、材料。如果考虑到多缸机的可以采取角度式布置方式，则将显得更轻，更紧凑。（2）气缸数多，压缩机的总切向力矩变化较小，可以采用小尺寸飞轮，压缩机的平衡性较好。（3）气缸数多，则压缩机的结构比较复杂，需要维修的零部件也多，运转的可靠性降低。现代中小型高速多缸单级压缩机的气缸数一般2-8缸，最多的达16缸。全封闭式压缩机的缸数1-4缸。更多. 气缸中心距 在多缸压缩机中，同列相邻两气缸的中心距离Lo决定了压缩机的纵向紧凑性。在进行压缩机总体设计时，Lo的选定可以从以下两个方面着手考虑。1）从曲拐元件的必要尺寸考虑，务使主轴颈、曲柄销和曲柄臂都要有足够的纵向长度。2）从同列相邻气缸的布置要求考虑。根据气

14、缸体上的气缸结构尺寸（是否采用镶入缸套，有无水套夹层，气道安排等）、气阀的结构尺寸（吸气阀是否在缸套四周，是否有卸载机构等）和缸盖螺栓的布置等的需要，决定其气缸中心距尺寸。对于单列式压缩机，其气缸中心距主要是由气缸的结构布置尺寸来决定一般其Lo/D=1.1-1.2。半封闭式2FL5B44A型压缩机Lo/D=1.16。角度式压缩机，则其Lo往往是决定于曲拐元件的结构尺寸，大抵Lo/D在1.5-1.6左右，如我国17系列，Lo/D=1.56,12.5系列=1.6等。 曲轴半径连杆长度的比 连杆的长度直接影响压缩机高度。在求得行程S之后，只要选定值便可求出连杆的长度，所以，在选定大小时，应予仔细考虑

15、。值愈大，则连杆长度愈短，压缩机的总高度愈低。从气缸侧压力随值的增大而上升来看，则增加活塞与气缸的磨损。在决定连杆长度时，还有必要在设计草图上校核曲柄连杆机构和机体之间的装配和运动关系，防止产生相碰和安装困难等问题。在制冷压缩机中，一般值的范围是1/3.5-1/6，在角度式压缩机中取近上限。 制冷压缩机的性能要求 绪 论总 论第一章第二章第三章第四章第五章实 验制冷压缩机的基本要求主要是指压缩机的规定使用条件和该使用条件所必须达到的性能指标。具体有:压缩机的名义制冷量、名义功率消耗、使用的环境温度和蒸发温度的变化范围、最大容许承压能力和容许压力差、容许排气温度的热力参数以及润滑油温度、电机绕组

16、温度和容许电压偏差的使用条件。此外，压缩机的重量和外形尺寸，可靠性和耐久性，结构工艺性也是压缩机设计时需要明确的重要方面。压缩机的振动和噪声直接关系到环境公害问题，日益引起人们的重视，已经成为评定机器性能的重要因素。活塞式压缩机作为一种量大面广的通用机械，为了有效而合理地保证其设计制造质量，使用可靠，国家根据我国的具体情况制定了相应的标准，规定了一般活塞式制冷压缩机的设计和使用条件。 一.动力经济性方面的要求能效比EERe或EERel值来衡量制冷压缩机的动力经济性的指标，较大的值不仅表明在相同制冷量条件下，制冷机消耗较少的功率，而且也意味着机器因能量损失少而使机器具有较低的工作温度，因而在其它

17、条件相同的情况下，压缩机可靠性和耐久性也就得到了提高。开启式压缩机的能效比一般较封闭式压缩机的能效比大。在同一机型中，单机制冷量大的相对损失少，能效比亦较大。能效比还与运转工况有关，高温工况下的值要高于低温工况下的值。一般开启式压缩机在标准工况下的能效比随单机制冷量的大小而变化的范围，大致为3-3.6之间。封闭式压缩机中， 由于轴功率不易测量，使用相对于电功率的能效比EERel值来反映其动力经济性。根据全封闭式压缩机的国标GB10079-88,其Kel值对于不同的名义制冷量应具有下表中的数值。冷量名义制/WEERel/(W/W)高温用低温用单相三相单相三相25002.2-2.2-2500-70

18、002.32.52.32.57000-2.7 二.质量和外形尺寸方面的要求压缩机的质量和外形尺寸是评价其结构紧凑性和金属材料利用率的重要指标，它们的降低和缩小与压缩机加工时的工时和成本的降低是成比例的。制冷压缩机的质量指标是由单位制冷量的质量KG(单位是kg/kw)值来评定KG=mc/Q0n式中 mc-压缩机的质量，对于封闭压缩机，应计电动机的质量。Q0n-名义制冷量。同类型制冷压缩机的KG值是随名义制冷量的增加而减小的。在各种类型的压缩机中，全封闭的KG值最小。半封闭式压缩机由于把电动机的质量计入，所以其KG值高于开启式。若在开启式压缩机质量中计入电动机的质量，这开启式的KG值最大。对于低温

19、制冷压缩机，其KG值当然比高温的大。界限体积等于外形尺寸长宽高三者之积，即VD=l*b*h, 压缩机外形尺寸由它来评定。压缩机的外形尺寸，在不同的情况下，有主次之分。当压缩机与制冷机并列安装时，其底面的长宽要求限制，以缩小占地面积；上下叠放时，往往其高度为限制尺寸，以压缩整机的高度。 三.可靠性和耐久性方面的要求压缩机工作的可靠性是指它在规定的运转条件下所具有的不致因出现故障而影响其正常运转的能力。它主要由压缩机零件的强度刚度和耐磨性所决定。用年停车率来衡量。它是基于国内外数十万台家用和商用压缩机考察结果分析总结得出的。停车率是产品在一定时间间隔内的平均故障停车概率，它可通过试验的方法由下式得

20、到(t)=m/t(n-m)式中 t-从给定时刻算起的一定时间间隔；n-进行试验的压缩机的台数；m-出现故障停车的压缩机的台数。通常，(t)曲线分三个阶段。在压缩机的磨合阶段，值较高，进入到第二阶段，值几乎不变，第三阶段，值因零件的过度磨损而又升高。根据已有数据分析，小型压缩机工作可靠性与名义制冷量Q0n有关，机器的Q0n或尺寸增大，其年停车率也提高。此外，封闭式压缩机要比开启式的工作可靠，因为前者取消了轴封和传动机构的缘故。转速的提高会降低机器的可靠性，但若能从结构和工艺上采取改进措施，则可靠性可保持不变。压缩机工作的耐久性是指压缩机工作至大修以前的累计运行时间，它主要是由压缩机零件在工作中的

21、磨损所决定的。因此压缩机的耐久性指标常用压缩机的易损件大到极限摩擦量前的运转总时间来表示。我国标准规定中小型压缩机的保修期为5000-6000h 。有些工厂，为了减少运转中的故障停车，还用限期更换易损件的方法。全封闭式压缩机维修需隔开即可方可进行，因而其使用寿命要求更高。国外比较先进的一般达到50000h左右。Copyright 2002 中国压缩机网 All Rights Reserved 四.结构工艺性方面的要求 为了节省材料和劳动量，提高生产效率，降低制造成本，减少文秀费用，需对压缩机的结构工艺进行合理的设计。要合理选择零件的材料以及毛坯的型式和结构，使它能满足零件所要求的材质和尽可能接

22、近零件的形状，留下合理的加工余量，便于机械加工，提高生产率。正确确定压缩机的重要表面的公差配合和表面质量，充分考虑到生产实际条件，防止过分提高或不恰当的降低要求的倾向。根据生产产品的生产规模和具体生产条件，合理确定零件的加工方法和相应的工艺过程，应使零件结构与选定的加工方法和工艺过程相适应。采用不同的装配工艺，会得到不同的装配生产率和经济效果。为此选用合理的装配工艺，以保证达到机器的装配的技术要求。使压缩机的便于装拆、调整测量、起吊运输和维护修理，这是衡量其结构工艺性好坏的重要标志，设计时务必予以重视。最后应着重说明，制冷压缩机的设计和生产要循着产品系列化，零部件通用化，零件设计标准化的三化方

23、面发展。产品系列化进行产品的系列化工作，以尽可能少的机型品种，进行合理的变型来满足各种用途、各种制冷量和工作温度的要求。对同一机型品种的压缩机，采用适当的方法发展成不同大小、不同用途的型号，这就是变型。常见的变型方法如下：改变气缸数和所用工质，以获得不同的制冷量。这是目前广泛采用的变型方法，我国制冷压缩机的系列都是按此发展而成。改变压缩机的转速以扩大其制冷量范围。用于开启式压缩机较方便。保持缸径不变而变化行程的长短，以更好地适应不同蒸发温度和不同制冷量的需要。保持行程不变而变化缸径的大小，以适应不同的工质、蒸发温度和制冷量的需要。零部件通用化零部件通用化包括两层含义，其一：压缩机在设计中要尽可

24、能使其主要零部件能适应于全部变型产品。其二：力图使加工零件的装备通用化，即对于一些变型产品中不通用的零件具有相同的结构特点和几何尺寸。零件设计标准化在压缩机的设计中要切实执行有关国家标准，采用标准和定型结构减少专用零件种类，缩短设计和试制周期，以保证产品质量。 二、半封闭式制冷压缩机开启式压缩机的最大缺点之一是曲柄伸出机体处的轴封装置是制冷系统中容易产生泄漏的发源地。半封闭式制冷压缩机既保持了开启式制冷压缩机易于拆卸、修理的优点，同时又取消了轴封装置，改善了系统的密封性。但是，由于机体上仍然存在结合面连接处，所以不能完全消除泄漏现象。半封闭式压缩机采用四极电动机驱动，其额定功率一般在45kW之

25、内，最大可达100kW。气缸数为2-8个，最多12个。半封闭式压缩机多采用气缸体-曲柄箱整体结构形式，其电机外壳往往是气缸体曲柄箱的延伸部分，以减少连接面和保证压缩机级电动机之间的同心度；只在较大的机型中，为铸造和加工方便起见才制成可分的，在连接处由法兰连接起来。曲柄箱和电机室两空间由孔相通，以利润滑油的回流。在较大的机型中，很多采用嵌入的气缸套结构。主轴可以是曲柄轴或偏心轴的结构形式，它横卧在一对滑动和滚动主轴承上。主轴的一端总是悬臂支撑着电动机转子，或者同时也起着飞轮的作用。半封闭压缩机中内置电动机的冷却有的用空气或水，有的用吸入低温工质蒸气。空气冷却的方式绝大多数用于风冷式冷凝机组中，这

26、是，电机外壳周围设有足够的散热片，靠冷凝风机吹过的风冷却电动机定子。当采用水冷式冷凝器时，可向电机外壳水套中引入冷却水进行定子的冷却。用吸入工质蒸气的方式在高温工况下工作时，内置电动机因获得强烈的冷却而具有较大的过载能力，这样可使电动机的尺寸质量有所减小，这种方式已广泛用于功率在1.5kW以上的半封闭压缩机中。对于小功率范围内的半封闭压缩机，其润滑往往采用离心供油方式。这种润滑方式结构简单，但当压缩机功率增大时，显得供油不足，这时应改为压力润滑方式。要是内置电动机由吸入蒸气冷却，则必须防止吸入的工质带走大量的润滑油，增加了制冷系统的润滑油循环量，甚至引起液击事故。这时就有必要从结构上保证那些滞

27、留在电动机底部的润滑油能及时地回到曲柄箱中去。对于设有输气量调节机构的半封闭压缩机，有的采用液压操纵的顶开吸气阀的装置，也有用电磁阀控制的排气旁通方式。为了保证安全运行，高低压腔之间设有安全阀，气缸上部有的采用假盖结构，在电机的绕组中往往设有内藏式温度电流过载继电器。半封闭压缩机可以采用两台同一系列的机器对接起来的方法增大机组容量，这时，只需以圆柱形的吸气筒替换原来两台机器的电机室端盖，由它把两个电机室外壳对接在一起。半封闭式压缩机也有单机双级压缩的变型产品。 三、全封闭式制冷压缩机全封闭式制冷压缩机是将整个压缩机电动机组支承在一封闭的钢制薄壁机壳之中而构成的制冷压缩机。这类压缩机在结构上与前

28、面所叙述的开启式、半封闭式有明显的不同。不论是开启式还是半封闭式压缩机，它们都采用密闭气缸体曲轴箱机体结构。全封闭式压缩机将气缸体、主轴承座和电动机座结成一刚性机体，大大减轻和缩小了其重量和尺寸。制冷工质和润滑油密封在密闭的机壳内。露在外面的只有吸排气管、工艺管和电源接线柱。全封闭式压缩机提高了机器的密封性，降低了振动和噪声，广泛应用于家用制冷空调和小型商用制冷机械中。其驱动功率大多在7.5kW之内，目前最大的可达22kW；缸径一般不超过60mm，气缸数1-2个居多，少数有3-4个气缸的。全封闭式压缩机多采用二极电动机。 第四章 压缩机的输气量调节 调节原因：制冷机负荷是随外界条件与冷却温度的

29、要求而变化的，压缩机的输气量应该能够适应运行条件的变化，满足所需的蒸发温度和制冷量的要求。调节方法：压缩机的间歇运行顶开吸气阀调节输气量 油缸拉杆顶开机构 高压直接顶开 旁通调节输气量关闭吸气通道的输气量调节变速调节输气量三种输气量调节方法的比较练习园地 压缩机的间歇运行 这是一种输气量调节的最简单的方法。是压缩机按时间的平均输气量能适应制冷负荷和冷却变化的要求。这种压缩机的两位控制是用温度控制器感应冷藏室温度或被冷却介质温度，或用压力控制器感应蒸发压力，自动控制压缩机的停车和运行。当冷藏室温度或与之对应的蒸发压力达到下限值时，压缩机重新启动投入运行。其结果是冷藏室温度和被冷却介质温度波动在上下限温度之间。 顶开吸气阀调节输气量 顶开吸气阀调节输气量是将压缩机中某些卸载气缸的吸气阀片在卸载期内脱离阀座，使吸气阀一直处于开启位置，这样，进入气缸的气体将不会被活塞所压缩而被活塞重新推回吸气腔内，实现了该气缸停止向外输气的目的。A.油缸拉杆顶开机构。B.高压直接顶开。 旁通调节输气量 一些采用簧片阀或其他气阀结构的压缩机不便用顶开吸气阀片来调节输气量，有时可采用压缩机排气旁通的办法来调节输气量，有在压缩机外部旁通和压缩机内部旁通两种结构形式。 旁通调节结构图 关闭吸气通道的输气量调节 关闭吸气管卸载是通过完全切断一些气缸与吸气通道之间的气流来实现的。 往复式压缩机原理及结构