往复式压缩机原理及结构.docx

1、往复式压缩机原理及结构往复式压缩机原理及结构发展历程从世界范围内看压缩机的发展历程和概况。 活塞式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。然而，也必须注意 到，制冷压缩机的不断进步也反映在其种类的多样性方面，活塞式以外的各类压缩机机型， 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，这就为我们制冷工程的业内人士在机型的选择上提供了更多的可能性。 在这样的背景之下，活塞式压缩机的使用范围必然受到一定影响而出现逐渐缩小的趋势， 这一趋势在大冷量范围内表现得更为显著。在中小冷量范围内，实际上还是以活塞式压缩机为

2、主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循环(1)理论循环与实际循环之间的差别a) b)2-2压缩初的P卩示功图和P-arib)S2-3单级活塞式压縮机实际荷环和担论循环的比较(2)实际循环的压缩机的性能1 制冷压缩机的性能指标输气量：单位时间内由吸气端输送到排气端的气体质量称谓压缩机的质量输气量 单位为kg/h，此气体若换算为吸气状态的容积，则是压缩机的容积输气量 q,单位为立方米/ho制冷

3、量：表示制冷压缩机的工作能力的重要指标之一，即单位时间内所能产生的制 冷量。输气系数：表示压缩机气缸工作容积的有效利用率，即压缩机实际输气量与理论输 气量之比值 称为输气系数。指示功率和指示效率：单位时间内所消耗的指示功就是压缩机的指示功率。制冷压缩机的指示效率就是压缩一公斤工质所需绝热循环理论功的值。轴功率、轴效率和机械效率：由原动机传到压缩机主轴上的功率，称为轴功率。制冷压缩机的等熵理论功率与轴功率之比，称为轴效率，用以评定压缩机主轴输入功率利用的完善程度。机械效率是压缩机的指示功率和轴功率之比，用以评定压缩机摩擦损耗的大小程度。电功率与电效率：从电源输入驱动电动机的功率就是压缩机所消耗的

4、电功率。电效率是等熵理论功率与电功率之比，用以评定电动机输入功率利用的完善程度。效能比：为了最终衡量制冷压缩机在动力消耗方面的制冷效果，采用效能比，是指压缩机所产生的制冷量与所消耗功率之比。有相对于轴功率与相对于电功率之分别空气压缩机指标（3） 些重要概念1 ）输气系数输气系数不仅影响压缩机的尺寸、重量，同时也影响着功率的消耗此外，在压缩机的调试、和实际运转过程中， 经常会遇到输气量或制冷量不足的问题. 因此，很有必要对影响压缩机输气系数的各种因素进行分析.1.容积系数主要用于表示余隙容积对输气系数影响的大小 （定义）2.压力系数主要用于反映吸气终了压力降对输气系数的影响程度 （定义）3.温度

5、系数主要用于衡量气体在吸气过程中温升对输气系数的影响程度 （定义）4.泄漏系数影响输气量的泄漏是发生在活塞、活塞环和气缸壁面间以及吸排气阀密封面的不严密处另外，气阀的延迟关闭也会造成蒸气倒流的泄漏系数从而影响输气系数.2）压缩机功率，效率注意提高压缩机运行的经济性，注意降低其功率消耗是十分重要的。为此，有必要分析影响压缩机功率的各种因素，探索提高效率的途径。1指示功率，指示效率2影响指示功率和指示效率的因素图2-24 指示效率亿随压力It和相对余隙容积c的变化关系3.摩擦功率，机械效率和轴功率S2-30 j与电动机名义功率的关弃3）压缩机运行特性曲线2-36 F5.2Q型全封闭式空调压協机 图

6、站3了 一开启式R吐制篙压缩机岁运荷界园的运布特性曲缀4）压缩机的排气温度为何要降低压缩机的排气温度压缩机排气温度过高会引起压缩机的过热，从而影响压缩机工作。压缩机过热会降低其输气系数和增加功率消耗。润滑油粘度会降低，使轴承产生异常摩 擦损耗，甚至出现烧瓦事故。 过高的压缩机温度促使制冷工质和润滑油在金属的催化下出 现热分解，生成对工作 有害的游离碳、酸类物和水分。压缩机过热还会导致活塞在气缸里被卡住，以及内置电动机的烧毁。所以压缩机排气温度必须加以限制：对 R22和氨制冷机，低于 150摄氏度；对于R12，低于130摄氏度。如何能降低压缩机的排气温度压缩机的排气温度取决于压力比、吸排气的阻力

7、损失、吸气终了温度和多变压缩指数。首先要限制压缩机单级压力比，高压力比应采用多级压缩中间冷却的办法来实现。同时要防止冷凝压力过高、蒸发压力过低等故障，降低吸排气阻力损失实际起到了 缩小气缸中实际压力比的作用。加强对压缩机的冷却，减弱对吸入工质的加热，以降低吸气终了工质温度和多变压 缩指数是降低排气温度的有效途径。对压缩机中温度较高的部分（气缸盖、内置电动机等）采用鼓风机冷却或设置水套、水冷却盘管以及在曲轴箱和机壳中装设润滑油冷却盘管， 用制冷工质对润滑油进行强制冷却。在封闭式压缩机中，提高内置电动机的效率，减少电动机的发热量对降低排气温 度具有重要作用。附：主要参数计算表表2-4主要参数计算表

8、工质R12R22R502低温名义工况z0 = -23 =43&C 耳= 38SCPi = Psa f kPa134.08217.72260.14匕=p!kPa1033.51648.71796.9压力比宀7.717.576.910.13770.11780.0761畑 J)358.1414.4355.3站 J 399.4474.0396.3236.5247.0245.7绝热指数*1.141.191.13等端点膨胀多变指数m1.01.050.99等端点压缩多变指数以1.11.141.09吸气终了相对压力损失0.050.0550.06排气终了相对压力损失%仏0.100.110.125工质单位质量制冷量

9、g恤=%-尽 i（kJ kg1358.1-236.5=121.6414.4-247.0=167.4355.3-245.7=1单位等熵压缩功% Aa - Aj Ag_1)理论容积输气量% =扌0务塩60/（/犷1）工质R12R22R50低温名义工况耳=38*0容积系数1-0.0257.71(11-0.0257.57(1 +1-0.025AK= 1 -+0.1) 1/1-10.11) 1/1.05-11 +H场n=0.813=0.8350.125) 1/0.9=0.827压力系数d 1 + 00：1 0.8K=0.037=0.932=0.924泄漏系数二0.980.9750.97温度系数实际质量输

10、气量制冷量等熵压缩功率吸气过程平均相对压力 损失排气过程平均相对压力 损失丄況竺土生個0.98 273.15 + 130.813 X 0.937 X 0.81 X 0.98=0.603106.921216 =：*.6l360036000.0860.0640.79 （选取）0.85 （选0.835 X 0.932 X 0.79 X 0.975=0.5990.11783600崗金兀=2 636000.0920.070.827 X 0.0.85 X 0.9=0.6340.634畑0.0761106.9813600203.53136000.080.07停血轴指示功率1309 x 0.813 xO 93

11、71.309 xO S35 x 0.9321.309 x 0.JR = 1.刃咛丹/畑X134.08xl03x(0.06)3x 217.72 xl03x (0.06) 3X260.14X* -1 乂亠(何“爲) 丁K - 1xO 05X1440X2X 1 141 14-1X0.05X1440X2X 1 191.19-1X0.05X14x (7.71(1 +0 086x(7.57(l +0.092x 6.91(1-l)x10-5/1.14-11.19-11.13+ 0.064) -1JXW5+ 0.07)山 -i)xi(r5+ 0.07)=1.735=2.989=3.17摩擦功率1.309 X

12、0.062 X 0.05PK =(1.309Z?3 )ikWX 2X 1440X 40X 103X 1050.2710.27=0.271轴功率3.17+0.271.735+0.271=2.02.989+0.271=3.264指标效率除=RJR1.23/1.735=0.7092.06/2.989=0.6892.32/3.172机械效率叽即瓦1.735/1.943=0.0872.989/3.136=0.923.17/3.332工质R12R22R502低温名义工况= -23*(? tx = 5C 眾-4TC 耳=38C轴效率罠=叽0.709 X 0.86=0.6170.689 X 0.92=0.63

13、40.732X 0.92=0.673电效率可必=%可沁0.617 X 0.83=0.5120.634 X 0.84=0.5330.673X 0.84=0.565电功率F吐=Pj %1.23/0.512=2.402.06/0.533=3.862.32/0.565=4.11能效比（相对于轴功率）6.19/33.61/2.0=1.815.78/3.26=1.77.44=1.EERQJPel80能效比（相对于电功率）6.19/43.61/2.40=1.505.78/3.86=1.50.11=1.E% =QJPfi51压缩终了温度泗.1”洛如羽s273.15 40.810,79 .“0.85妨=寻【成1

14、 + 4）冋1.1-1+ 0 15) - 273.15+1.14-10.162) 114 - 273.15+ 0.158)：=148=187=113-273.15最大功率工况- I8a h =499tk = 60C用上述同样方法计算最大轴功率益lkW3.04.524.74配置电动机功率/kW3.75.55.5上表计算中的一些参数要参照类似压缩机的经验数据选取。其中值得指出的有:1由于此机的吸气不经过内置电动机而直接进入吸气腔，其 可按开启式压缩机的式（2-36）进行计L09-1-27算。但见于以 R22为工质时，压缩机的温度要比以 R12为工质时高，因而这时的要取得略低些；而以R502为工质时

15、，工质的质量流量约为以R12为工质时的两倍，这就要求把 丄”选取得较高。2.和:U可按第六章中6-4所述方法进行计算。3在计算时，可以认为，等功多变指数近似等于绝热指数：。这样的话，也可用较简单的方法从 二 图求取值，即先求从状态 “ ， 1 等熵压缩至宀 ；所耗的比功再由压缩机实际质量流量 =求=。4内置电动机功率按我国 YSH系列封闭式压缩机用耐氟三相异步电动机配置。通过本例题的计算结果，可以发现，压缩机以低温工况运行时，采用 R22或R502工作所得制冷量要比用R12时分别大60%70%左右，其驱动功率亦需相应增大。至于压缩终了温度，它与排 气温度的高低有关，以用 R22时为最高，用 R

16、502时则得到大幅度下降。第二章活塞式制冷压缩机动力学1)曲柄连杆机构的受力分析1)曲柄连杆机构的惯性力1曲柄连杆机构的惯性力包括三个方面：1 活塞往复运动所产生的惯性力2.曲柄不平衡旋转质量所产生的离心惯性力3 连杆运动所产生的惯性力在这三者之中，连杆惯性力的分析最为复杂。 这不仅由于连杆本身的运动复杂， 而且还由于它是活塞和曲柄之间的中间传动件， 连杆的惯性力要先通过活塞和曲柄这两个运动件，才传到固定支承上，如气缸壁和主轴承座等。 研究连杆惯性力， 很重要的要找出它在连杆大小两头的表现，也就是要找出它传给活塞和曲柄之力的大小和方向2连杆惯性力的质量代替系统在压缩机动力学中，连杆惯性力的问题

17、常常用质量代替系统的方法来处理。 所谓代替系统，就是将连杆的实际质量分布用一些假想的集中质量来代替， 使后者所产生的惯性效果与前者相同。为达到这个要求，代替质量系统应满足下述三个条件：代替系统的总质量要等于原来连杆的总质量。代替系统的质心位置要与原来连杆质心位置重合。代替系统对于质心的转动惯性应等于原来连杆的转动惯量3往复惯性力曲柄连杆机构的往复惯性力 Fj是活塞组和连杆往复部分所产生的往复惯性力之和，Fj=-Mjaj通常在连杆中产生拉伸力的往复惯性力方向规定为正方向的力， 而由上式所得的正值恰是使连杆产生压缩的力。因此以后计算中，上式改写为：Fj=Mjaj已知往复质量 Mj等于活塞组质量 M

18、p和连杆往复质量 Mc1之和：Mj=Mp+Mc1Fj=(Mp+Mc1)r 3 *2(cos a + 入 cos2 a)往复惯性力可以看作两部分之和 ，即Fj=Mjr 3 *2cos a +Mjr w *2 入 cos2 a =Fj1+Fj2这里，Fj仁Mjr w *2cos a =Mjr w *2cos w t称为一阶往复惯性力。 Fj2=Mjr w *2 入 cos2 a =Mjr w *2 入 cos为二阶往复惯性力。图3-3 1 = 1/4时往复惯性力F,随曲轴转角a的变化图3-3 表示的是 入=1/4时，往复惯性力随曲轴转角的变化。不难看出，一阶往复惯性力的最大值是二阶往复惯性力最大值

19、的 1/入倍。因为入=1/3.5-1/6之间，所以在往复惯性力中起主要作用的是一阶往复惯性力。其次，一阶往复惯性力的变化周期等于压缩机曲轴旋转的周期，而二阶往复惯性力的变化周期等于压缩机曲轴旋转周期的一半。必须注意： Fj的大小随曲轴转角而周期的变化。最大值Fjmax发生在a =0。时Fjmax=Mjr w *2*（1+ 入）最小值Fjmin,如入 1/4,则发生在a =180 时Fjmin=- Mjr w *2*（1 -入）如入 1/4，则最小值不发生在活塞处与内止点时，而是在内止点附近， 其大小为Fjmin=- Mjr w *2*入 +1/（8 入）4旋转惯性力曲柄连杆机构的旋转惯性力 F

20、r就是就是曲拐或偏心轴颈的不平衡旋转质量 Ms和连杆旋转质量Mc2所产生的离心惯性力之和，它的作用线与曲柄中心线重合。如取离心方 向作为正，Fr的公式为：Fr=Mr*ar=（Ms+Mc2）r w * w对于曲拐，由于其曲柄质心不处于曲柄销中心点 A上，故其应作质量转换计算，即Ms=Ms1+Ms2rs/r式中：Ms1-曲柄销的质量；Ms2-曲柄的质量；rs-曲柄质心离轴中心的距离。2）气体力作用于连杆机构的气体压力来自气缸内和曲柄箱（或机壳）内两个方面前者随曲轴转角而变化，后者在稳定工况可近似认为不变， 并在单级压缩机和单机双级开启式压缩机终于吸气压力；在单机双级半封闭式压缩机中等于中间压力。见

21、图 3-4作用于活塞上的气体力 Fg为Fg=-(p-pca)Ap式中，p-气缸内的压力；pea-曲轴箱(或机壳)内的压力；Ap-活塞面积。示功图可用作图法或计算法求得，下面介绍一种简单的计算方法：压缩过程1-2pci=(S+Sc)/(Xi+Sc)*n*p1 式中，pci-压缩过程第i点的气缸压力；n-压缩多变指数; p1-气缸中吸气终了压力。排气过程2-3排气过程可看作气缸压力等于 ps的过程.膨胀过程3-4pci=Sc/(Xi+Sc)*m*ps 式中，pci-膨胀过程第i点的气缸压力；m-膨胀多变指数。 吸气过程4-1吸气过程可看作气缸压力等于 pl的等压过程3)Pmp和旋转摩擦功率 Pmr

22、。作用在每 但为简化计算，习惯上假设它是一个不摩擦力压缩机的摩擦功率主要由两部分组成：往复摩擦功率 一活塞上的往复摩擦功率其大小随曲柄转角而变化。变的值，而它的方向则始终与活塞的速度方向相反。 为了与惯性力一致起见，规定在活塞从外止点滑向内止点的时间内，其作用力方向为正，而从内止点滑向外止点的时间内则是负。Fmp (单位是 N )与摩擦功率的关系为： Pmp=Fmp2Sni/60000 ； Fmp=60000Pmp/(2Sni)式中：Pmp-压缩机的往复摩擦功率，单位为 kW ；S-活塞行程，单位为 m ；i-整台压缩机气缸数；n-压缩机的转速，单位为 r/min ；又可写成 Fmp= (0.

23、6-0.7)*60000Pi(1/ n m-1)/(2Sni)式中：Pi-压缩机指示功率，单位为 kW ； n m-压缩机机械效率。旋转摩擦功率是消耗于克服压缩机的旋转阻力上， 压缩机的这个阻力可以用距中心等于曲柄半径r的集中切向摩擦力 Fmr表示之，其正方向是反压缩机转向的。切向摩擦力与旋转摩擦功率之间的关系是： Pmr=Fmrrn n/60000= n Fmrsn/60000式中：Pmr-压缩机的旋转摩擦功率，单位为 kW.Fmr=60000Pmr/ n sn或可写成：Fmr= ( 0.3-0.4) *60000Pi(1/ n m-1)/ n sn(2)往复式压缩机的动力平衡1)曲柄连杆机

24、构的受力分析1活塞力活塞力Fp是气体力Fg往复惯性力Fj和往复摩擦力Fmp沿气缸轴线方向作用于活塞上的 合力。活塞力的正负方向规定与三个分力相同，所以，它等于三个分力的代数和。Fp=Fg+Fj+Fmp按等曲柄转角间隔计算活塞力，就可以求得它随曲柄转角的变化情况。2侧向力和连杆力活塞力在活塞销中心 B处可以分解为两个分力，一个分力为Fh,其作用方向垂直于气缸壁，称为活塞侧向力；另一个分力 Fc，其作用方向沿着连杆中心线，称为连杆力。贝UFh=Fptg 3 =Fp 入 sin a 1(1 入 sin a *sin a )*1/2Fc=Fp/cos 3 =Fp/(1 * 1 sin a *sin a

25、 )*1/23切向力和法向力连杆力传到曲柄销中心 A处由可以分解为两个力，一个分力 Ft与曲柄中心旋转轨迹圆相切，是为切向力；另一个分力 Fz沿着曲柄方向作用着，为法向力。其计算公式为：Ft=Fcsin( a + 3 )=Fpsin( a + 3 )/cos 3 =Fp(sin a +cto 1 siisia *s/(1 a )*1/2) Fz=Fccos( a + 3 )=Fpcos( a + 3 )/cos 3-sFp(cO1 sin - 1/(1 X sin a *sin a )*1/2) 根据上面两式就可以求得切向力和法向力随曲柄转角的变化情况。 Ft的正方向是反曲柄转向的，Fz的正方

26、向是离开曲柄中心的方向。4总切向力压缩机的总切向力等于同一曲轴位置上各缸切向力加上压缩机的切向摩擦力的总和，它是 外界原动机所要克服的压缩机的总阻力。对于单缸压缩机 刀Ft=Ft+Fmr对于多缸压缩机刀 Ft=刀(Ft)i+Fmr .EH3-6 曲柄遂杆机枸的受力图2)单缸制冷压缩机的平衡1旋转惯性力的平衡比较简单 ，只要在曲柄的相反方向装上适当大小平衡块， 以抵消不平衡的离心力即可。平衡块的质量 m3 r决定于不平衡旋转质量 mr以及平衡块质心到转轴中心的半径r3。见3 13mw r=mrr/r w =(ms+mc2)r/r w2一阶和二阶往复惯性力，从理论上讲，可以用图示的正反转质量平衡系

27、统来实现完全平 衡。一阶正反转质量平衡系统是由两个以相同于压缩机的转速作正反向旋转的正反转平衡 块组成。它们之间的相互位置在任何时候都应使两平衡块的离心力在水平方向的分量相互 抵消，在垂直方向的分量之和等于一阶往复惯性力而方向相反，其作用线与气缸中心线重 合。二阶正反转质量平衡系统与此类似，所不同的是正反平衡块的转速为压缩机转速的两 倍。前面讲过，二阶往复惯性力的最大值要比一阶的小的多。因此，实际上对二阶往复惯 性力是不采用专门的平衡装置的。在单缸压缩机中，即使要对一阶往复惯性力进行平衡， 为简化结构，通常不采用上述的正反转质量平衡系统，而是采用最简单的装在曲柄相反方 向的平衡块结构。这种装置

28、虽然可以完全或部分平衡掉一阶往复惯性力，但在水平方向上 增加了一个干扰力。所以说，这种方法只能使一阶往复惯性力的一部分转移到水平方向， 从而使垂直方向的作用力有所减小。由于最大作用力有所减小，它对改善压缩机的振动状况有一定的好处。单缸压缩机中，往往将气缸轴线方向的一阶往复惯性力转移 30%-50%至垂直于气缸气缸轴线方向上去，期削弱气缸轴线方向的振动，即 m w j=(0.30-0.50)mjr/rw。因此，在单缸压缩机中，当采用简单的在曲柄对面加平衡块的方法对旋转和一阶往复 惯性力进行平衡时，其平衡块总质量应满足以下关系： mw =mw r+mwj3由活塞力(即气体力、往复惯性力、往复摩擦力)所引起的倾覆力矩 MD作用在压缩机的机体上，并使之左右摇摆。倾覆力矩实质上是切向力矩的反作用力矩，它与压缩机机体上切向力矩所产生的周期性波动有关。切向力矩的周期性变化是由活塞式压缩机的工作特 性决定，难以消除。所以，要减小压缩机