制冷原理与设备第 6 章螺杆式制冷压缩机

制冷原理与设备第 6章螺杆式制冷压缩机

主编李晓东

电子制作齐向阳

第 6章螺杆式制冷压缩机

6.1 螺杆式制冷压缩机的工作过程6.1.1 基本构造螺杆式制冷压缩机主要由转子、机壳（包括中部的气缸体和两端的吸、排气端座等）、轴承、轴封、平衡活塞及输气量调节装置组成。图是典型开启螺杆式压缩机的一对转子、气缸和两端端座的外形图。



6.1.2 工作原理螺杆式压缩机的工作是依靠啮合运动着的

一个阳转子与一个阴转子，并借助于包围这一对转子四周的机壳内壁的空间完成的。

吸入压缩排出

工作原理

第 6 章螺杆式制冷压缩机


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依靠啮合运动着的一对阴阳转子，借助它们的齿、齿槽与机壳内壁所构成的呈“ V” 字形的一对齿间容积呈周期性大小变化，来完成制冷剂气体吸入—压缩—排出的工作过程。

螺杆式压缩机的工作原理

6.1.3 工作过程螺杆式压缩机的工作过程示意图。其中， a 、 b 为一对转子的俯视图， c 、 d 、e 、 f 为一对转子由下而上的仰视图。



6.1.4 内容积比及附加功损失1. 内容积比

2

1v V

V

n

n

V

V

p

pv

2

1

1

2i

如果略去气阀的阻力损失，可近似地认为活塞式制冷压缩机压缩终了时的压力等于排气腔内气体压力


2. 附加功损失（ 1 ） p2pd （ 2 ） p2pd

（ 3 ） p2pd

二、特点就压缩气体的原理而言，螺杆式制冷压缩机与往复活塞式制冷压缩机一样，同属于容积式压缩机械，就其运动形式而言，螺杆式制冷压缩机的转子与离心式制冷压缩机的转子一样，作高速旋转运动。所以螺杆式制冷压缩机兼有二者的特点。

1. 优点

（ 1 ）转速较高、又有质量轻、体积小，占地面积小等一系列优点。

（ 2 ）动力平衡性能好，故基础可以很小。

（ 3 ）结构简单紧凑，易损件少，维修简单，使用可靠，有利于实现操作自动化。（ 4 ）对液击不敏感，单级压力比高。

（ 5 ）输气量几乎不受排气压力的影响。在较宽的工况范围内，仍可保持较高的效率。

（ 1 ）噪声大。（ 2 ）需要有专用设备和刀具来加工转子。（ 3 ）辅助设备庞大。

2. 缺点


一、主要零部件的结构螺杆式制冷压缩机的主要零部件包括机壳、转子、轴承、平衡活塞、轴封及输气量调节装置等。6.3.1 机壳螺杆式制冷压缩机的机壳一般为剖分式。它由机体（气缸体）、吸气端座、排气端座及两端端盖组成，如图所示。

6.3 螺杆式制冷压缩机的主要零部件


6.3.2 转子转子是螺杆式制冷压缩机的主要部件。如图所示，常采用整体式结构，将螺杆与轴做成一体。


1. 转子的齿形型面：主动转子和从动转子的齿面均为型面，是空间曲面。

（ 1 ）齿形的基本要求1) 较好的气密性。2) 接触线长度尽量短 3) 较大的面积利用系数。



泄漏途径如图所示

接触线方向的泄漏如图所示



（ 2 ）典型齿形

瑞典 Atlas copco公司

德国 Kaeser 压缩机公司


日本神户的齿形

瑞典斯达尔（ Stals ）齿形

SRM双边不对称齿形

CF 齿形德国 GHH公司

2. 转子主要结构参数（ 1 ）转子的齿数和扭转角转子的齿数和压缩机的输气量、效率及转子的刚度有很大关系。通常转子齿数越少，在相同的转子长度和端面面积时，压缩机有较大的输气量。转子的扭转角是指转子上的一个齿在转子两端端平面上投影的夹角，如图所示，它表示转子上一个齿的扭曲程度。


（ 2 ）圆周速度和转速

喷油螺杆式压缩机最佳圆周速度选择在 2535m/s 左右

（ 3 ）公称直径、长径比 λ

确定螺杆直径系列化的原则是：在最佳圆周速度的范围内，以尽可能少的螺杆直径规格来满足尽可能广泛的输气量范围。

一般值在 11.5 之间，我国产品有两种长径比，即 =1.0 和 =1.5


阳转子名义直径 /mm 100

125

100

120

160

200

250

315

400

500

阳转子转速 / （ r/min）

4400 2960 1450

转子长径比 1 、 1.5

制冷剂 R12 、 R22 、 R717

表　我国螺杆压缩机结构参数

按我国机械工业部标准 JB／ T6906—1993《喷油螺杆式单级制冷压缩机》中，推荐的螺杆压缩机结构参数系列见表



6.3.3 轴承与平衡活塞螺杆式制冷压缩机属高速重载。为了保证阴、

阳转子的精确定位及平衡轴向力和径向力，必须选用高精度、高速、重载的轴承和相应的平衡机构，确保转子可靠运行。

一般说，低负荷、小型机器中，多采用滚动轴承；高负荷、大中型机器中，多采用滑动轴承。


为了平衡部分或全部轴向力，通常用一个平衡活塞来达到这一目的。图为一个油压平衡活塞的结构。

螺杆式制冷压缩机属高速重载。为了保证阴、阳转子的精确定位及平衡轴向力和径向力，必须选用高精度、高速、重载的轴承和相应的平衡机构，确保转子可靠运行。


6.3.4 能量及内容积比调节机构螺杆式制冷压缩机输气量调节的方法主要有

吸入节流调节、转停调节、变频调节、滑阀调节、柱塞阀调节等。目前使用较多的为滑阀调节和塞柱阀调节。

1. 滑阀调节1) 工作原理即通过改变转子的有效工作长度，来达到输气量调节的目的。

1.滑阀调节

输气量调节滑阀是螺杆式制冷压缩机中用来调节输气量的一种结构元件，虽然螺杆式制冷压缩机的输气量调节方法有多种，但采用滑阀的调节方法获得了普遍的应用。如图所示

喷油结构螺杆式制冷压缩机大多采用喷油结构。如图 b 所示

6.3.4 能量及内容积比调节机构



滑阀调节的原理图

调节机构的组成输气量调节机构由三部分组成：第一部分包括滑阀、滑阀顶杆、油活塞、液压缸、压缩弹簧及端座；第二部分为输气量调节指示器；第三部分为油路及输气量调节控制阀。3) 调节过程滑阀轴向移动的动作是根据吸气压力和温度，通过液压传动机构来完成的，图 3-20表示电磁换向阀组控制输气量调节滑阀的工作情况。2. 塞柱阀调节塞柱阀的启闭是通过电磁阀控制液压泵中油的进出来实现的。塞柱阀调节输气量只能实现有级调节。这种调节方法在小型、紧凑型螺杆压缩机中常常可以看到。


3 、内容积比调节内容积比调节机构的目的：就是通过改变径向排气孔口的位置来改变内容积比，以适应不同的运行工况。一般生产厂根据压缩机应用中的常用工况要求，提供不同内容积比的压缩机供选择，以适应不同的内容积比的要求。我国内容积比推荐值有2.6 、 3.6 、 5三种，以适应高温、中温及低温等不同蒸发温度的要求。另外，对于工况变化范围大的机组，有必要实现内容积比随工况变化进行无级自动调节。





转子

星轮

6.3.5 润滑系统


6.4 螺杆式制冷压缩机的总体结构






阴转子

阳转子主动转子左旋螺纹

从动转子右旋螺纹


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开启式压缩机的优点

（ 1 ）压缩机与电动机相分离，使压缩机的适用范围更广。（ 2 ）同一台压缩机，可以适应不同制冷剂，除了采用卤代烃制冷

剂外，通过更改部分零件的材质，还可采用氨作制冷剂。（ 3 ）可根据不同的制冷剂和使用工况条件，配用不同容量的电动

机。

发展趋势和研究成果

（ 1 ）普遍采用内容积比调节机构；（ 2 ）采用单机双级压缩；（ 3 ）开启螺杆式压缩机的小型化。

6.4.2 半封闭螺杆式制冷压缩机


采用原因：当风冷及热泵机组使用工况较恶劣，在高的冷凝压力和低的蒸发压力时，排气和润滑油温度或内置电动机温度会过高，造成保护装置动作，压缩机停机，为了保证压缩机能在工作界限范围内运行，可采用喷射液体制冷剂进行冷却降温。

喷射液体制冷剂以降低排气温度


6.4.3 全封闭螺杆式压缩机


6.4.4 单螺杆制冷压缩机


具有内压缩过程，而且一个基元容积在旋转一周内，完成了两次吸气、压缩和排气循环过程



4. 轴封制冷系统的密封至关重要，因此在开启螺杆式制冷压缩机的转子外伸轴处，通常采用密封性能较好的接触式机械密封，它主要有弹簧式和波纹管式两种。


6.6 螺杆式制冷压缩机组6.6.1　螺杆式制冷压缩机组的构成

生产厂多将压缩机、驱动电动机及上述辅助机构组装成机组的形式，称为螺杆式制冷压缩机组。

压缩机组由压缩机、电动机、联轴器、油分离器、油冷却器、液压泵、油过滤器、吸气过滤器、控制台等组成。




螺杆式制冷压缩机组的构成


a) 一级节流制冷系统 b) 二级节流制冷系统1— 压缩机 2—油分离器 3— 冷凝器 4—贮液器 5—经济器

6—蒸发器 7 、 8— 节流阀 9—油冷却器

6.6.2 　带经济器的螺杆式制冷压缩机组



6.6.2　带经济器的螺杆式制冷压缩机组螺杆式制冷压缩机虽具有单级压力比高的优点，但随着压力比的增大，泄漏损失急速地增加，因此，低温工况下运行时效率显著降低。

为了扩大其使用范围，改善低温工况的性能，提高效率，可利用螺杆式制冷压缩机吸气、压缩、排气单向进行的特点，在机壳或端盖的适当位置开设补气口，使转子基元容积在压缩过程的某一转角范围，与补气口相通，使系统中增设的中间容器内的闪发性气体，通过补气口进入基元容积中。这样，单级螺杆式制冷压缩机按双级制冷循环工作，达到节能的效果。此增设的中间容器称为经济器。


1— 压缩机 2—油分离器 3— 冷凝器 4—储液器

5— 调节阀 6— 节流阀 7—蒸发器

带经济器的螺杆式制冷压缩机系统


6.6.3　喷液螺杆式制冷压缩机组螺杆式压缩机喷液或喷油，是利用了它对湿行程不

敏感，即不怕带液运行的优点而实施的。由于油的降温密封作用，在螺杆式压缩机运行中喷

入大量的润滑油，提高了压缩机的性能。然而，对于油的处理上，却增加了油分离器和油冷却器等设备，使得机组笨重庞大，与螺杆式压缩机主机结构简单、体积小、质量轻极不相称，尤其是中小型封闭式压缩机。

在压缩机压缩过程中用喷射制冷剂液体代替喷油，借此省去油冷却器，缩小油分离器，并且喷液冷却能使排气温度下降，防止封闭式压缩机电动机因排气温度过高引起保护装置动作而停机。


四、多台主机并联运转系统在同一系统中采用多台螺杆式压缩机并联来代替单台机运行，在调节工况时，可以节省功率，特别是在较大输气量的系统中尤为有利。

近几年多台主机并联运转系统取得很大发展，其适用冷量范围为 240~1500kW 。

优点：其一是可以用较少的机型来满足不同输气量的需要，便于制造厂生产，降低成本；

其二是使用时可以逐台启动主机，对电网冲击小，启动装置的要求低；

其三是运转效率可以提高，当其中某一台主机出现故障时，可以单独维修而系统仍可以维持运转。


思考题1. 简述螺杆式制冷压缩机的工作原理及工作过程。2. 何谓内压缩过程、内容积比、内压力比？3. 简要分析螺杆式制冷压缩机为何会产生附加功损失。4. 螺杆式制冷压缩机的型号是如何表示的？5. 螺杆式制冷压缩机的优缺点主要有哪些？6. 螺杆式制冷压缩机由哪些主要零部件组成？各主要零部件的作用是什么？7. 何谓螺杆式制冷压缩机转子的齿形？对齿形有何基本要求？8. 螺杆式制冷压缩机转子典型齿形有哪些？各有何特点？9. 螺杆式制冷压缩机转子主要结构参数有哪些？对螺杆式制冷压缩机的性能各有何影响？10. 螺杆式制冷压缩机能量调节的方法有哪些？11. 简述滑阀调节和塞柱阀调节输气量的工作原理。12. 螺杆式制冷压缩机内容积比是如何调节的？13. 螺杆式制冷压缩机的润滑系统有哪几种形式？14. 开启螺杆式制冷压缩机有何优点？近十几年在设计制造方面有哪些较大的改进？ 15. 半封闭螺杆式制冷压缩机有何特点？16. 简述单螺杆式制冷压缩机的基本结构及工作原理。17. 螺杆式制冷压缩机输气量的大小与哪些因素有关？影响容积效率的主要因素有哪些？18. 何谓螺杆式制冷压缩机组？19. 分别简述带经济器的螺杆压缩机系统、喷液螺杆压缩机系统及多台主机并联运转系统的

工作原理及特点

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