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无油润滑涡旋压缩机设计计算步骤

涡旋压缩机从20世纪初提出,此后由于加工技术的局限,一直到70年代才开始发展,而无油涡旋压缩机的技术出现更晚,由于其泄漏问题也限制了无油涡旋压缩机的发展。目前虽然涡旋压缩机已经占领了空调市场,无油涡旋压缩机技术仍然不够成熟,国内生产无油涡旋压缩机的厂家也不多。然而由于涡旋压缩机的众多优点,其发展的前景还是比较好的,不过目前对于涡旋压缩机的研究并不多见,这次做无油涡旋压缩机毕业设计就遇到了很多问题,设计计算步骤各家有各家说法,基本参数也不尽相同,同一个人的论文甚至都会出现前后矛盾的事,于是计算过程尽耗费大部分时间在寻找计算方法上。这里张鹏根据不同论文与书本的结合并进行总结归纳与计算验证,重新设计了一下无油涡旋压缩机的设计计算步骤以供参考,在给出公式的同时,也为各位提供计算单位的说明。

首先指出,这里的设计计算首先给出的是压缩机的排气量Qd (V3/min)以及进排气压力ps、pd (MPa),根据文献1与文献2以及顾兆林,郁永章1996年发表于《压缩机技术》上的《涡旋压缩机基本参数选择及结构参数λ=h/Pt》一文,选取基本结构参数Pt、t和h,于是计算过程如下:

1、计算电动机指示功率Pi (Kw)

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公式参见文献[2]第62页,书中压力使用单位为“公斤/平方厘米”,故在此使用是需要乘以10.

2、确定电动机功率Pe (Kw)

考虑到泄漏、摩擦等因素的影响,压缩机的轴功率Pz

Pz=1.12Pe

选取电动机功率应保证有5%~15%的储备功率,故电机功率为

Pe=(1.05~1.15)Pz

3、选取电动机转速nw,转速范围为1000~4000r/min

4、确定压缩机排气容积Vd (m3/r)

Vd=Qd/(i*nw)

式中i为完全相同的工作腔容积的组数,对于单涡旋齿,两涡旋盘组成2组完全相同的工作腔容积,i=2;对于双涡旋齿,i=4,对于齿数为Z的多涡旋齿,i=2Z。

5、确定压缩机吸气几何容积Vs (m3/r)

为简化计算,用理想气体模型,设循环为绝热过程,则:

pVk=常数

式中k为被压缩工质或制冷剂的绝热指数,对于空气及双原子气体,k=1.4.于是吸气几何容积,于是压缩机吸气几何内容积为:

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6、计算几何内容积比εv

εv=Vs/Vd

7、 初选选节距Pt(mm)和涡旋壁厚t (mm). t取值在2~6mm

8、计算渐开线发生角α (弧度rad)

α=pi*t/Pt

其中pi为圆周率(这里不方便输入一些特殊符号,故使用matlab的输入方式代替了)。

9、求涡旋中心渐开线最终展角Φe(弧度rad)及排气角θd(单位rad,注意意此处所说排气角θd为主轴旋转角度)

εv=(2*Φe-3pi)/[2(Φed)-3pi]

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联立以上三个方程即可解除最终展开角和排气角。而中间参数即为涡圈外壁被干涉终点的渐开线展角,应该需要用到计算工具来计算,我是在Matlab里解决的此方程。依然记住pi为圆周率。http://www.zhangpeng.info/

10、求涡圈高度h (mm)

Vs*1000000=Pt(Pt/2-t)h(2Φe-3pi)

式中pi依然为圆周率,式中乘以1000000是因为公式当中用的Pt与t均应转换为m的单位计算,而本计算过程当中一直以mm为单位,故需要转换一下。

11、验算λ=h/Pt,是否处于合适的范围

如果超出范围,则返回步骤5重新选取节距Pt和涡旋壁厚t,重复计算直至在适宜范围内。根据文献的记载,λ值最好在1.5~2.5之间。

12、计算基圆半径Rb (mm)

Rb=Pt/2pi

pi依然表示圆周率

13、计算主轴回转半径Ror (mm)

Ror=(Pt-2t)/2

14、动涡旋盘的平衡设计(计算公式过于复杂,这里不便给出了,可以查阅文献)

15、防自转机构强度计算

16、无油润滑形式的选择及自润滑材料的选取

参考文献资料:

1、刘振国.涡旋式流体机械与涡旋压缩机[M].机械工业出版社. 2009

2、编写组.活塞式压缩机设计[M].机械工业出版社. 1974

3、顾兆林,郁永章.涡旋压缩机设计计算研究[J].流体机械. 1996.2

4、顾兆林.涡旋压缩机设计研究[J].低温工程. 1996.1

在翻阅以上参考资料之时,请自行鉴别公式的错误之处,根据《涡旋式流体机械与涡旋压缩机》一书后面所附的设计计算过程,电机功率的计算会存在问题,而其参数的选取亦有可商榷之处。而文献3、4所记载公式应该一样,可能存在排版印刷上的纰漏。

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