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0.3m3/min无油涡旋压缩机设计

这是一篇十年前的本科毕业论文压缩稿,前两天翻资料翻出来的,直接贴上。一晃十一年过去了,忽然发现毕业设计和工作内容产生了强耦合,也是很有意思。

摘  要:本文根据要求的排气量对涡旋压缩机的动静涡旋盘型线参数进行了计算,得到了涡旋节距Pt=22mm、涡旋齿厚t=3mm、涡圈高度h=37.58mm、基圆半径Rb=3.5mm;根据双圆弧修正理论对涡旋型线进行了修正以改善其性能;针对无油涡旋压缩机的密封形式、润滑方式及自润滑材料的选取进行了讨论,设计了合理的密封与自润滑形式;进行了受力分析,提出了平衡设计方案;探讨了涡旋压缩机辅助设备的选型设计方案,选取了0.81kW的电动机及十字滑环防自转机构。

关键词: 涡旋;压缩机;型线修正;无油润滑;设计

ABSTRACT: During the design process,parameters of both orbiting scroll and fixed scroll are calculated. The results are Scroll Pitch Pt=22mm, Scroll width t=3mm, Scroll Height h=37.58mm, Radius of basic circle Rb=3.5mm. The profile is modified by using two circular arcs in order to improve its performance. The airproof and lubrication of this prototype are discussed. Forces on scroll are researched. A balance plan is proposed. Meanwhile, other additional accessory equipments are concerned. Reasonable anti-rotation mechanism is indicated. A 0.81kW motor is selected.

KEY WORDS:scroll, compressor, profile modification, oil free, design

0  引言

无油润滑涡旋压缩机结合了无油润滑压缩机与涡旋压缩机两者的优点,在结构、工作效率、可靠性、震动、环保等方面有着不可替代的优势。而由于技术上的缺陷,无油涡旋压缩机直到20世纪80年才开始走上商业化应用的道路[1],我国的无油涡旋压缩机技术起步更晚,2009年才投产第一家自主知识产权的无油涡旋压缩机生产厂商。当前无油涡旋空气压缩机主要存在泄漏严重、震动无法有效控制以及自润滑材料寿命不高等问题,

1   涡旋盘的热力计算

1.1 基本型线设计

本设计中采用圆渐开线的涡旋型线。吸气量作为已知条件已经给定,在此基础上结合热力计算,就可以确定吸气几何容积。在数学上,从函数角度讲,已知吸气几何容积,只需三个基本独立参数就可完全确定涡圈的几何形状。本设计过程中,选取节距Pt、涡圈壁厚t以及涡圈高度h为3个独立参数,选取原因在于这三个参数是线性参数、直接反映在涡盘的几何形体上[2]

用理想气体模型,设压缩机工作循环为绝热过程,于是根据计算[3]可以得出涡旋型线的基本参数如表1。(计算过程详见无油润滑涡旋压缩机设计计算步骤)

表1  型线基本参数

基本参数 符号表示 计算结果 基本参数 符号表示 计算结果
吸气几何容积 Vs 168 mL 节距 Pt 22 mm
几何内容积比 eV 2.2437 涡旋齿厚 t 3 mm
渐开线发生角 a 0.4284 基圆半径 Rb 3.501 mm
验算参数 l 1.708 涡圈高度 h 37.58 mm
排气角 qd 7.054 rad 主轴回转半径 Ror 8 mm
渐开线最终展角 fe 17.44 rad 涡旋圈数 n 2.775

1.2 型线修正

由单一型线构成的涡旋齿在加工的过程中,受加工刀具直径大小的限制,加工刀具与齿头型线会发生干涉,会产生一些不利的影响,故需要对涡旋型线进行修正。

目前常见的型线修正方法主要有:直接截断修正、双圆弧修正、直线圆弧修正、多段圆弧修正、二次曲线修正和三角函数修正等。然而在众多的型线修正方法当中,双圆弧修正是最为简单、最为有效而可行的方法,也是目前产品普遍采用的方法,本设计过程中同样采用双圆弧修正齿形,采用解析法计算可得修正参数如表2,其修正原理如图1。

表2  型线修正参考点坐标

坐标点 X轴坐标/mm Y轴坐标/mm 坐标点 X轴坐标/mm Y轴坐标/mm
A -12.8259 -11.4476 E 3.3922 6.0011
B 1.9684 3.4822 F -3.3922 -6.0011
C 5.8985 7.4481

 

双圆弧修正原理
图1  双圆弧修正原理图

对以上计算所得基本型线参数以及修正参数可以得到最终情况下的涡旋型线如图2所示。

图2  修正后涡旋型线
图2  修正后涡旋型线

 

2  密封与无油润滑的设计

涡旋压缩机有有油润滑和无油润滑两种形式。对于无油润滑涡旋空气压缩机,由于没有润滑油的润滑及密封作用,其泄漏更加明显,而无油润滑形式及材料的选择也直接关系到涡旋压缩机的使用寿命与性能,因此对无油涡旋要所及润滑及密封的讨论成为了无油涡旋压缩机设计中的一个关键因素。

为了能够有效的控制泄漏带来的功率损耗,有必要对泄漏进行相应的分析以及改善。气体的主要泄漏形式有:动、静涡盘结合面的端面泄漏、静涡盘与支架体的结合面泄漏、曲轴与压盖的间隙泄漏、通过轴向间隙的径向泄漏和径向间隙的切向泄漏[4]。采用如图3的结构可以对齿端面进行密封。

图3 齿面密封示意图
图3 齿面密封示意图

对于无油涡旋压缩机的润滑,一般采用自润滑材料镶嵌来解决。本次设计中采用如图4所示的摩擦副镶嵌方式,这样能够具有磨损补偿特性,能够延长使用寿命,降低维护成本。而自润滑材料则选择纳米AL2O3和PTFE填充PEEK基复合材料,这样使得自润滑材料具有摩擦系数和磨损率最低的特点,同时能兼具

图4 齿面密封示意图
图4 齿面密封示意图

PTFE和PEEK的特性,有力的提高自润滑材料的使用寿命及润滑特性。

3  涡旋盘受力分析及平衡设计

涡旋盘受到的气体力可以分解为切向力、径向力和轴向力,对这些力有必要进行分析已保证涡旋压缩机的平稳运行、减小磨损[5]。轴向气体作用力是涡旋盘上承受的最重要的气体力,也是涡旋压缩机的主要缺点之一。在本设计中,采用推力轴承作轴向力平衡机构,使用过程中,定期更换推力轴承,此方法的优点在于其结构形式简单,维护方便。

图5 平衡铁外形
图5 平衡铁外形

动涡旋盘的质心并不在其几何中轴线上,而这种质心的偏移导致其在做公转运动的过程中会运行不稳定,震动较大[6],故需要加扇形平衡铁来使得质心处于中轴线上,扇形平衡铁外径R=60mm,内径r=17mm,扇形夹角p/3,其结构如图5所示。

4  其他零部件的设计

涡旋压缩机的正常运转还需要其他辅助设备。动涡旋盘需要电动机的带动;为了限制动涡旋盘做公转运动,还需要添加防自转机构防止其绕心自转。

4.1  电动机的选取

涡旋压缩机属于容积式压缩机,故可以根据容积式压缩机电动机指示功率计算公式计算,考虑到泄漏、摩擦等因素的影响,保证有5%~15%的储备功率,故电机功率为Pe=0.8066kW。

4.2  防自转机构的设计

本文采用公转型防自转机构的十字滑环机构,用带曲柄销的主轴和十字滑环机构的组合方式,实现动涡盘的平面运动和功率输入,是目前全封闭涡旋压缩机中最常用的结构形式。防自转机构被放置在动涡盘与支架体之问,一对凸键与动涡盘的键槽相配合,而另一对则与支架体上的键槽相配合,其结构如图6所示。

图6 十字滑环结构
图6 十字滑环结构

5  结论

随着当今科技技术的迅猛发展和环境保护的要求越来越高,低碳节能将会是本世纪的一个主题,压缩机行业也必将兴起一股降低能耗的风潮,而涡旋压缩机以其体积小,质量轻,噪声低,功耗小等优点迅速在压缩机行业崛起,涡旋压缩机技术的应用也将越来越广,而无油涡旋压缩机技术作为一个涡旋压缩机的研究热点和难点,其技术是个十分值得深究的研究项目,科研价值是非常大的。

本文先介绍了无油涡旋压缩机的工作原理及其特点,同时也对其存在的问题做了相关论述,针对现有的无油涡旋压缩机使用技术中的不足进行了阐述,对无油涡旋空气压缩开发设计的意义也进行了一定的探讨。

通过结合现有理论知识,在综合、分析、总结的基础上,对现有的涡旋压缩机设计计算步骤进行了一定的改进,得出了合适的计算设计方法,利用计算机工具对涡旋压缩机设计中所涉及到的各类参数进行了计算并绘制了图形,设计出了一种0.3m3/min的无油涡旋空气压缩机,本文的主要工作包括以下几项。

1) 首先对涡旋盘的型线基本参数进行了计算。通过讨论,选取了涡旋齿厚t、涡旋节距Pt、涡旋齿高h作为三个独立参数,通过参数之间的函数关系,利用Matlab编程计算得出涡旋型线基本参数包括:压缩机吸气几何容积Vs=186ml、几何内容积比eV=2.24、节距Pt=22mm、涡旋齿厚t=3mm、渐开线发生角a=0.428rad、涡旋中心渐开线最终展角fe=17.44rad、排气角qd=7.054rad、涡圈高度h=37.58mm、涡旋圈数n=2.78、基圆半径Rb=8mm

2) 通过对几种型线修正方案的讨论,选取了双圆弧修正的方案,对涡旋型线进行了修正。

3) 对无油涡旋压缩机的密封形式、润滑方式及自润滑材料选取进行了讨论,设计了采用将自润滑材料烧结在钢衬上再镶嵌至涡旋齿顶槽的密封与润滑形式。

4) 分析了涡旋盘受力情况,使用了平衡铁块使得动涡盘质心处于几何中心之上,平衡铁外径R=60mm,内径r=17mm,扇形夹角p/3,提出了使用推力轴承做轴向力平衡机构的设计方案。

5) 探讨了涡旋压缩机辅助设备的选型设计方案。根据容积式压缩机电动机选型方案,选取了合适的电动机,电机功率=0.81kW;选用了十字滑环防自转机构,并对其受力情况进行了一定的分析。

参考文献

[1] 赵远扬,李连生,熊春杰,束鹏程. 涡旋压缩机研究概述[J]. 流体机械,2002,9:28~31. Zhao Yuanyang, Li Liansheng, Xiong Chunjie, Shu Pengcheng. Status of Research for Scroll Compressor[J]. Fluid Machinery, 2002,9:28~31.
[2] 顾兆林,郁永章. 涡旋压缩机基本参数选择及结构参数=H/Pt [J ].压缩机技术,1996,3 :9-12. Gu Zhaolin, Yu Yongzhang. Basic Parameters and Structural Parameter =H/Pt of Scroll Compressor [J]. Compressor Technology, 1996,3:9-12.
[3] 顾兆林,郁永章. 涡旋压缩机设计计算研究[J]. 流体机械.1996,2:48-52. Gu Zhaolin, Yu Yongzhang. Research on Scroll compressor Design Calculation [J]. Fluid Machinery, 1996,2:48-52.
[4] 梁高林,刘振全. 无油润滑双涡圈涡旋空气压缩机的泄漏研究[J]. 流体机械.2007,35(3):14-17. Liang Gaolin, Liu Zhenquan. Research of Leak of No Oil Lubricated DoubleWhirlpools Vortex Air Compressor [J]. Fluid Machinery. 2007,35(3):14-17.
[5] Zhao Yuanyang, Li Liansheng, Shen Jiang, Zhang Wei, Shu Pengcheng. Research on oil-free air scroll compressor with high speedin 30 kW fuel cell[J]. Applied Thermal Engineering. 2003.23:593-603
[6] 李超,单彩侠,纪民举,余鹏飞.无油涡旋压缩机防自转机构的研究[J]. 压缩机技术.2008,1:1-3. Li Chao, Shan Caixia, Ji Minju, Yu Pengfei. The Research on Dynamic Character istics of Anti-rotation Mechanism of the Oil-free Scroll Compressor[J]. Compressor Technology .2008,1:1-3.

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