涡旋压缩机设计说明书

涡旋压缩机设计说明书

毕业设计（论文）

题目空调用涡旋式压缩机结构设计

学院机电与汽车工程学院

专业机械设计制造及其自动化(机械设计制造）学生向涛

学号 10120212

指导教师孙鹏飞

摘要

本设计为空调用涡旋式压缩机结构设计，主要零部件包括动涡盘、静涡盘、支架体、偏心轴、防自传机构及平衡机构，动静涡旋盘应用圆的渐开线及其修正曲线的线型。

首先，确定了涡旋压缩机的重要结构参数，其次确定了涡旋压缩机的各个重要零件的结构尺寸，然后确定了涡旋线圆的渐开线线型并且对涡旋线进行修正，而后选择涡旋压缩机的各种附件，最后利用UG8.0对涡旋压缩机的主轴进行有限元分析，最终说明了涡旋压缩机结构设计中的有关问题。在涡旋齿线型的设计中，不仅说明了渐开线的特征和涡旋线的成形过程，而且还对涡旋线线型进行了修正。

通过以上设计的设计过程，最终得到了涡旋压缩机。

关键词：涡旋压缩机，动涡盘，静涡盘，偏心轴

ABSTRACT

The design is designing the structure of air conditioning scroll compressor , the main parts including moving vortex disc, static vortex disc, bracket dody, eccentric shaft ，anti rotation mechanism and balance mechanism,the application of static and moving vortex disc involve circle and linear correction curve.

First of all, the important structural parameters of scroll compressor is determined, then determined the structure size of each important part of scroll compressor, and then determine the involute type vortex line round and the vortex line is modified, and then choose a variety of accessories of the scroll compressor, the UG8.0 spindle of scroll compressor for finite element analysis, the final show the problem in the design of structure of scroll compressor. In the design of scroll profile, not only describes the forming process of involute characteristics and vortex lines, but also to carry on the revision to the vortex line.

Through the above design, we finally got the scroll compressor.

KEY WORDS: scroll compressor, moving vortex disc, static vortex disc, eccentric shaft

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前言 (1)

第一章空调用涡旋式压缩机及装置系统总体方案设计 (2)

1.1 涡旋压缩机动静涡盘及其工作原理 (2)

1.2涡旋压缩机的防自转机构 (3)

1.3涡旋压缩机的轴向径向柔性机构 (3)

1.4涡旋压缩机的结构特点 (4)

1.5涡旋压缩机的研发方向 (4)

第二章主要部件设计 (6)

2.1涡旋压缩机的整体结构的选择 (6)

2.2设计的已知条件 (7)

2.3性能及结构参数确定 (7)

2.4确定涡旋压缩机各重要零件的结构尺寸 (8)

第三章涡旋齿线型的选择与绘制原理 (13)

3.1涡旋型线构成原则 (13)

3.2圆的渐开线的形成 (13)

3.3渐开线的特征 (13)

3.4涡旋线的成形 (14)

3.5涡旋线型的修正 (15)

第四章压缩机附件及密封细节 (17)

4.1防自转机构 (17)

4.2轴承及支承 (19)

4.3压缩机的性能 (19)

4.4径向密封 (20)

4.5轴向间隙 (20)

4.6润滑 (21)

4.7结果 (21)

第五章基于NX Nastran解算器的有限元分析 (22)

总结 (30)

参考文献 (31)

致谢 (32)

前言

本设计以空调用涡旋式压缩机为题，主要为了学习涡旋式压缩机的设计过程，以及运用和巩固我们大学所学知识。目前在空调领域对于涡旋式压缩机的研究已越来越普遍也越来越热门，涡旋式压缩机的发展将会不仅仅为空调领域带来飞跃，从而针对空调用涡旋式压缩机的研究是非常有意义的。

通过回顾涡旋式压缩机的历史，我们对其可以进行初步的了解。涡旋式压缩机最早由法国工程师Creux发明并于1905年在美国获得专利，于国际上70年代开始开发应用的一种新型压缩机，它以高效率，高可靠性，低能耗，低噪音，零件少，易损件少，结构紧凑等突出优点引起许多国家的重视，被称为全新一代压缩机，在1-705KW输出功率的范围内，涡旋压缩机已在单元式空调机及汽车空调器中得到相当普遍的应用，并很快牢固地占领了市场，由于涡旋压缩机在较宽的频率范围内（30-120hz）均有较高的容积效率与绝热效率，适合采用变频装置，可进一步降低空调器的耗能，提高舒适性，所以在空调领域中具有广阔的发展前景。为保证环保减少制冷剂泄露到空气中，汽车空调领域中具有采用全封闭式涡旋压缩机的发展方向。70年代以前由于难以得到高精度的涡旋形状，缺乏实用而可靠地驱动机构，摩擦磨损的问题不能妥善解决，因此涡旋压缩机在将近70年的时间内未得到普及应用直到70年代初期，美国的ADL公司及日本，中国的几家公司又相继重新开始涡旋压缩机的研究开发工作。因若干关键技术逐步得到解决，于80年代初就推出了空调用涡旋压缩机的系列产品。这些产品与相同容量的往复式压缩机相比，体积小40%，重量轻15%，零件数减少85%，效率提高10%，扭距变化幅度小90%，噪音降低5db（A）.

在供暖、空调与制冷应用中，主要的能量都耗在压缩机上，高效压缩机对美国市场已成为头等重要因素。在欧洲和日本市场，对低噪音，低振动的压缩机需求更为突出，因而，兼有高效低噪两大优势的涡旋压缩机成为换代产品已是必然局势，虽然在完善密封机构，减少机械摩擦耗功以及数控加工提高涡旋盘成产率等方面已经进行了广泛有效地改进，但作为技术密集程度很高的涡旋压缩机，其技术优势和效益任存在很大的发展潜力。

涡旋压缩机面临的主要问题应属由于加工精度和结构问题导致的径向和轴向的泄露，但是随着社会的飞速发展，工业的日益壮大，设备的精度会得到提高，加工的技术会得到飞跃，涡旋式压缩机将会随着社会的发展慢慢挖掘出无限的潜能，它的优点将会会越来越突出，发展前景广阔。

通过借鉴前人研究的方式和方法，本论文旨在根据已知工作条件，通过各零部件的强度校核和受力分析对空调用涡旋式压缩机进行结构设计。通过完成这次设计达到我们所学的理论与实践相结合，增加我们的设计经验。

第一章空调用涡旋式压缩机及装置系统总体方案设计

1.1 涡旋压缩机动静涡盘及其工作原理

涡旋式压缩机综合了往复式压缩机和旋转式压缩机的工作特点，其借助于容积的变化来实现气体压缩与往复式压缩机相同。其动涡盘的运动是在偏心轴的直线驱动下进行的，这一点又与旋转式压缩机相同。但是涡旋式压缩机的压缩腔，既不同于往复式的又不同于旋转式，故把它称作新一代容积式压缩机。涡旋式压缩机的主要零件包括动涡盘，静涡盘，支架体，偏心轴及防自传机构。动静涡旋盘的最常用线型是圆的渐开线及其修正曲线。下面以圆的渐开线涡旋型线为例来说明涡旋压缩机的工作原理。

把涡旋型线参数相同，相位差π，基圆中心相距Ror的动涡盘与静涡盘组装后，可形成数对月牙形的密封的容积腔，容积腔的轴随偏心轴推动动涡盘中心绕静涡盘中心作半径为Ror的圆周轨道运动时相应的扩大缩小，由此实现气体的吸入，压缩和排气的过程。低压气体从静涡盘上开设的吸气孔口或动静涡盘的周边缝隙进入吸气腔，经压缩后由静涡盘中心处的排气孔口排出。

以三对压缩腔为例说明气体压缩过程,如图1-1。三对容积腔分别用①②③来表示，依次表示中心压缩腔（排气腔）、第二压缩腔、第三压缩腔。动涡盘中心绕静涡盘中心的转动角，也就是偏心轴的曲柄转角，用θ表示。当曲柄转角θ=0时，③刚好封闭，压缩机的吸气过程结束，这时③中充入的气体所占据的空间即为吸气容积，相当于往复式压缩机的形成容积。随着曲柄转角增大，月牙形的面积逐渐减小。当θ=360°时，③完成对气体的压缩过程，这时的压缩腔容积就是②的最大封闭容积，即②充气终了时的容积，其轴向投影面积最大。①和②中气体容积变化规律与③中相同。

③在压缩气体同时，压缩机的吸气过程也在进行。②和①并不存在吸气过程，只是在几何关系上按2π为一循环划分时，分割为不同的压缩腔而已。涡旋式压缩机压缩气体的过程是连续进行的需要主轴转动数圈而非一圈，但主轴每转一周即可完成一次吸气。需要指出的是，①中的气体并不受到压缩，其容积减少是一个等压过程，即排气过程。①中容积取得最大值时，不一定对应于θ=0，而与开始排气角有关，图1-2为压缩机的工作过程。

图1-1.涡旋压缩机

图1-2.涡旋压缩

1.2涡旋压缩机的防自转机构

动涡盘在气体作用下，有绕其中心自传的趋势。这种趋势破坏了涡旋压缩机的正常工作，必须予以限制。防自传机构设置在动涡盘与支架体之间，常见的结构形式有：

①十字联接环：其结构简单但是易磨损，加工困难；

②圆柱销联轴节：在机座上开孔板，动涡旋体上连轴销，当动涡旋体平动时，销在孔内平动。其受力好，结构简单，但无支撑作用；

③球形联轴节：两几何形状相同孔板，分别安在机体动涡旋体上，在孔板间设置钢球连接孔板动涡旋体平动时，钢球可在孔内转动。其结构简单，易加工，可实现滚动支撑，减少磨损。

1.3涡旋压缩机的轴向径向柔性机构

涡旋压缩机的动涡盘被置于静涡盘和支架体之间，可以沿轴向移动。当涡旋压缩机工作时，动涡盘在气体力作用下，沿轴向与静涡盘脱离，增大涡盘顶部的气体泄漏通道面积，降低容积效率和热效率，因此如何有效的平衡作用在动涡盘上的轴向气体作用力，成为涡旋压

缩机能否获得良好性能的重要因素之一。常用轴向力平衡消除间隙减少泄漏的方式：

①采用推力轴承，减少轴向摩擦，保证密封；

②采用背压推力机构，泵压力自动补尝间隙；

③在涡旋体背面加弹簧，自动补尝间隙；

④在涡旋体背面加油压，补尝间隙。

径向可采用偏心轴套式径向密封机构及滑动衬套式机构减少泄露。

轴向和径向柔性机构提高了涡旋式压缩机的生产效率，而且保证轴向间隙和径向间隙的密封效果，不因摩擦和磨损而降低，即涡旋式压缩机有可靠地密封性。动涡盘上承受的轴向气体作用力，随主轴转角发生变化，很难恰如其分的加以平衡，因此轴向气体力往往带来摩擦功率消耗。涡旋盘的加工精度，特别是涡旋体的形位公差有很高要求，端板平面的平面度，以及端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度，应控制在微米级，因此，对加工方法，加工技术和加工设备要求很高。

1.4涡旋压缩机的结构特点

涡旋压缩机在因其结构表现出以下优点：

①多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔的气体压差小，气体泄漏量小，容积效率高，可达90%~98% 。

②驱动动涡盘的运动的偏心轴可以高速旋转，因此，涡旋式压缩机体积小，重量轻。

③动涡盘与主轴等运动件的受力变化小，整机振动小。

④没有吸，排气阀，涡旋压缩机的运转可靠，且特别适应于变速运转和变频调速技术。

⑤由于吸排气过程几乎连续进行，整机噪声很低。

1.5涡旋压缩机的研发方向

目前发展较迅速的应属数码涡旋压缩机，谷轮公司向中国空调市场提供其最有革命性的新技术产品数码涡旋压缩机Copeland Digital Scroll，作为下一代变容量空调器的心脏。目前，数码涡旋压缩机和与之配套的电器控制板均向客户供应，以方便开发多联式变容量空调系统。

数码涡旋压缩机不同于常见的变频压缩机，与变频压缩机通过变频器控制改变制冷剂循环量相比，数码涡旋压缩机具有以下优势：

①更宽广的制冷制热容量调节范围(10%-100%)；更精确的容量控制。与变频系统存在制冷量阶梯相比，数码涡旋系统可以实现任何一点的冷量要求；

②在任何负荷点都具备出色的除湿性能-在低负荷范围使室内达到湿度70%以下的舒适

要求；

③低噪音与低振动，压缩机保持恒速运行，避免产生高频噪音与振动；

④极高的可靠性：通过谷轮公司极其严格的测试条件，并保证15 年以上运行寿命；

⑤极佳的回油特性，压缩机定速运行，即使在小负荷冷量时也无回油问题，并保证系统可以配备长联管；

⑥极其简单的系统设计，不需要制冷剂热气旁通，不需要制冷剂液体旁通，不需要油分离器，系统设计更简单，更可靠；

⑦无电磁兼容问题。通过机械式加载及卸载，不需要变频控制器。

⑧数码涡旋压缩机Copeland Digital Scroll 可以全方位满足以下系统应用：单蒸发器多联机系统，风管送风系统，冷水机组系统及机房空调系统。

我国从开始研发涡旋式压缩机至今已经过了11个春夏秋冬，如今已经形成了比较成熟的涡旋式空调与制冷压缩机设计制造技术，很多大学如西安交通大学，甘肃工业大学在涡旋压缩机技术，生产方面在国内具有顶尖的水平。综观国内外涡旋压缩机的研究开发现状，生产制造水平以及市场需要趋势，今后一段时间内，有关涡旋压缩机的研究动向可归纳为;降低生产制造成本被列为研究工作的首要任务之一。提高涡旋盘的生产效率，设计出更加紧凑与更加适宜于工业化生产的结构都是直接的措施。通过压缩过程模拟及优化设计，采用新的材料与新的机构来减少机械摩擦损失，气体泄漏损失，传热损失，气流阻力损失，提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性。扩宽应用范围和适用领域，实现产品系列化。扩大变频调速技术和热泵技术的应用。

第二章主要部件设计

2.1涡旋压缩机的整体结构的选择

本设计采用的是立式全封闭低压壳体腔结构如图2-1。低压壳体腔涡旋压缩机的吸气管道不是直接接入压缩机的吸气腔中，而是接入壳体腔中，因此进入吸气腔的气体的过热比高压壳体腔的大。立式全封闭低压壳体腔涡旋压缩机在制冷与空调系统中有着广泛的应用。最明显的优点是电动机的环境温度较低，有利于提高电动机的工作效率。当吸气管道中的气体带有液滴时，不会直接导致压缩腔液击。

图2-1.立式低压壳体腔涡旋式压缩机

1-底座 2-上油板 3-磁环 4-轴向挡圈 5-油升压器 6-定位销 7-下支承 8-轴向挡圈 9-下轴承 10-下平衡重11-电动机定子 12-电动机转子 13-主轴 14-上轴承（主轴承） 15-壳体 16-偏心调节块 17-吸气管 18-滑动轴承 19-动涡盘 20-静涡盘 21-排气管 22-限位板 23-止回阀 24-封头 25-排气孔口 26、28-橡胶密封圈 27-背压室端盖29-背压室 30-背压孔 31-轴向定位套 32-十字环 33-支架 34-上平衡块 35-逆转限制器

2.2设计的已知条件

理论排气量0.6m ³/min ；

进口压力0.1Mpa （绝对）；

出口压力0.6Mpa （绝对）。

2.3性能及结构参数确定

涡旋圈数N 、涡旋齿厚t 、涡旋齿高h 的确定

根据有关资料确定:

N=4； t=6mm ； h=45mm

设计理论排气量0.6m ³/min ，转速为2840rpm

则每转排气量：Vs = 211267.6056mm ³/r

涡旋节距为： .8mm 12)12(2=⨯⨯-++

=h N Vs t t P π

圆整P=22mm 。

mm P a 3.50322222===π

π 因节距P 由基圆半径决定则重取mm a 5.3= ,得到mm P 22= 。

则设计排气量为：

r mm h t p p N Vs /217602)2()12(3'=⨯-⨯⨯⨯-=π 考虑泄漏等因素的储备因数,对于涡旋压缩机, 其泄漏系数λ应不大于8% %8%3%100' =⨯-=Vs Vs Vs λ

mm t P Ror 52)2(=⨯-=

rad a

t 857.02==α

235.631233.1=⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛--=πθεN ，其中θ=3.87rad

3'94.211073%97217602)1(mm V V s p =⨯=-=λ

P1=0.1,P2=0.6 指示功J P P V P L p i 471133.133.133.1133.1121=⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯=-

kw 2.21000

60=⨯⨯=

i i L n P 选择电机转速n=2840r/min ，功率2.2kw 2.4确定涡旋压缩机各重要零件的结构尺寸

利用基圆绘制渐开线涡盘得到最大外径尺寸为Φ192mm ，取动涡盘外径尺寸为Φ210mm ，涡旋体高45mm ，考虑到十字环的键槽深5mm ，取涡旋底盘厚15mm ，本设计采用的主轴形式为曲柄销式，因此动涡盘上需有与曲柄销配合的凸台，取其尺寸内径Φ50mm ，外径Φ70mm ，高40mm 。动涡旋与十字环配合以达到防自转的目的，因此动涡盘的背面需设置一对键槽，槽的尺寸为30×10×5mm ，槽的位置由图给出，材料为CuCrMo 合金铸铁。具体结构尺寸如图2-1。

静涡盘的涡旋体与动涡盘的涡旋体结构尺寸相同，相位差为π，考虑到动涡盘的回转半径Ror=5mm以及动涡盘的外径尺寸Φ210mm，动涡盘处支架体的内圆直径需大于φ220mm才不会发生干涉，则支架体内径取为φ230mm，支架体需要与静涡盘螺钉连接，取支架体外径φ280mm，由此可确定与支架体连接的静涡盘的最大外径为φ280mm。查相关资料,选择连接螺钉为M8的六角头螺钉12颗，则设置12个φ9mm螺纹通孔均布于静涡盘上，根据螺钉的尺寸，以及结构不干涉原则可确定放置通孔的台阶尺寸。静涡盘中心开φ5mm的排气孔，选择静涡盘壁厚15mm，可得到静涡盘的总高度60mm，其他具体的结构及尺寸于图上作出，材

料为

CuCrMo合金铸铁。

图2-2.

图2-3.

根据动涡盘上的键槽位置以及键槽尺寸，确定十字环的外径为φ160mm，内径为φ140mm，4个凸台高8mm宽10mm，对称布置，材料为QT600。具体结构如图2-2。

图2-4.

偏心调节块主要起到调节主轴偏心量的作用，在偏心调节块与动涡盘间还需要一滑动轴承联结，根据动涡盘的凸台尺寸选择滑动轴承外径φ50mm，内径45mm，宽42mm。由此可确定偏心调节块的外径为φ45mm，具体结构尺寸如图2-3。

①主轴结构尺寸的确定

主轴的材料选用涡旋压缩机常采用的主轴材料40Cr 。

涡旋压缩机机械效率取9.0=η，则轴传递的功率kw P P i 44.29

.02.2===η。 40Cr 材料的1100=A ,主轴设有φ5mm 通油孔，为空心轴，取β=0.5则主轴的最小轴径

mm n P A d 6.10)

5.01(284044.2110)1(4343

0=-⨯=-≥β。 曲柄销轴段a 直径取φ30mm ，并沿偏心方向磨出两对称平面距离24mm ，长40mm ；轴环b 直径取φ56mm ，长12mm ；c 段轴为安装主轴承轴承的轴，初选轴承为6208深沟球轴承，则可确定c 段轴径为φ40mm 长16mm ；取d 段轴直径φ36mm ，长66mm ；e 段轴装有电机转子，根据所选电机确定轴段e 直径φ24mm ，长115mm ；取f 段轴直径φ22mm ，长56mm ；g 段轴为安装副轴承的轴，选择6204深沟球轴承，轴径为φ20mm ，长30mm 。具体结构如图所示。

图2-5.偏

心块

图2-6.主轴

第三章涡旋齿线型的选择与绘制原理

3.1涡旋型线构成原则

涡旋型线的构成应符合如下原则：

①对于压缩腔内的任一给定点，在静涡盘或动涡盘上，必有一点并且只有一点与之相啮合，并且内侧壁面上的点与外侧壁面上的点相啮合。

②当涡旋型面上一对共轭点相啮合时，动、静涡旋盘涡旋型线特征形状几何中心之间的距离，不随主轴角变化。这里的特征形状，是指能够反映涡旋型线类型的几何形状，对于圆渐开线漩涡线型，是指基圆。

③一对啮合点相啮合时，啮合点所在漩涡型面的切向平行，并且与通过涡旋型线特征性状几何中心之间连线方向相垂直。

④构成涡旋体的型线，可采用线段，正多角形及圆的渐开线，除了圆的渐开线外，它们都是由圆弧连接而成的涡线，而圆的渐开线则可以理解为有限多圆弧连接而成曲率连续变化的曲线，一般常用圆的渐开线作为涡旋体的型线。

3.2圆的渐开线的形成

如图3-1所示，当一直线Bk沿一圆做纯滚动时，直线上任意点k的轨迹Ak就是该圆的渐开线，这个圆称为渐开线的基圆，其半径为基圆半径a。

图3-1.圆的渐

3.3渐开线的特征

根据渐开线的形成的过程，可知渐开线具有下列特征：

①发生线沿基圆滚过的长度，等于基圆上被滚过的圆弧长度；

②因发生线Bk 即为渐开线在点k 的法线。又因为发生线恒切于基圆，故可得出结论：渐开线上任意点的法线恒与其基圆相切；

③发生线与基圆的切点B 也就是渐开线在k 点的曲率中心，而线段Bk 是渐开线在点k 的曲率半径。

④渐开线形状取决于基圆的大小，在相同展角处，基圆的大小不同，其渐开线的曲率也不同。

3.4涡旋线的成形

当圆的渐开线起始角为α，基圆半径为

a ，其展角为Φ时，应用变端点矢量来表示，x 轴方向的单位矢量为-i ，y 轴方向的单位矢量为 -j ，则有：

j i AP j

i OA )cos()sin()sin()cos(αϕαϕαϕαϕαϕααϕα+-+=+++=

以参数方程表示为

[][])cos()sin()cos()sin(αϕϕαϕαϕαϕϕ+-+=+++=a Y a X i i

①当渐开线初始角为-α时其参数方程

[][])cos()sin()cos()sin(00αϕϕαϕαϕαϕϕ---=-+-=a Y a X

②当渐开线初始角为零时

[][]

ϕϕϕϕcos sin cos sin -=+=a Y a X ③由于涡旋体作为压缩机的转子或定子，必须具有一定得壁厚，这可利用不同的初始角的渐开线，来构成涡旋体的内外壁，①可知，其渐开线A 点坐标

)sin()

cos(αϕαϕ+=+=a Y a X A A

④其斜线的斜率为

)cot()

sin()cos(//αϕαϕαϕϕϕ+-=+-+==a a d d d d d d A A A A

x y x y ⑤而点P 处的斜率为