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螺杆式制冷压缩机的新式滑阀调节机构

螺杆式制冷压缩机的新式滑阀调节机构

1 前言

 

  通常所称的螺杆压缩机即指双螺杆压缩机。与活塞压缩机等其他类型的压缩机相比,螺杆压缩机是一种比较新颖的压缩机。就气体压力提高的原理而言,螺杆压缩机与活塞压缩机相同,都属于容积式压缩机。就主要部件的运动形式而言,又与透平压缩机相似。所以,螺杆压缩机同时兼有上述两类压缩机的特点,可靠性高,操作维护方便,动力平衡性能好,适应性强,并且可以实现流体的多相混输。由于螺杆压缩机所具有的上述众多优点,使得它被广泛应用于空调、冷冻、啤酒、化工、水利、冻结等各个工业领域。然而也正是因为螺杆压缩机广泛的应用领域和复杂多变的工况,因此在压缩机结构中都需要设计有调节压缩机输气量的容量调节机构和调节压缩机内压缩比的内容积比调节机构。

 

  2 螺杆压缩机的容量和内容积比调节机构及改进设计

 

  现在普遍流行的容量调节方法是采用滑阀调节。在压缩机中两平行放置的的阴阳转子下方有一个容量调节滑阀。滑阀上开设有径向排气口。此滑阀在压缩机中处于不同的位置时,转子被密封的长度也相应不同,从而在旋转一周的过程中被送入压缩腔的气体的量也不同。在密封段外的吸入气体则通过机体下方的旁通口回流至吸气端。通过这种方法就可以达到调节和改变压缩机输气量的目的。

 

  为了达到在压缩机满负荷运转时,不改变输气量的大小而调节压缩机中内压缩比以与外压力比相同或接近,避免使压缩机在面对不同工况时产生欠压缩或者是过压缩现象,从而提高压缩机的运行效率,在压缩机中通常都需要设置内容积比调节机构。内容积比调节机构的目的就是通过改变容量调节滑阀上的径向排气口的位置来改变内容积比,以适应压缩机的不同的运行工况,节省能耗,提高压缩机的COP(性能系数)值。对于带有经济器运行的螺杆压缩机而言,设置内容积比调节机构的重要意义显得更为明显。

 

  在螺杆压缩机发展的早期阶段,生产制造厂所采取的策略是根据不同的用户的使用要求,在制造压缩机时就选择好与工况适应的容量调节滑阀。由于滑阀不能够随意更换,所以在装配完成后此台压缩机就只能够适应固定的使用工况,一旦用户的使用条件发生变化,压缩机的效率将急剧降低,也即是相当于压缩机中没有内容积比调节机构。

 

  后来则将容量调节滑阀一分为二,设有径向排气口的前端为一部分,后面的整圆弧部分为一个单独的部件,此部件即演变为现在通行的内容积比调节滑阀。但是此时内容积比调节滑阀在压缩机中的位置是通过连在滑阀后端的一个丝杆机构来调节的。制造厂在出厂时调定好内容积比调节滑阀位置后用螺母加以固定。在用户处则需要打开压缩机才能够重新调节,因此也不能够灵活适应工况的变化。

 

  在本文所提出的改进设计之前,压缩机中容量调节滑阀和内容机调节滑阀的运动都已经改变为由两个单独的油缸来推动。由于采用的是两套互不相关的液压系统,两个滑阀的运动可以相互独立。其基本结构如图1所示:

 

  图1 容量调节和内容积比调节机构

  1、能量指示机构 2、油缸体 3、容量调节滑阀油活塞 4、隔板组件

  5、内容积比调节滑阀油活塞 6、吸气端座 7、滑阀导杆 8、内容积比调节滑阀

  9、弹簧 10、容量调节滑阀 11、能量减载进油孔 12、能量增载进油孔 13、内容积比增载进油孔 14、内容积比减载进油孔

 

  它的运动原理为:

 

  当需要滑阀运动时,由手动控制或者是微机控制一个液压换向阀,使来自系统的高压油与油缸中一侧的油室相通,活塞另一侧的油室则经由换向阀通向压缩机低压侧的吸气口。由于活塞两侧油的压力差所产生出来的合力可以推动活塞向一个方向运动,从而能够带动与之相联接的滑阀也相应地向同一方向运动,这样就能够改变滑阀在压缩机中的相对位置。在此种设计中,容量调节滑阀和内容积比调节滑阀的运动原理完全相同,各自使用一套液压系统驱动。

  由于是将两套液压缸同时放在一个油缸体中,中间用隔板组件隔开,所以必然导致油缸体长度超长。容量调节滑阀的导杆因为要穿过压缩机的吸气端座和内容积比调节的油缸,其长度也势必很长。相应的内容积比调节滑阀的柄部分因为要穿过吸气端座,因此也会加长。最终导致的结果就是压缩机的总体长度很长,结构不紧凑。

 

  改进后的滑阀调节机构如图2所示:

 

  图2 改进后的容量调节和内容积比调节机构

  1、能量指示机构 2、油缸体 3、容量调节滑阀油活塞 4、隔板

  5、内容积比调节滑阀油活塞 6、吸气端座 7、内容积比调节滑阀 8、滑阀导杆

  9、弹簧 10、容量调节滑阀 11、能量减载进油孔 12、能量增载进油孔

 

  改进后的容量调节滑阀的运动原理与先前的相同。但是内容积比调节滑阀的运动则要根据油压力和设在压缩机中的圆柱螺旋压缩弹簧所形成的合力的方向来决定滑阀的运动方向。当需要内容积比增加时,高压油从活塞左侧的进油管进入左侧油室,此时油的压力计算出来远大于弹簧的抵抗力,因此可以推动油活塞和滑阀向右运动。如需要内容积比减时,将左侧的油管通向低压的吸气腔,让活塞两侧的压力基本平衡,而弹簧的附加力量则可以推动油活塞向左运动,从而带动滑阀也向左运动。设计的要点是要综合考虑压缩机在各种工况运行时都要保证油压的力量和弹簧的合力符合设计的要求,因此必需要对圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数和油缸的直径和面积作精确分析计算,并考虑密封件的摩擦力和进油回油的沿程压力损失的影响。通过以上的考虑之后,我公司新设计的使用上述滑阀调节机构的压缩机顺利投入运行,验证了设计的可行性。

 

  可以看到新设计的滑阀调节机构将内容积比调节滑阀的油缸移入到压缩机吸气端座内,充分利用吸气端座的剩余空间。同时将传统的双边进油的油缸结构改成单侧进油回油的油缸结构,这样又可以节省一侧油缸的一个密封尺寸,根据一般的设计经验,一个密封座通常需要占用至少20mm的轴向空间。这样我们在不改动原来压缩机吸气端座的铸件模型的前提下,改变它的一些加工部位的尺寸,不需要加厚吸气端座的轴向尺寸而使得压缩机的总体尺寸、导杆长度和滑阀的长度大大缩短。以我公司一种LG25IIIT机型为例,改进之后的设计能够使压缩机、滑阀导杆和内容积比调节滑阀、油缸体平均尺寸缩短160~200mm左右。这对于零件的加工以及精度的保证,尤其是象滑阀同轴度这样的关键要素的加工质量的提高是非常有好处的。同时还能节省零件毛坯,也使压缩机整体结构更加紧凑,外观更合理。

 

  3 结论

  新设计的滑阀调节机构充分利用了原来压缩机中吸气端座的富余空间,使得油缸、滑阀、导杆和压缩机的尺寸都相应大大缩短,结构更加紧凑。同时在油路系统上则将原来的两进两出的油管改变为两进一出,节省一路油路,使液压系统也相应简化,控制上也简化了。改进后的调节机构可以在功能上达到与原来调节机构完全相同的效果,而压缩机的制造成本则更低,控制更简单,也减少机器的故障率,从而能够增加压缩机制造商的效益。

 

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