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一种单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构
申请号	CN201510812189.9	申请日	2015-11-20	公开(公告)号	CN105275812A	公开(公告)日	2016-01-27
申请人	中国石油大学(华东);			发明人	王增丽; 曹恒超; 王振波; 王君;
摘要	本发明公开了一种用于单螺杆压缩机的轴端双圆盘容量/内容积比无级调节机构，包括固定盘(3)、带齿转动盘(4)、蜗杆 (5)、步进电机 (6)和控制系统等，其中固定盘(3)和带齿转动盘(4)安装在螺杆转子 (1)的排气端，并与螺杆转子(1)保持同轴；机壳内星轮(2)对称布置在螺杆转子(1)两侧，依靠星轮齿将螺槽和机壳内腔围成的容积封闭形成工作腔，螺杆转子(1)各工作腔排气端面上开设轴向通孔(101)，与固定盘(3)上的排气槽(301)及带齿转动盘(4)上的弧形凸块 (401)相配合；当负载工况所需容量与设计工况的容量不匹配时，控制系统控制步进电机(6)动作，由步进电机(6)驱动蜗杆(5)带动带齿转动盘(4)旋转，改变带齿转动盘(4)上弧形凸块(401)的位置；弧形凸块(401)与排气槽(301)配合，一端控制螺槽封闭时间，另一端控制压缩机工作腔排气端面上的轴向通孔(101)与排气槽(301)的连联通时间，实现单螺杆压缩机容量和内容积比的无级调节。
权利要求	1.一种用于单螺杆压缩机的容量/内容积比无级调节机构，包括固定盘(3)、带齿转动盘(4)、蜗杆(5)、步进电机(6)和控制系统等部件，其特征是：固定盘(3)和带齿转动盘(4)安装在螺杆转子(1)的排气端，并与螺杆转子(1)保持同轴；机壳内星轮(2)对称布置在螺杆转子(1)两侧，依靠星轮齿将螺槽和机壳内腔围成的容积封闭形成工作腔，在螺杆转子(1)各封闭工作腔的排气端面上开设轴向通孔(101)，实现轴向连续排气；轴向通孔(101)在压缩机工作过程中与固定盘(3)的排气槽(301)及带齿转动盘(4)上的弧形凸块(401)及排气孔(402)相配合；单螺杆压缩机主机设控制系统，当负载工况所需容量与设计工况的容量不匹配时，控制系统控制步进电机(6)动作，由步进电机(6)驱动蜗杆(5)带动带齿转动盘(4)旋转，改变带齿转动盘(4)上弧形凸块(401)及排气孔(402)的位置，从而改变压缩机工作腔排气端面上的轴向通孔(101)与排气槽(301)的连联通时间，实现单螺杆压缩机容量和内容积比的无级调节。 2.根据权利要求1所述的单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构，其特征是：固定盘(3)和带齿转动盘(4)安装在螺杆转子(1)的排气端，并与螺杆转子(1)保持同轴，在固定盘(3)的圆周方向加工有一定弧长的圆弧排气槽(301)，与权利要求1中螺杆转子(1)近排气端开设的轴向通孔(101)相配合，排气槽(301)的弧长范围对应单螺杆压缩机一个工作循环中螺杆转子的旋转角度范围，其值为： L301＝(αout-αin)·p·R1 式中：αin为星轮齿完全封闭螺槽时的角度，称为吸气封闭角，rad；αout为星轮齿完全啮出螺槽时的角度，rad；p为星轮与螺杆齿数比，R1为螺杆半径，mm。 3.根据权利要求1所述的单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构，其特征是：带齿转动盘(4)上加工弧形凸块(401)及排气孔(402)与固定盘(3)的排气槽(301)及螺杆转子(1)上的轴向通孔(101)相配合；当负载工况所需容量与设计工况的容量不匹配时，控制系统控制步进电机(6)动作，由步进电机(6)驱动蜗杆(5)带动带齿转动盘(4)旋转，改变带齿转动盘(4)上弧形凸块(401)及排气孔(402)的位置，从而改变压缩机工作腔排气端面上的轴向通孔(101)与排气槽(301)的连联通时间，实现单螺杆压缩机容量和内容积比的无级调节，其中弧形凸块(401)与排气槽(301)配合，一端控制螺槽封闭时间，实现容量调节，另一端控制螺杆转子(1)上的轴向通孔(101)与排气槽(301)连通时间，实现内容积比调节；所有排出的气体汇集在排气槽(301)内，最终通过排气孔(402)排出到排气通道内；弧形凸块(401)的弧长范围对于单螺杆压缩机一个工作循环中压缩过程所占螺杆转子旋转角度范围，其值为： L401＝(αp-αin)·p·R1 式中：αp为螺杆压缩机排气开始角度，rad。 4.根据权利要求1所述的单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构，其特征是：步进电机(6)与蜗杆(5)同轴安装，蜗杆(5)和带齿转动盘(4)垂直安装。负载工况发生变化时，利用控制系统控制步进电机动作，由步进电机(6)驱动蜗杆(5)旋转，蜗杆(5)带动带齿转动盘(4)转动，从而实现带齿转动盘(4)上弧形凸块(401)及排气孔(402)的位置的变化；控制系统包括：布置在蒸发器(8)冷冻水进出口的温度和流量传感器，用于监测负载工况所需制冷量的变化；安装在单螺杆压缩机主机(7)进排气管道上的压力和流量传感器，用于实时监测压缩机进排气压力和流量；布置在固定盘(3)的排气槽(301)及带齿转动盘(4)上弧形凸块顶端的位移传感器，用于监测弧形凸块和固定盘的相对位置，所述控制模块(10)通过采集上述温度传感器、压力传感器、流量传感器及位移传感器的检测信号，根据所设定的流量与负载制冷量之间的差值输出信号以控制步进电机(6)动作，从而驱动带齿转动盘(4)旋转，实现单螺杆压缩机容量和内容积比的无级调节。 5.一种单螺杆压缩机，其特征是：使用如权利要求1所述的单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构在变工况调节过程中实现容量和内容积比的无级调节，达到节能降耗的目的。
说明书全文	一种单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构技术领域 [0001] 本发明属于压缩机技术领域，特别涉及一种用于单螺杆压缩机的容量/内容积比无级调节机构。背景技术 [0002] 作为一种回转式压缩机，单螺杆压缩机具有结构紧凑、无气阀组件、力学平衡性能好、振动小、噪声低、容积效率高等一系列的优点，被广泛用于空气动力、制冷空调、石油化工等领域；通常单螺杆压缩机在设计和选用时，都是按照最大容量需求进行选配的，但是由于负载工况的变化使得单螺杆压缩机如果继续按照满负荷工况运行，将造成能源的浪费；为了实现节能高效的目的，需要根据负荷的变化来调节压缩机的容量，使压缩机的容积流量和实际要求的容量保持平衡；因此提出一种新型的单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构对于单螺杆压缩机在变负荷工况下工作及实现节能减排都具有重要意义。 [0003] 在单螺杆压缩机中现有的容量调节方式有多种，包括吸气节流、转速调节、进排气管联通和改变最大基元容积等，受功耗损失及经济性等因素的影响，目前在制冷空调和石油化工领域应用较多的是改变最大基圆容积的调节方式；改变最大基元容积的调节方式又分为转动环调节机构和滑阀式调节机构，转动环式气量调节机构是在螺杆排气侧设置一个介于螺杆与气缸间的同心圆环，在其圆周上开一对矩形缺口和一对三角形缺口，借助齿轮传动来改变该同心圆环的周向位置，从而控制转动环上矩形缺口与气缸壁上的旁通口的连通时间及三角形缺口与气缸壁上排气口的连通时间来实现容量和内容积比调节的；这种结构能够可在10％～100％范围内实现气量的无级调节，但由于其同心圆环在负载工况下受温度和压力载荷作用容易变形卡死，且所需的驱动机构较为复杂，故其使用不广泛。现有文献(专利号：ZL200880120904.0、ZL201080025710.X、ZL201080012288.4)中提出的单滑阀式气量调节机构是由安装在具有半圆槽孔的气缸壁上的滑阀及液压控制系统组成，靠近进气端的滑阀端面与气缸壁配合，通过调节滑阀的行程，控制进气旁通开始及持续时间，滑阀上开设的排气孔控制排气开始时间，缓解了由于进气减少带来的基元容积压缩不足，而与高压排气管接通时的倒流问题；现有文献(专利号：ZL200780052688.6)中提出的双滑阀组件，在螺杆转子侧面设两组滑阀组件，滑阀组件中包括一气量调节滑阀和一内容积比调节滑阀，分别实现气量和内容积比的调节；滑阀式气量调节机构可在10％-100％范围无级调节气量，但这两种结构会使主机结构复杂，液压控制系统安装在轴端，导致轴向尺寸增大，而且由于滑阀安装在气缸壁内，故在负载工况下温度和压力载荷的影响，同样会产生变形卡死现象，故在温度和压比较高的恶劣工况下，这两种改变最大基元容积的容量调节方式均不适应。发明内容 [0004] 本发明的目的就是为了避免以上现有容量调节技术中出现的不足之处，提供了一种用于单螺杆压缩机的容量/内容积比无级调节机构，适用于温度和压比较高的负载工况下单螺杆压缩机的容量调节，采用固定盘和带齿转动盘在螺杆转子排气侧轴端安装的方式，且与螺杆转子保持同轴；使其在温度和压比较高的负载工况下，固定盘和带齿转动盘由于热力变形引起的轴向位置的变化与螺杆转子的轴线膨胀量保持一致，避免了由于变形不均匀引起的卡死现象，保证了单螺杆压缩机轴端双圆盘容量/内容积比无级调节机构运行的可靠性。 [0005] 一种用于单螺杆压缩机的容量/内容积比无级调节机构，主要由固定盘、带齿转动盘、蜗杆、步进电机和控制系统组成。固定盘和带齿转动盘安装在螺杆转子的排气侧轴端，并与螺杆转子保持同轴；机壳内星轮对称布置在螺杆转子两侧，依靠星轮齿将螺槽和机壳内腔围成的容积封闭形成工作腔，在螺杆转子各工作腔排气端面上开设轴向通孔，轴向通孔与固定盘的排气槽及带齿转动盘上的弧形凸块及排气孔相配合，当负载工况所需容量与设计工况的容量不匹配时，控制系统控制步进电机动作，由步进电机驱动蜗杆带动带齿转动盘旋转，改变带齿转动盘上弧形凸块及排气孔的位置，从而改变压缩机工作腔排气端面上的轴向通孔与排气槽的连联通时间，实现单螺杆压缩机容量和内容积比的无级调节。 [0006] 螺杆转子轴端安装的固定盘和带齿转动盘依靠弧形排气槽和弧形凸块实现间隙配合，弧形排气槽的弧长范围对应单螺杆压缩机一个工作循环中螺杆转子的旋转角度范围，弧形凸块的弧长范围对于单螺杆压缩机一个工作循环中压缩过程所占螺杆转子旋转角度范围；调节机构工作过程中，在控制系统调控下，步进电机通过蜗杆驱动带齿转动盘旋转，带齿转动盘上的弧形凸块与固定盘上的弧形排气槽可实现相对运动，从而控制螺杆转子排气端开设的轴向通孔在一定转角范围内与弧形排气槽连通，实现螺杆压缩机工作过程中容量和内容积比的调节。 [0007] 一种用于单螺杆压缩机的容量/内容积比无级调节机构，设置智能控制系统，包括：布置在蒸发器冷冻水进出口的温度和流量传感器，用于监测负载工况所需制冷量的变化；安装在压缩机进排气管道上的压力和流量传感器，用于实时监测压缩机进排气压力和流量；布置在固定盘的排气槽及带齿转动盘上弧形凸块顶端的位移传感器，用于监测检测弧形凸块和固定盘的相对位置。所述控制系统通过控制模块采集上述温度传感器、压力传感器、流量传感器及位移传感器的检测信号，根据所设定的流量与负载制冷量之间的差值输出信号以控制步进电机动作，从而驱动带齿转动盘旋转，实现单螺杆压缩机容量和内容积比的无级调节，因而本发明对于拓宽单螺杆压缩机的工作范围及提高单螺杆压缩机在高温、高压比负载工况下运行的可靠性都具有重要的工程意义。 [0008] 一种用于单螺杆压缩机的容量/内容积比无级调节机构为解决技术问题所采用的技术方案如下：采用带弧形排气槽的固定盘和带弧形凸块的带齿转动盘相配合的轴端双圆盘结构，通过弧形排气槽与弧形凸块的相对运动及与螺杆转子工作腔排气端轴向通孔的相互配合，一端控制螺槽封闭时间，实现容量调节，另一端控制螺杆转子上的轴向通孔与排气槽的连通时间，实现内容积比调节；调节机构在螺杆转子轴端的布置方式，避免了在温度和压比较高的负载工况下，由于相对运动部件间热力变形不匹配引起的卡死问题，保证了容量/内容积比调节机构工作过程的可靠性。 [0009] 本发明的有益效果是：首先本发明所提出的轴端双圆盘结构的单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构，起调节作用的固定盘和带齿转动盘采用与螺杆转子同轴安装的结构，避免了由于热力变形的不匹配引起的调节机构卡死，调节过程失效的问题；其次通过弧形排气槽和弧形凸块及螺杆转子排气端轴向通孔的相互配合，可同时实现容量和内容积比的调节，在一定程度上缓解了由于进气减少带来的基元容积压缩不足，而与高压排气管接通时的倒流问题，降低了变工况工作过程中的功耗损失；最后，本发明采用智能控制系统，利用步进电机驱动蜗杆并最终带动带齿转动盘的旋转，使得容量和内容积比调节过程更加精准。附图说明 [0010] 下面结合附图对本发明作进一步说明。 [0011] 图1为单螺杆压缩机轴端双圆盘容量/内容积比无级调节机构结构示意图； [0012] 图2为固定盘与螺杆转子装配图； [0013] 图3为调节过程实施方式结构示意图； [0014] 图4为控制系统图 [0015] 图中标号：1—螺杆转子；2—星轮；3—固定盘；4—转动盘；5—蜗杆；6—步进电机；7—单螺杆压缩机主机；8—蒸发器；9—冷凝器；10—控制模块；101—螺杆转子排气端轴向通孔；301—弧形排气槽；401—弧形凸块；402—排气孔。具体实施方式 [0016] 如图1所示为一种用于单螺杆压缩机的容量/内容积比无级调节机构，主要包括固定盘(3)、带齿转动盘(4)、蜗杆(5)、步进电机(6)和控制系统等部件，其中固定盘(3)和带齿转动盘(4)安装在螺杆转子(1)的排气侧轴端，并与螺杆转子(1)保持同轴；机壳内星轮(2)对称布置在螺杆转子(1)两侧，依靠星轮齿将螺槽和机壳内腔围成的容积封闭形成工作腔，在螺杆转子(1)各工作腔的排气端面上开设轴向通孔(101)，如图2所示；在单螺杆压缩机工作过程中，轴向通孔(101)与固定盘(3)上的排气槽(301)及带齿转动盘(4)上的弧形凸块(401)及排气孔(402)相配合，当负载工况所需容量与设计工况的容量不匹配时，控制系统控制步进电机(6)动作，由步进电机(6)驱动蜗杆(5)带动带齿转动盘(4)旋转，改变带齿转动盘(4)上弧形凸块(401)及排气孔(402)的位置，从而改变压缩机工作腔排气端面上的轴向通孔(101)与排气槽(301)的连联通时间，实现单螺杆压缩机容量和内容积比的无级调节。 [0017] 如图3所示为单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构的调节过程实施方式示意图，变工况调节过程中，螺杆转子轴端安装的固定盘(3)和带齿转动盘(4)同轴安装，并依靠弧形排气槽(301)和弧形凸块(401)实现间隙配合；固定盘(3)开设弧长范围对应单螺杆压缩机一个工作循环中螺杆转子的旋转角度范围的弧形排气槽(301)，弧形排气槽(301)的弧长值为： [0018] L301＝(αout-αin)·p·R1 [0019] 式中：αin为星轮齿完全封闭螺槽时的角度，称为吸气封闭角，rad；αout为星轮齿完全啮出螺槽时的角度，rad；p为星轮与螺杆齿数比，R1为螺杆半径，mm。 [0020] 带齿转动盘(4)上加工弧长范围对应于单螺杆压缩机一个工作循环中压缩过程所占螺杆转子旋转角度范围的弧形凸块(401)，弧形凸块(401)的弧长可按下式计算： [0021] L401＝(αp-αin)·p·R1 [0022] 式中：αp为螺杆压缩机排气开始角度，rad。 [0023] 调节机构工作过程中，在控制系统调控下，步进电机(6)通过蜗杆(5)驱动带齿转动盘(4)旋转，带齿转动盘(4)上的弧形凸块(401)与固定盘(3)上的弧形排气槽(301)相对旋转运动，从而控制螺杆转子排气端开设的轴向通孔(101)在一定转角范围内与弧形排气槽(301)相连通；螺杆转子的上半工作腔工作过程中，容量/内容积比调节的实施过程如下，蜗杆(5)在步进电机(6)的驱动下，带动带齿转动盘(4)绕逆时针方向旋转，其上的弧形凸块(401)与排气槽(301)配合，使得弧形凸块(401)靠右侧面的一端与排气槽(301)的内端面脱离，形成旁通口，当螺杆转子下半工作腔的螺槽排气结束，开始吸气时，吸气开始阶段螺槽通过轴向通孔(101)与旁通口连通，内部气体回流，直到轴向通孔(101)越过旁通口后，吸气过程结束，压缩过程才开始，从而实现了螺槽封闭时间的控制，满足容量调节要求，弧形凸块(401)绕逆时针旋转过程中，另一端也转过相应角度，在一定程度上延长了压缩过程，实现螺杆转子(1)上的轴向通孔(101)与排气槽(301)连通时间的控制，满足内容积比调节的要求；最后所有排出的气体汇集在排气槽(301)内，最终通过排气孔(402)排出到排气通道内，整个过程实现了螺杆压缩机工作过程中容量和内容积比的调节。 [0024] 如图4所示为单螺杆压缩机容量/内容积比无级调节机构中智能控制系统简图，控制系统包括：布置在蒸发器(8)冷冻水进出口的温度和流量传感器，用于监测负载工况所需制冷量的变化；安装在单螺杆压缩机主机(7)进排气管道上的压力和流量传感器，用于实时监测压缩机进排气压力和流量；布置在固定盘(3)的排气槽(301)及带齿转动盘(4)上弧形凸块(401)顶端的位移传感器，用于监测弧形凸块(401)和固定盘(3)的相对位置。控制模块(10)通过采集上述温度传感器、压力传感器、流量传感器及位移传感器的检测信号，根据所设定的流量与负载制冷量之间的差值输出信号以控制步进电机(6)动作，从而驱动带齿转动盘(4)旋转，实现单螺杆压缩机容量和内容积比的无级调节。 [0025] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。