汪克尔四角转子压缩机的设计毕业论文

汪克尔四角转子压缩机的设计毕业论文

第一章 绪论

1.1 国内外空气压缩机的发展现状

目前国际上空气压缩机的发展趋势重在向大容积率，高效率，低成本，大压缩比，以下是我们对目前最为常见的压缩机进行简单对比分析。 （1）活塞式压缩机适用压力范围广，流量大小皆宜，并且对材料和工艺要求比较低，技术上也较为成熟，在生产使用上积累了丰富的经验。但是由于转速不高，机器大结构复杂，排气不连续，造成气流脉动；运转时有较大的震动； 往复运动，无用功较多，机械效率不高。同时活塞式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高可靠性等方向发展；所以我们不加以采用。

（2）滚动活塞压缩机结构简单，零部件相对较少，以及运行平稳，振动较小， 几何形状都是圆形或平面，便于制造。但是由于滚动活塞与壳体之间的间隙不容易控制，运转一周，压缩做功一次排气不连续，造成气流脉动较大，以及工作中存在死区，效率相对较低，可靠性相对较低，因此滚动式活塞压缩机是不适宜用于大排量的压缩机的。

(3)滑块式压缩机基本消除了各种泄漏，容积效率较高，是目前机械效率最高的压缩机，它不仅在使用过程中，工作效能下降不大，而且装置系统比较简单。但是由于加工要求很高，滑块依靠离心力作用在缸体上，容易造成磨损，可靠性也相对较差，所以它也同样不适宜用于制造高压和大流量的工况的压缩机。 (4)涡旋式压缩机的结构简单，体积小，重量轻，无吸排气阀，它的容积效率较高，摩擦损失小，机械效率高，多压缩室同时工作，工作连续，压缩力矩变化平稳。但是因为它的精度要求高，形位公差

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都在微米级，并且是无排气阀，变工况性能欠佳，工作腔不易实施外部冷却，压缩过程的热量难排出，因此只能够压缩绝热指数小的气体或者内冷却，大排量涡旋压缩机难实现，排量大直径大，不平衡旋转质量增大，机器不紧凑且重量增加，所以也不加以采用。

（6）螺杆压缩机的可靠性高，螺杆空压机零部件少，易损件少，寿命长，单位排气量体积小，技术成熟，它是目前市场上的主力压缩机。但是因为螺杆的制造成本太高，并不被广泛应用，所以我们也不采纳这种螺杆机构的压缩机。

在生产实践中，由于以上六种压缩机存在各种各样的缺陷，在现今压缩机大容积率，结构简单，效率高，压缩比大，制造成本低的发展趋势下，我们有必要研究创新一种新型的适合发展趋势的气体压缩机--汪克尔四角转子压缩机。 汪克尔四角转子压缩机的结构简单，体积小，零部件少；无余隙容积，且直接利用电机的回转运动，效率高，压缩比大，单级压力高，运行平稳，噪音较小，内泄漏非常小，机械效率高。但是因为这是属于一项全新的压缩机技术，所以无工程应用实例，需要我们自己分析计算数据等。

我们在比较中发现，由于汪克尔四角转子压缩机它的结构简单，零部件数量相对较少，制造成本相对较低，而且节能环保，能耗也至少降低 了15 %，它

的制冷系数（ COP 值）也达到了2.0，因此我们制造压缩机采用四角转子式具有广阔的前景。

由于上述等等优势，我们决定涉及汪克尔四角转子压缩机，由此我们对汪克尔四角转子压缩机进行了设计分析等工作。

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第二章 汪克尔四角转子压缩机的基本原理

及其构造研究

2.1 汪克尔三角转子发动机的基本原理及其构造 2.1.1 汪克尔三角转子发动机的基本构造

从工作过程的角度来看，转子发动机是一种四冲程循环的内燃扎但它在构造上与往夏式发动机大不相同，主要由于它们的主机构及其几伺原理不同．往复式发动机的主机构是曲柄连杆机构，气缸和活塞是圆筒形，几何原理较为简单。而转子发动机的主机构是由一对相位内外齿轮和偏心轴所组成的行星机构．气缸理论型线为双弧长短期回外旋轮线，转子的理论型线为气缸型线族的内包络线，几何原理较为复杂。如图2.1所示。但是，由于转于发动机没有连杆、进排气门及其配气机构，因而在结构上转子发动机则比往夏机简单得多．

图2.1 转子机与往复机构造原理的对比

（a） 往复机（b）转子机

转子机的基本构造是由转子、前后端盖、缸体和偏心轴等主要零件组成，如图2.2所示。在多缸转子机中，相邻两缸需设中隔板。由图2.2可看出；转于是在缸体和前、后端盖所形成的腔内，转子中央装有偏心轴承，并与偏心期的偏心轴颈配合，转子上的内齿轮和固定在端益上的外齿轮相啮合。偏心轴的主轴颈支承在前、后端盖的主轴承中，偏心轴的前端通常装有皮带抡、平衡重和驱动附件用的齿轮等，后端装有带平衡重的飞轮并由此输出动力。图3.3为GZ2—900型汽油转子机的纵、横剖视及前图。

汽油转于发动机除上述的基本构造外，还应有燃料供给系统点火系统，润滑

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和冷却系统。这些系统的作用与往复式发动机基本相同。

转子机的主要特点是：转子只作旋转运动，就其工作循环特点而言，属四冲程循环，分进气、压缩．燃烧和膨胀及排气四个过程。由于没有作往复运动的质量，故有良好的高速性能。在一定程度上它兼有往复机和燃气轮机的某些特点，而与它们相比，转子机的构造是最简单的，且还有重量轻、体积小等优点。这是转子机之所以能在某些领域中迅速发展和应用的主要原因。

以100kw左右的双缸汽油转子机为例，与功率相同、指标先进的6-8缸汽油往复机相比，重量仅为往复机的50-70％．体积约小30-50％，零件总效约少20-40％，运动件数约少40-60％．如果在主要工艺过程实现大规模生产后，估计转子机的成本约为同功率往复机的80％。在实际应用中表明，转子机还以消耗钢材少，运转平稳，高速性能好，维修简便等技术特点优于往复机。转子机也有它本身的缺点，如转子机的高速性能虽优于往复机但低速性能却不很理想。

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（a）纵剖图

（b）横剖图5

（c）前视图

图2.3 GZ2—900型

2.1.2 汪克尔三角转子发动机的基本原理

转子发动机的工作循环与四冲程往复式发动机一样，包括进气、压缩、燃烧和膨胀及排气四个过程，对转子每个工作面所对应的工作室，都在转子旋转一周内完成的，如图3.4所示。图中A、B和C表示转子三个顶角的径向密封片。现就A-B工作室说明转子在气缸内位置的变化完成一个工作循环的情况。

图2.4 转子机工作循环的各过程

（a）进气过程

进气的作用在于使工作室内冲入新鲜充量。这一过程的进行如图3.4中①-②所示。当中欢子旋转到①的位置时，此时A-B工作室容积最小，B点为进气刚开始，而A点为排气即将结束；转子顺时针方向旋转时，A-B工作室的容积逐渐变大，新鲜充量通过进气口进入A-B工作室。理论上此过程是偏心轴转角从0°到270°，相当于转子从①的位置转过90°到达②的位置，这是，A-B工作室的容积达到最大容积。

实际上，为了在中、高速时能提高充气系数，转子在上止点之前，就提前打开进气口，下止点后进气口才关闭，即进气口早开晚关，延长进气时间与充分利用充气的惯性提高充气系数，使转于机有更好的动力性能。 （b）压缩过程

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压缩的作用在于提高工质的压力与温度，使膨胀过程的膨胀比增大高热效率；同时，燃料也在燃烧前做好准备，使燃烧完善。这一过程如图中②-③所示。理论上此过程是偏心轴从270°到540°，相当于转子从90°到180°的位置。在此区间，A—B工作室容积逐渐变小，工质被压缩，直至转子处于图中③的位置，A-B室处于最小容积。

实际上，气缸容积开始变小时，如图中②的位置，进气口尚未关闭。这时，由于气缸内的压力尚低于进气管气体压力，并充分利用进气流的惯性作用，使新鲜充量继续冲入工作室。 (c)排气过程

排气过程如图中④-①所示．当转子顶角B转到排气口开启时，废气开始排出，随着A-B室容积的逐渐减小，废气被挤出排气口，排气终了时A-B工作室废气压力约为0.1-0.12MPa。温度将降至500-900℃左右。最后转子又回到进气上止点如图中⑦的位置，此时偏心铀已转过l080°，相应转子转了360°。

为使A-B室内的出气排得干净，以降低残余废气系数和减小排气背压的影响，排气口应在排气下止点之前就提前打开，直至到达排气上止点后方关闭。

在转子处于图中①的位置时，进、排气道通过转于燃烧室凹坑被此连通，即进、排气有重叠。如设计中对进、欺气口重最角度选择得适当，新鲜充气和废气都有较大的流动惯性，因而这两服气流就很少互相掺混，可使充气系数增大而残余废气系数降低。

在A-B工作室完成一个循环的同时，其它两个相邻工作室B-C和C-A也分别完成了一个循环、只是相位彼此相差360°偏心轴转角而已。即平均偏心铀转一转完成一个循环，从这角度来看，转子机又相当于二冲程内燃机。

2.2 汪克尔四角转子压缩机的基本原理及其构造 2.2.1 汪克尔四角转子压缩机的基本构造

图2.5是该机的剖面结构。

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四角转子压缩机采用汪克尔（Wankel）转子发动机的原理，齿数比为 i=3:4 。缸体型线即为汪克尔三弧外旋轮线，它通常可以由内切和外切两种创成法制成。缸体型线的理论方程式为：

X?ecos??Rcos(?/3) Y?esin??Rsin(?/3)

式中 e——偏心距 R——创成半径 ?——主轴转角

2.2.2 汪克尔四角转子压缩机的基本原理

汪克尔四角转子压缩机工作时与汪克尔三角转子发动机的工作机理基本一致，其中最为明显的区别在于四角转子压缩机的i=3:4，以及只有进气、压缩和排气三个过程，其中没有燃烧这一循环过程。其他的过程阶段我们均可以参照汪克尔三角转子发动机的循环原理。

电动机或发动机驱动主轴旋转，然后主轴驱动转子旋转，进气口与排气口布置转子的侧面，转子每转一圈，对一个缸来说，它就要进行吸排气 4 次，这样， 共 3 个缸就可以吸排气 12 次。很显然， 其压缩行程更短，其效率必然高于其它类型的旋转式压缩机。

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图2.6 转子和定子型线配合图

排气孔的设置

压缩开始时刻 定子与转子的配合图如图2.7。为了保证具有最大的工作容积和最高的工作效率，进气孔的设置起点应该在此处。

图2.7 压缩开始时刻

压缩开始 压缩开始之后，定子转过一定角度后如图2.8，开始吸进气体。.

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图2.8 进气

压缩中间阶段 在这个时刻，气体充满整个工作腔，如图2.9。

图2.9 压缩中间时刻

压缩终了 在这个时刻，气体压缩结束，如图2.10。

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图2.10 压缩终了

2.2.3 汪克尔四角转子压缩机的性能参数

汪克尔四角转子压缩机采用了独创的设计思想，所以此压缩机无压缩死区，无余隙容积，压缩机具有较高的容积效率。汪克尔四角转子压缩机还具有压缩比大，单级压力高，测试结果表明，其工作压力可达 25 bar，并且还有进一步提升的空间，所以它具有作为以二氧化碳为制冷工质的空调的压缩机的潜力。此外，此压缩机运行平稳可靠，噪音低（75 分贝左右），目前累计运行时间达 1200 余小时。与滑块式压缩机相比，其容积效率大大提高，如图2.11所示。

1容积效率0.9普通压缩机转子压缩机0.80.70.60.5500100015002000转速250030003500

图2.11 容积效率

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2.2.4 汪克尔四角转子压缩机的主要特点

四角转子压缩机除了独特结构带来的优点以外， 它的主要特点还有 a.适于高速运转

汪克尔机械的一个特点就是：当外旋轮线为i=3:4 时， 转子的转数为输入轴转数的 1/4 。这样就使其有能力接受高转速输入。资料表明， 该机型主轴安全转速已达到12000r/min，最高连续转速达到9000r/min，这是其它型式的压缩机难以达到的。 b.寿命长

由于转子内齿轮和固定齿轮的啮合运动不传递负荷， 只引导转子转动， 没有冲击力矩，只有很小的摩擦力矩作用在这对啮合齿轮上，因此寿命很长。转子的转速相对较慢， 偏心矩小， 扭矩峰值较低， 摩擦损失小。 c.工作效率高

工作效率即单位轴功率制冷量，样机测试结果表明其 COP 值达 2.04（工作工质为 R134a）。 d.振动小、噪音低

回转运动部件的动平衡量大小， 是压缩机产生振动和噪音的重要原因。四角转子压缩机的动平衡量很小。

e. 绿色低碳节能，节能至少可达 10% 左右。 f. 压缩机结构简单，制造成本低，易于推广。

g.转子旋转一周,，可完成 12 次吸气、排气，压力脉动较小且效率高。 h. 无压缩死区，无余隙容积，容积效率高。 i. 适用于各种排量大小的机型。

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