回转式压缩机

回转式压缩机4.1绪论回转式压缩机是一种工作容积作旋转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩是通过容积的变化来实现，而容积的变化又是借压缩机的一个或几个转子在气缸里作旋转运动来达到。回转式压缩机的工作容积不同于往复式压缩机，它除了周期性地扩大和缩小外，其空间位置也在变更。只要在气缸上合理地配置吸气孔口与排气口，就可以实现压缩机的基本工作过程——吸气、压缩、排气以及可能有的气体膨胀过程。回转式压缩机借容积的变化以实现气体的压缩，这一点与往复式压缩机相同，它们都属于容积式压缩机；回转式压缩机的主要机件（转子）在气缸内作旋转运动，这一点又与速度式压缩机相同。所以，回转式压缩机同时兼有上述两类机器的特点。回转式压缩机没有往复运动机构，一般也没有气阀，零部件（特别是易损件）少，结构简单、紧凑，因而制造方便，成本低廉，同时操作简便，维修周期长，易于实现自动化。回转式压缩机的排气量与排气压力几乎无关，与往复式压缩机一样，具有强制输气的特征。回转式压缩机运动机件的动力平衡性良好，故压缩机的转数高、基础小。这一优点，在移动式机器中尤为明显。回转式压缩机转数高，它可以和高速原动机（如电动机、内燃机、蒸汽轮机等）直接相联。高转数带来了机组尺寸小、重量轻的优点。同时，在转子每转一周之内，通常有多次排气过程，所以它输气均匀、压力脉动小，不需设置大容量的储气罐。回转式压缩机的适应性强，在较广的工况范围内保持高效率。排气量小时，不像速度式压缩机那样会产生喘振现象。在某些类型的回转式压缩机(如罗茨鼓风机、螺杆式压缩机)中，运动机件相互之间，以及运动机件与固定机件之间，并不直接接触，在工作容积的周壁上无需润滑，可以保证气体的洁净，做到绝对无油的压送气体（这类机器称为无油田转式压缩机）。同时，由于相对运动的机件之间存在间隙以及没有气阀，故它能压送污浊和带液滴、含粉尘的气体。但是，回转式压缩机也有它的缺点，这些缺点是：由于转数较高，加之工作容积与吸、排气孔口周期性地相通、切断，产生较为强烈的空气功力噪声，其中以螺杆式压缩机、罗茨鼓风机尤为突出，若不采取减噪消音措施，即不能被用户所乐用。许多回转式压缩机，如螺杆式、罗茨式、转子式等运动机件表面多半呈曲面形状，以其啮合运动使工作容积改变，这些曲面的加工及其检验均较复杂，有的还需使用专用设备。回转式压缩机工作容积的周壁，大多不呈圆柱形，使运动机件之间或运动机件与固定机件之间的密封问题较难满意解决，通常仅以其间保持一定的运动间隙达到密封，气体通过间隙势必产生泄漏，这就限制了回转式压缩机难以达到较高的终了压力。回转式压缩机的形式和结构类型较多，分类也各有不同。按转子的数量区分：单转子和双转子回转式压缩机，个别情况下还有多转子回转式压缩机；按气体压缩的方式区分：有内压缩和无内压缩回转式压缩机；按工作容积是否有油(液)区分：有无油（液）和喷油(液)回转式压缩机。通常都按结构元件的特征区分和命名，目前广为使用的有罗茨鼓风机、滑片式压缩机和螺杆式压缩机。此外，单螺杆压缩机、液环式压缩机、偏心转子式压缩机以及旋转活塞式压缩机等在不同领域内也得到应用。各种回转式压缩机的简图示见图4-1中。上述各种回转式压缩机，除罗茨鼓风机属无内压缩的机器外，其余均是有内压缩的机器。-128-回转式压缩机大多作为中、小排气量，中、低压压缩机或鼓风机之用。目前，回转式压图4-1缩机在冶金、化工、石油、交通运输、机械制造以及建筑工程等工业部门得到广泛的应用；随着人民生活水平的逐步提高,在耐用消费品中也将得到广泛的应用。不同类型的回转式压缩机的应用范围如图4-2所示。本教材将对广为应用的螺杆式压缩机、罗茨鼓风机和滑片式压缩机作较为详细的论述,而对其他的周转式压缩机仅作一般介绍。对回转式压缩机的图4-2研究，主要是提高效率，降低噪声，减低成本以及延长使用寿命，以充分发挥其长处，使其在与其它类型压缩机的相互竞争中逐步稳定或扩大自己的使用范围。目前，围绕最优化设计，下列几方面的研究工作有待进-129-行：1、回转式压缩机主要结构参数、热力参数及性能参数的最优化选择；,2、改进和创立回转式压缩机的运动机构(包括对啮合部分的参数、形状与啮合特性的研究)；3、进一步减轻机组重量,减小机组尺寸,发展快装、低噪声、全自动化机组；4、改革主要零部件的制造工艺,提高精度、延长寿命、降低成本。-130-4.24.2.1一般工作过程.2.回转式压缩机的工作过程回转式压缩机转子的每个运动周期(例如旋转一周)内，分别有若干个相同的工作容积依次进行相同的工作过程。因此，在研究回转式压缩机的工作过程时，只需讨论其中某一个工作容积的全部过程，就能完全了解整个机器的工作，这一工作容积，称为基元容积。设转子旋转一周，基元容积完成压缩机的一个工作循环，因此，可以认为基元容积的容积值是转子转角参数?的函数。图4-3中，横坐标表示转子的转角参数?,它从转子的某一特定位置算起。例如在图中，即以基元容积最小时的位置作为开始的转角(?=0)。纵坐标表示基元容积在相应转角?下的容积值。图4-3中，采用下列符号表征基元容积在某些特定条件时的容积：V1——基元容积与吸气孔口相连通瞬时所具有的容积，亦即吸气图4-3过程开始时的容积；V2——基元容积与吸气孔口相脱离瞬时所具有的容积，亦即吸气过程终了时的容积；V3——基元容积与排气孔口相连通瞬时所具有的容积，亦即排气过程开始时的容积；V4——基元容积与排气孔口相脱离瞬时所具有的容积，亦即排气过程终了时的容积；V0——基元容积所能达到的最小容积值。由于这一容积的存在，基元容积内的气体不能全部被排出。余留的高压气体将从排气孔口移向吸气孔口。所以,V0又称为穿通容积；Vm——基元容积所能达到的最大容积值，它可与往复式压缩机的行程容积相比拟，若不计穿通容积的存在，它即为吸入容积。各符号的注脚表示以下含义：1——表示吸气开始时基元容积中的状态；2——表示吸气终了时基元容积中的状态；3——表示排气开始时基元容积中的状态；4——表示排气终了时基元容积中的状态。最理想的情况是在基元容积开始扩大的瞬时，基元容积开始吸入气体，且在基元容积达到最大容积Vm时，停止吸气，这时的吸气过程如图4-1中的曲线V1-V2所示。同样，排气过程终了，应在基元容积达到最小值V0时，如图中的V4点。曲线V3-V4表示排气过程，V2-V3表示压缩过程。理想的情况是不存在穿通容积，即容积V0=0。这样，基元容积中的气体可被全部排出。此时，图4-3中的横坐标如点划线所示。满足上述条件的回转式压缩机，其工作容积得到最充分的利用。如果基元容积开始吸入气体并不恰在最小基元容积时，则将产生吸气封闭容积。若不计泄漏的影响，由于吸气封闭容积的存在，基元容积在开始扩大的一段时间内，基元容积内的-131-气体压力低于吸气孔口处的气体压力。然后，在基元容积与吸气孔口连通时产生容积不变的压缩——定容积压缩，待基元容积内气体压力达到吸气孔口处的压力后，才进入正常的吸气过程。所以，吸气封闭容积影响了基元容积的正常充气。若排气过程不在最小基元容积时终止，则产生排气封闭容积。理论上，该容积内的气体将被压缩到远远大于内压缩终了压力的某一数值，这将使压缩机的耗功显著增加。这部分余留的高压气体，将在随后的吸气过程的初期进行膨胀，导致压缩机吸气量的降低。4.2.2有内压缩及无内压缩过程在压缩机运转过程中，若基元容积的缩小并非在与吸、排气孔口隔绝的状态下进行的，亦即基元容积缩小过程中尚与吸、排气孔口连通，因而其内的气体压力保持不变，这种机器便称为无内压缩的压缩机。即将图4-3中的?2与?3重合，亦即基元容积与吸气孔口脱离的同时，就与排气孔口相连通。这样，基元容积里的气体压力并非因容积的缩小得以提高，而是在与排气孔口相通时，由排气管中的气体倒流入基元容积，使基元容积内的气体定容积压缩达到排气管中的压力。有时，基元容积在一定转角范围内保持不变的最大容积，如图4-3中虚线所示。此时，倘若基元容积中气体的排出即使在转角?3大于?2的位置开始，因仍保持最大容积，故仍属无内压缩的压缩机。图4-4在无内压缩的压缩机中，气体的压缩过程（在排气、管道中进行)如图4-4中线1所示。由图可见，在无内压缩机器中，压缩过程是定容积过程，其功率消耗比有内压缩的压缩机大。多耗的功如图中阴影面积所示。因而，无内压缩的压缩机是不经济的，它只限于低压鼓风使用。回转式压缩机中，大多采用有内压缩的压缩机，仅在压力比小于2低压力比时，方采用无内压缩的机器。4.2.3理论工作过程与实际工作过程为了由浅入深地说明问题,首先讨论回转式压缩机的理论工作过程。在理论压缩机中,假定不存在实际工作过程中的一切损失，即压缩机是在无摩擦、无热交换、无余隙容积、无泄漏、无吸排气压力损失的情况下进行吸气、压缩和排气的。理论压缩机中,基元容积中各个有特殊意义的容积值，如V0、Vh、V2、V3、V4、Vm等，取决于压缩机的几何尺寸。因此，一旦这些容积一定，基元容积中的气体压力也随之而定。首先研究不具有穿通容积(V0=0)时工作容积与转角参数?的关系。为方便起见，假定V—?为直线关系，如图4-5所示。相应的P—V图示于图4-6中。当吸气封闭容积V1≠0时。如上所说，吸气封闭容积的产生,是由于基元容积与吸气孔口连通瞬时，基元容积并不是最小值，而已扩大到某一数值V1。从转角来说，设基元容积等于零时的转角为?0,它与吸气孔口边缘相连通瞬时的转角为?1,必然有：?1－?0＞0由此可见，由于吸气封闭容积的存在，使基元容积的开始吸气点延迟，使基元容积内的气体压力低于吸气压力（若吸气压力为大气压力时，即产生真空）。直至基元容积与吸气孔口相连通后，其间的压力才恢复到吸气压力Ps。相应地在图4-6所示的P-V图上吸气过程的压力变化将不是直线1-2，而是曲折线0-f1″-2。当排气封闭容积V4≠0时。如上所说，排气封闭容积的产生，是由于基元容积与排气孔口脱离的瞬时，基元容积尚未缩小到它的最小值(若是无穿通容积时，其最小值即等于零),而-132-仍具有容积值V4＞V0。从转角来说,基元容积与排气孔口脱离瞬时的转角?4尚未达到一个工作循环所需的全部转角。如取整个工作循环相应的转角为2π时，则如图4-3所示，必然有：4－?0＜2π?由此可见，由于基元容积排气结束时间的提前，便产生了排气封闭容积。由于排气封闭容积的存在，气体将在基元容积中再度地受到压缩，大大超过原来的排气压力Pd,如图4-6所示，在排气即将结束时，再度进行压缩过程b-c。于是，基元容积的排气压力变化当由直线3-4变为曲折线3-b-c。当基元容积与吸气孔口脱离的瞬时，正好达到它的最大容积，则V2=Vm相应的转角?2与转角?m相重合(图4-3)。此时，指示图中的压缩线恰好由点2开始。当基元容积与吸气孔口脱离的瞬时，若并不在它的最大容积，这时′?2∠?mV2′∠Vm或图4-5图4-6′?2′＞?mV2′′＞Vm′′?2、?2′的位置均示于图4-5中。′′由于?2、?2′与?m不相重合，使基元容积中的压力变化有所不同。′在第一种情况下，即?2＜?m时，基元容积中的气体将在吸气终了之后再度进行膨胀，然后在达到最大容值Vm后，才从降低了的压力开始压缩。指示图中，压力变化曲线将由原来的′1-2-3变成1-2′-2″-2′-d。即气体在基元容积中，于两倍?m-?2的的转角范围内，依同一曲线2′-2″-2′进行膨胀与压缩。′在第二种情况下，即?2′＞?m时，基元容积中的气体将有一部分重新回流到吸气孔口处，然后在与吸气孔口脱离之后，开始压缩。如图4-6所示，压力变化曲线将由原来的1-2-3变成′1-2-2′-d,亦即在两倍的?2′-?m的转角范围内，相当于Vm?V2′′的气体无益地进入基元容-133-积后再行流出。上述两种情况都使基元容积吸气量减少。最后，再看基元容积与排气孔口相通时的情况。基元容积中的气体因容积缩小而被压缩，并达到一定的压力。即压缩机的基元容积与排气孔口相连通之前(包括连通瞬时),基元容积内的气体压力Pi称为内压缩终了压力内压缩。终了压力与吸气压力之比，称为内压力比。