第八章-单螺杆压缩机(14-15)

14:4414:441回转压缩机原理与结构回转压缩机原理与结构————单螺杆压缩机单螺杆压缩机压缩机研究所目录绪论工作过程热力性能参数啮合原理基础双螺杆压缩机涡旋压缩机涡旋压缩机滚动活塞（转子）压缩机单螺杆压缩机滑片压缩机喷液、喷油空气压缩机系统制冷压缩机系统14:44一、发展、应用、厂家、特点一、发展、应用、厂家、特点14:44单螺杆压缩机发展历程14:44单螺杆压缩机发展历程1949年英国J．w．Goodyear“压能变换装置”1960年法国辛麦恩（B.Zimmern）提出单螺杆压缩机并获得专利权1962年试制出第一台样机，5000rpm,7.46kW，样机经受了1000h的寿命试验70年代初期由法国标致汽车公司正式生产投放市场70年代末荷兰、英国和日本等生产开启、半封制冷、空调用单螺杆压缩机14:4480年代末又发展制造出石化、矿山等压缩各种气体的单螺杆压缩机英、法、美、日、荷兰等国家的厂商可以生产出不同规格单螺杆压缩机浮动星轮、喷油、滑阀单螺杆压缩机发展历程14:4414:4414:442我国单螺杆压缩机的发展历史1975～19881975年北一通首先开始研制单螺杆空压机，76年试制出9立方单螺杆空压机。经过实践后，发现加工、制造是当时的关键技术。采用普通车床滚齿机等简单改装配制组合刀具进行加工的精度低，开始设计并采用专用机床加工。1989～至今进行了多方面的改进（例如定压比热力设计、喷油雾化、变径设计、密封、主机结构、油气分离直至各系统；设计制造完成了第三代加工蜗杆、星轮片专机；星轮片材质的改进；90年代后期的市场机遇14:44主要的生产厂商日本三井精机公司（MITSURSEIKI）小松制作所（KOMATSU）大金工业公司（DAIKININDUSTRIES）三菱电机公司（MITSUBISHIELECTRIC）岩田涂装机工业公司（IWATAAIRCOMPRESSORMGT）美国德莱塞—兰德公司（DRESSER-RAND）Vilt(被艾默生收购)Vilter(被艾默生收购)芝加哥风动公司（CHICAGOPNEUMATIC,GRIMMERSCHMIDT)美国海军（USNAVY）法国标致汽车公司（PEUGOT）克利贝里公司（CREPLLE）英国APV公司（APVHALLPRODUCTS）（McQuay）荷兰格拉莎公司（GRASSO）国内上海飞和、佳力士、施奈德、普度、顺德正力精工14:44主要的生产厂商单螺杆空压机日本三井精机公司(MITSURSEIKI)压力均为0.7MPa，排量从1.0到18.5m3/min；7.5kW、11kW、22kW以及37kW的水润滑单螺杆压缩机日本小松制作所排量分别为和日本小松制作所(KOMATSU)0.7MPa,排量分别为5.0和7.5m3/min日本岩田涂装机工业公司(IWATAAIRCOMPRESSORMGT)PC型，压力为0.7、1.0、1.2MPa，排气量从0.2到5.8m3/min14:44主要的生产厂商美国Powerex公司(Powerex)生产PC型小型压缩机，其生产的箱形固定式PC型单螺杆压缩机，类似日本岩田涂装机工业公司的产品结构。美国芝加哥风动公司(CHICAGOPNEUMATIC)该公司生产固定式和移动式单螺杆空气压缩机，主要用于风动工具。美国海军用的水润滑高压单螺杆压缩机也由该公司研制。荷兰GRasso单螺杆制冷压缩机，87年停产。DRESSER-RAND单螺杆工艺压缩机，昀高达6MPa，已停产。14:44特点单螺杆压缩机除了具有回转压缩机结构简单、体积小和无气阀易损件等特点外，还具有许多独特的优点。这些优点主要是由于两个星轮在螺杆两侧对称配置所致。作用于单螺杆压缩机螺槽内的气体，轴向负荷必然互相抵消。此外由于在螺杆体内开有轴向引气通道泄漏至螺杆高压侧(排（1）结构合理，具有理想的力平衡性此外，由于在螺杆体内开有轴向引气通道，泄漏至螺杆高压侧(排气侧)的高压气体，将通过引气通道回流至低压侧(吸气侧)，使作用于螺杆两端面上的气体力互相平衡。由于星轮的对称配置，作用于螺杆上的径向气体力也相互抵消。因此，螺杆不受任何径向或轴向气体力的作用。星轮齿上所受的气体力很小，只有活塞压缩机或双螺杆压缩机的1/30左右。基于上述特点，螺杆、星轮的轴承可选用普通轴承，寿命长。为了提高星轮、螺杆在机壳内的相互啮合精度，才选用高精度轴承。14:44特点单螺杆压缩机工作时，螺杆上的每一个螺槽在一转中均被使用两次，使螺槽空间得以充分利用，因此与其他回转式压缩机相比，其结构尺寸更小。此外，螺杆的螺槽深度随压缩腔压力的增大而变浅，在排气结束时深度为零，因此在理论上不存在余隙容积。（2）单机容量大，无余隙容积（3）噪声低振动小单螺杆压缩机力的平衡性好。因此振动小，对基础无特殊要求，特别是星轮材料大多采用合成树脂，工作腔喷有润滑油，又无增速齿轮，故运行噪声低。螺杆带动星轮转动仅需克服数值很小的轴承摩擦力，螺杆转速通常均在3000以上，只要啮合副型线设计合理，很容易建立流体动力润滑，从根本上解决星轮齿磨损的问题。（3）噪声低，振动小14:4414:4414:443特点单螺杆压缩机的主要缺点中、高频率的噪声较大；啮合副与机壳的几何形状和相互位置精度要求较高，需用专用设备加工。在压缩机启动和停机过程中，由于转速过低，建立流体动力润滑的条件受到破坏，会导致螺杆和星轮受到一定程度的磨损，从而导致压缩机的性能随运行时间延长而降低，需要定期维修。单螺杆压缩机的主机体积虽小，但是辅机部分（如电动机、油气分离器等）体积却相对比较大，从总体上讲，不够协调。对于单螺杆压缩机，比较适合用于制冷压缩机中。由于密封线长，不太适用于高压范围。14:44二、工作原理二、工作原理14:44单螺杆压缩机原理单螺杆压缩机的一个螺杆可与两个或两个以上星轮啮合。螺杆和星轮按其外形可分为圆柱型(Cylinder)和平面型(Plane)。由这两种类型可构成如下图所示的四种单螺杆压缩机：PC型、PP型、CP型和CC型。目前最常用的是CP型。14:44单螺杆压缩机的类型a）PC型b）PP型c）CP型d）CC型单螺杆压缩机原理基元容积：星轮齿螺杆齿槽机壳内壁14:44工作原理单螺杆压缩机的螺杆通常有6个螺槽，每个星轮齿将它分隔成上、下两个空间，各自实现压缩机的工作过程。由于有两个星轮，因此单螺杆压缩机相当于一台六缸双作用的活塞式压缩机。（1）吸气过程螺杆螺槽在星轮齿尚未啮入前与吸气腔相通，处于吸气状态。当螺杆转到一定位置，星轮齿将螺槽封闭，此时吸气过程结束。（2）压缩过程当吸气过程结束后，螺杆继续转动，随着星轮齿沿着螺槽推进，封闭的工作容积逐渐减小实现气体的压缩过程当工作容积与排气孔连通时压缩过程结束逐渐减小，实现气体的压缩过程。当工作容积与排气孔口连通时，压缩过程结束。（3）排气过程工作容积与排气孔口连通后，随着螺杆继续转动，被压缩气体由排气孔口输送至排气管道，直至星轮齿脱离螺槽为止。14:44工作原理a）b）c）图2单螺杆压缩机的工作过程a）吸气b）压缩c）排气排气吸气压缩14:4414:4414:444工作原理14:44工作原理14:44Xi'anJiaotongUniversity14:44三、啮合副型线及加工三、啮合副型线及加工14:44啮合副型线设计要求共轭原理螺杆齿槽面与星轮齿侧面共轭：齿槽面为星轮齿侧面的包络面、星轮齿面为齿槽面的包络面。0nv14:44啮合副型线设计要求具有良好的流体动力润滑性能啮合副能否建立动压油膜，是减少啮合副磨损，保证单螺杆压缩机运行可靠性的前提。14:44啮合副型线设计要求具有良好的加工工艺性啮合副必须便于机械加工，以确保形状和相互位置的正确性。若将星轮的一个齿作为刀具，按一定的配合运动，就可以加工出相应的螺槽表面。14:44Xi'anJiaotongUniversity星轮的加工方法有两种：1)用成形加工方法，将星轮的—个齿侧表面加工出来，然后进行分度，加工出另一个齿的侧表面。这种方法的缺点是存在一定的分度误差，加工表面的精度较差。2)将螺杆作为刀具(滚刀)，按一定的配合运动切出星轮的齿侧表面。用这种方法辗成的共扼曲面，理论上完全正确且无分度误差。问题在于有些型线是不能用滚刀加工的，因此设计啮合副型线时一定要注意到这一点。14:4414:4414:445具有良好的密封性能应尽可能缩短泄漏线长度和泄漏通道的截面积泄漏途径L1星轮齿顶与螺槽底交线L2、L4星轮齿侧与螺槽交线L3、L5星轮齿根前后侧泄漏小孔L6星轮顶面和气缸间的泄漏线啮合副型线设计要求L6星轮顶面和气缸间的泄漏线L7、L8螺槽前后侧表面螺旋线与气缸间的间隙泄漏L9螺杆密封圆柱段与气缸间间隙的泄漏14:44啮合副型线设计要求14:44Xi'anJiaotongUniversity14:44径向泄漏通道2714:44典型型线第一类型线——直母线形成螺槽螺旋面螺杆螺旋面3a和3b是以直母线7a和7b按规定的配合运动所形成的轨迹面。星轮齿前侧由平面8a和9a构成，后侧为平面8b和9b构成，它们的交线7a和7b，也就是啮合时的接触线。这种型线的主要缺点：1、接触线7a和7b在啮合过程中，始终在齿侧面的同一位置，中，始终在齿侧面的同位置，因而容易磨损，使被压缩气体泄漏量增大，降低了机器效率。2、螺杆螺旋面为直线轨迹面，不能用回转刀具加工，因此螺槽不能采用磨削方法来提高加工精度和改善表面祖糙度。3、加工一个转子要20小时以上。14:44直线包络星轮齿面形成原理Screwrot高压侧vsw0vn啮合接触条件：29接触点（线）星轮齿截面低压侧vsrsrswswsrswarctanarctancosvrvar14:44直线包络啮合3014:4414:4414:446星轮齿侧型面14:44星轮的加工对动双圆柱铣刀铣削星轮齿侧面14:44滚削加工星轮的加工14:44直线包络螺杆齿槽的加工14:44典型型线第二类型线——包络型型线为了减小泄漏孔的面积，辛麦恩提出了圆柱（圆台）包络型线。它与上述型线不同之处，仅在于螺杆螺旋面是由圆柱（圆台）母面包络而成的共轭曲面。14:44典型型线优点：第二类型线(圆柱、圆台母面)具有较好的流体动力润滑性能。由于圆台母面顶部直径小，因而减小了该处的泄漏面积，特别是昀主要的泄漏发生在螺杆的高压端，此时只有星轮的齿顶与螺槽啮合因此对减小齿顶部分的泄漏面积具有重要意义顶与螺槽啮合，因此对减小齿顶部分的泄漏面积具有重要意义。此外，圆台形回转刀具磨损后，还可以进行刃磨或修正，适当调整螺杆与刀具的轴向位置，仍可继续使用，并不影响啮合副型线。缺点：星轮齿侧工作面只能采用成形法加工，分度误差难以避免，这对啮合精度影响很大，严重时会破坏动压油膜的生成。14:4414:4414:447多圆柱包络14:44多圆柱包络啮合14:44多圆柱包络啮合14:44二圆柱包络型线(b)(a)14:44圆柱与多圆柱包络的径向泄漏通道14:44（多）圆柱包络螺杆加工刀具与工件相对运动规律与星轮齿、螺槽一样刀具初始位置可根据包络圆柱位置参数调整机床空间要求（刀架不能与工件干涉），满足尽量大范围尺寸工42干满大围尺寸件加工14:4414:4414:448专用机床的车削与铣削比较14:44典型型线第三类型线——“直线包络”和“圆台(圆柱)二次包络”型线针对上述缺点，西文交通大学提出了“直线包络”和“圆台(圆柱)二次包络”型线的啮合副。与辛麦恩的第一、第二类型线的主要区别：1、星轮的齿侧工作面不是原始母线或母面，而且以螺杆作为刀具，反过来加工(包络)星轮齿获得的共轭曲面共轭曲面。2、这种经过反包络的星轮与螺杆啮合时，在一定的转角范围内，同时存在两条瞬时接触线，提高了单位接触线长度上的承载能力，使磨损部位更加分散。3、两条接触线间的“洼斗”构成油腔，在啮合过程中随着两条接触线的相互靠近，油腔空间迅速缩小，油