螺杆机课程设计讲解.docx

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螺杆机课程设计讲解

1.双螺杆压缩机的特点和应用前景1

1.1.双螺杆压缩机的特点1.

1.2.双螺杆压缩机的应用前景1.

1.3.双螺杆压缩机的基本结构和工作原理2

2.转子型线设计原则5

2.1.转子型线及其要素5.

2.2.转子型线设计原则5.

3.设计要求6

3.1.设计给定的参数6.

4.选定型线类型及型线推导过程6

4.1.选定型线类型6.

4.2.型线推导过程7.

5.转子几何特性28

5.1.I级几何特性28

5.2.II级几何特性3.1

6.热力计算34

6.1.设计要求34

6.2.计算理论容积流量.34

6.3.计算实际容积流量.34

6.4.设计选型以及各参数选定34

6.5.给定绝热效率34

6.6.各级具体参数计算.35

6.7.复算电动机功率40

6.8.计算比功率41

1.双螺杆压缩机的特点和应用前景

1.1.双螺杆压缩机的特点

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机器的特点。

1）螺杆压缩机的优点如下：

1）可靠性高。

螺杆压缩机零部件少，没有易损件，因而它运转可靠，寿命长，大修间隔期可达4-8万h.

2）操作维护方便。

螺杆压缩机自动化程度高，操作人员不必经过长时间的专业培训，可实现无人值守运转。

3）动力平衡好。

螺杆压缩机没有不平衡惯性力，机器可平稳地高速工作，可实现无基础运转，特别适合用作移动式压缩机，体积小、重量轻、占地面积少。

4）适应性强。

螺杆压缩机具有强制输气的特点，容积流量几乎不受排气压力的影响，在宽广的范围内能保持较高的效率，在压缩机结构不作任何改变的情况下，适用于多种共质。

5）多相混输。

螺杆压缩机的转子齿面间实际上留有间隙，因而能耐液体冲击，可输送含液气体、含粉尘气体、易聚合气体等。

2）螺杆压缩机的主要缺点：

1）造价高。

由于螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面，需利用特制的刀具在价格昂贵的专用设备上进行加工。

另外，对螺杆压缩机气缸的加工精度也有较高的要求。

2）不能用于高压场合。

由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制，螺杆

压缩机只能用于中、低压范围，排气压力一般不超过3MPa。

3）不能用于微型场合。

螺杆压缩机依靠间隙密封气体，目前一般只有容积流量大于0.2m3/min时，螺杆压缩机才具有优越的性能。

1.2.双螺杆压缩机的应用前景

1）喷油螺杆空气压缩机

动力用的喷油螺杆压缩机已系列化，一般都是在大气压力下吸入气体，单级排气压力有0.7MPa、1.0MPa和1.3MPa（表压）等不同形式。

少数用于驱动大型风钻的两级压缩机，排气压力可达到2.5MPa（表压）。

此类压缩机目前的容积流量范围为0.2-100m3/min，越来越被用到对空气品质要求非常高的应用场合，如食品、医药及棉纺企业，占据了许多原属无油压缩机的市场。

2）喷油螺杆制冷压缩机

目前，半封闭和全封闭式螺杆制冷压缩机广泛应用于住宅和商用楼房的中央空调系统，产量远远超过开启式。

此外，螺杆制冷压缩机还用于工业制冷、食品

冷冻、冷藏，以及各种交通运输工具的制冷装置。

在环境温度下工作时，单级螺杆制冷压缩机可达-25C的蒸发温度，采用经

济器或双级压缩，可达-40C的蒸发温度。

既能供冷又能供暖的冷热两用螺杆机组，近年发展很快。

目前螺杆制冷压缩机标准工况下制冷量范围为10-2500KW。

3）喷油螺杆工艺压缩机

喷油螺杆工艺压缩机的工作压力由工艺流程确定，单级压力比可达10,排

气压力通常小于4.5MPa,但可高达9MPa,容积流量范围为1-200m3/min。

4）干式螺杆压缩机

目前一般干式螺杆压缩机的单级压力比为1.5-3.5,双级压力比可达8-10,

容积流量为3-500m3/min。

5）喷水螺杆压缩机

使喷入的水与润滑油隔开，用于一些可能发生聚合反应的气体，向压缩机入口喷入适当的溶剂，以冲掉这些化合物。

6）其他螺杆机械

螺杆压缩机可作为油、气、水多相流混输泵使用，也可作为真空泵使用单级真空度可达98%，能耗较其他类型真空泵低20%-50%。

此外，螺杆机械还可作为膨胀机。

1.3.双螺杆压缩机的基本结构和工作原理

1.3.1.基本结构

通常所称的螺杆压缩机指的是双螺杆压缩机。

双螺杆压缩机的发展历程较短，是一种比较新颖的压缩机。

双螺杆压缩机是一种容积式的回转机械。

由一对阴、阳螺杆，一个壳体与一对端盖组成。

在倒“8”形的气缸中，平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子，分别称为阴、阳转子。

它们和机体之间构成一个“V”字形的一对密圭寸的齿槽空间随着转子的回转而逐渐变小，并且其位置在空间也不断从吸气口向排气口移动，从而完成吸气-压缩-排气的全部过程。

一般阳转子与原动机连接，由阳转子带动阴转子转动。

在压缩机机体的两端，分别开设一定形状和大小的孔口。

一个供吸气用，称作吸气孔口；另一个供排气用，称作排气孔口。

。

1.32工作原理

螺杆压缩机的工作循环可分为吸气、压缩和排气三个过程。

随着转子旋转,每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环，这里只研究其中一对齿。

1）吸气过程

图1示出的螺杆压缩机的吸气过程，所讨论的一对齿用箭头标出，阳转子按逆时针方向旋转，阴转子按顺时针方向旋转，图中的转子端面是吸气端面。

机壳

上有特定形状的吸气孔口如图1粗实线所示

b）

图1双螺杆压缩机的吸气过程

a）吸气过程即将开始b）吸气过程中c）吸气过程结束

图1（a）示出的是吸气过程即将开始时的转子位置。

在这一时刻，这一对齿前端的型线完全啮合，且即将与吸气孔口连通。

随着转子开始运动，由于齿的一端逐渐脱离啮合而形成齿间容积，这个齿间容积的扩大，在其内部形成了一定的真空，而此齿间容积又仅与吸气口连通，因此气体便在压差作用下流入其中，如图1（b）中阴影部分所示。

在随后的转子旋转过程中，阳转子齿不断从阴转子的齿槽中脱离出来，齿间容积不断扩大，并与吸气孔口保持连通。

吸气过程结束时的转子位置如图1（c）所示，其最显著的特征是齿间容积达到最大值，随着转子的旋转，所研究的齿间容积不会再增加。

齿间容积在此位置与吸气孔口断开，吸气过程结束。

2）压缩过程

a）吸气过程即将开始b）吸气过程中c）吸气过程结束、排气过程即将开始

图2示出螺杆压缩机的压缩过程。

这是从上面看相互啮合的转子，图中的转子端面是排气端面，机壳上的排气孔口如图中粗实线所示。

在这里，阳转子沿顺时针方向旋转，阴转子沿逆时针方向旋转。

图2双螺杆压缩机的压缩过程

图2（a）示出压缩过程即将开始时的转子位置。

随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减少。

被密封在容积中的气体所占据的体积也随之减少，导致压力升高，从而实现气体的压缩过程，图2（b）。

压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气孔口连通之前。

3）排气过程

图3双螺杆压缩机的排气过程

a）排气过程中b）排气过程结束

图3示出螺杆压缩机的排气过程。

齿间容积与排气孔口连通后，即开始排气过程。

随着齿间容积的不断缩小，具有排气压力的气体逐渐通过排气孔口被排出，图3（a）。

这个过程一直持续到齿末端的型线完全啮合，图3（b）。

此时，齿间

容积内的气体通过排气孔口被完全排出，封闭的齿间容积变为零。

2.转子型线设计原则

2.1.转子型线及其要素

螺杆压缩机最关键的是一对相互啮合的转子。

转子的齿面与转子轴线垂直面的截交线称为转子型线。

对于螺杆压缩机转子型线的要求，主要是在齿间容积之间有优越的密封性能，因为这些齿间容积是实现气体压缩的工作腔。

对螺杆压缩机性能有重大影响的转子型线要素有接触线、泄漏三角形、封闭容积和齿间面积等。

（1）接触线。

螺杆压缩机的阴、阳转子啮合时，两转子齿面相互接触而形成的空间曲线称为接触线。

如果转子齿面间的接触连续，则处在高压力区内的气体将通过接触线中断缺口，向低压力区泄漏。

阴、阳转子型线啮合时的啮合点轨迹，称为啮合线。

啮合线实质是接触线在转子端面上的投影。

显然接触线连续，意味着啮合线应该是一条连续的封闭曲线。

（2）泄漏三角形。

在接触线顶点和机壳的转子气缸孔之间，会形成一个空间曲边三角形，称为泄漏三角形。

若啮合线顶点距阴、阳转子齿顶圆的交点较远，则说明泄漏三角形面积较大。

（3）封闭容积。

如果在齿间容积开始扩大时，不能立即开始吸气过程，就

会产生吸气封闭容积。

吸气封闭容积的存在，影响了齿间容积的正常充气。

从转子型线可定性看出封闭容积的大小。

（4）齿间面积。

它是齿间容积在转子端面上的投影。

转子型线的齿间面积越大，转子的齿间容积就越大。

2.2.转子型线设计原则

（1）满足啮合要求。

螺杆压缩机的阴、阳转子型线必须是满足啮合定律的共轭型线。

（2）形成长度较短的连续接触线。

为了尽可能减少气体通过间隙带的泄漏，要求设法缩短转子间的接触线长度。

（3）应形成较小面积的泄漏三角形。

（4）应使封闭容积较小。

吸气封闭容积导致压缩机功耗增加、效率降低、噪声增大。

所以转子型线应使封闭容积尽可能小地。

（5）齿间面积尽量大。

较大的齿间面积使泄漏量占的份额相对减少，效率得到提高。

3.设计要求

3.1.设计给定的参数

排气量：

Q=26m3/min

排气压力：

2.5MPa

供气稳定：

60摄氏度

电机转速：

2960rpm

电机功率：

250kw

4.选定型线类型及型线推导过程

4.1.选定型线类型

考虑到采用油润滑，减少泄漏，提高机器效率和可靠性，因此采用单边不对称销齿圆弧。

本设计采用我国规定的螺杆压缩机标准的单边不对称摆线-销齿圆弧型线。

如下图所示。

单边不对称摆线-销齿圆弧型线

a）型线b）啮合线

这种单边不对称摆线-销齿圆弧型线与原始不对称型线的主要区别在于：

采用径向直线AB及DE倒棱修正，去除了原始不对称型线外圆上的摆线形成点，并使摆线IJ的形成点向内移动。

另外，将圆弧齿曲线扩大一角度，形成保护角，使摆线CD的形成点I处于阳转子外圆之内，保护了对啮合性能很敏感的摆线形成点。

修正后，便于转子在加工、安装、运行及储运中保护摆线形成点。

但使接触线顶点与转子齿顶圆交点之距离略有增大，使通过泄漏三角形的泄漏量增加。

为此，通常限制直线段DE的长度在0.5-2mm的允许范围之内。

处在低压侧的直线段AB的长度，由于不影响气密性，通常从制造工艺出发，使其与圆弧BC光滑过度。

4.2.型线推导过程

具体型线推导过程，我们是借助于Mathcad这款软件做的，全部参数化设计，以下提供软件中设计的各类参数，同时电子稿里面也会附上源文件，还有各种作图文件。

下图为proe画出的I级转子啮合三维曲线。

5.转子几何特性

5.1.I级几何特性

5.1.1.I级齿间面积和面积利用系数

1）齿间面积

阴、阳转子的齿间面积是螺杆压缩机的重要几何性质之一，在对转子型线的各段组成齿曲线建立方程逐个确定其参数变化范围后，可利用解析法求得转子的齿间面积。

阴、阳转子齿间面积系由多段光滑曲线及齿顶圆弧首尾相接围成的，故其面

积的一般表达式为：

1tiH1r.-]

A=瓦一（lyiXi-ydt

12E

（1）阴转子齿间面积

阴转子齿间面积A01为：

由CAD查询工具得：

代广3408mm2=0.003408m2

1ti+r・・]2

或可有A02y2ix2^x2iy2idt=3408mm

12先

A02=3408ni2

02皿二tK

E2\lt2

（2）阳转子齿间面积

阳转子齿间面积A02为：

由CAD查询工具得：

代2=4490mm2=0.00449m2

或可有A01—-1ly1ix1i-x1idt=4490mm2

i2t

（3）阴阳转子齿间面积总和：

Ao=Aoi•A°2=7898mm2

2）面积利用系数

螺杆压缩机的面积利用系数，表征转子直径范围内总面积的利用程度。

其定

义式为：

C：

.二乙（AoiA02）/Dl2

查教材表3-12,得单边不对称摆线-销齿圆弧型线的面积利用系数C=0.515。

3）I级扭角系数及内容积比

扭角系数C•为C0Vmax

查《螺杆压缩机一理论、设计及应用》表3-2,得单边不对称摆线-销齿圆弧型线的扭角系数为C=0.989。

4）转子长度L

取阳转子长径比■=1.3,得L=Dr=250mm1.3=0.325m，阴阳转子长度

相同。

5）复算排气量

理论排气量Qvt:

取扭角系数C.=0.989

n=2960rpm/min

阳转子乙=4，得

22

Q讥=LnZ1（Ao1Ao2）C：

护=0.325m2960rpm/min4（0.003408m0.00449m）0.989

3

=30.02m/min

实际排气量Qv:

取容积效率v=0.9

Qv=Qvtv-0.930。

02=27.02m3/min

Q_Q

根据实际情况要求：

-5%岂5%

Q

27.02-26

26

=3.9%空5%

1ti*「・・I

—（[yiXi—Xjyidt

i2ti

因此，气量满足设计要求

5.2.II级几何特性5.2.1.II级齿间面积和面积利用系数1）齿间面积

阴、阳转子的齿间面积是螺杆压缩机的重要几何性质之一，在对转子型线的各段组成齿曲线建立方程逐个确定其参数变化范围后，可利用解析法求得转子的齿间面积。

阴、阳转子齿间面积系由多段光滑曲线及齿顶圆弧首尾相接围成的，故其面积的一般表达式为:

（1）阴转子齿间面积

阴转子齿间面积Aoi为：

由CAD查询工具得：

珞=1396mm2=0.1396m2

或可有A02八1〔y2ix2i-x2iy2idt=1396mm2

12光

（2）阳转子齿间面积

阳转子齿间面积A02为：

由CAD查询工具得：

代2=1837mm2=0.001837m2

或可有a。

！

—-y'iiX1i-冷％dt=

（3）阴、阳转子齿间面积总和：

A^=A01A02=3233mm2

i21

2）面积利用系数

螺杆压缩机的面积利用系数，表征转子直径范围内总面积的利用程度。

其定

义式为：

C：

.二乙（AoiAo2）/Di2

查教材表3-12,得单边不对称摆线-销齿圆弧型线的面积利用系数C=0.515。

3）II级扭角系数及内容积比

扭角系数C为C,=出Vmax

查《螺杆压缩机一理论、设计及应用》表3-2,得单边不对称摆线-销齿圆弧型线的扭角系数为C=0.989。

4）转子长度L

取阳转子长径比■=1,得L二=160mm1=0.16m,阴阳转子长度相同。

5）复算排气量

计算理论排气量Qvt

取扭角系数C=0.989

n=2960rpm/min

阳转子乙=4，得

Qvt=LnZ1（Ao

0.989=6.06m3/min

计算实际排气量Qv

取容积效率v=0.9

Qv=Qvtv=0.96.06=5.45m3/min

根据实际情况要求：

经过计算，II级理论排气量为5.33m3/min，具体计算见

热力计算那边。

-5%ZQv-Q岂5%

Q

Qv-Q

因此，气量满足设计要求。

6.热力计算

6.1.设计要求

排气量：

Q=26m3/min

排气压力：

2.5MPa

供气稳定：

60摄氏度

电机转速：

2960rpm

电机功率：

250kw

6.2.计算理论容积流量

螺杆压缩机的理论容积流量，为单位时间内转子转过的齿间容积之和，它只

取决于压缩机的几何尺寸和转速。

若令入=L/Di，但由于本设计形线就是根据给

定参数排气量Q=26m3/min设计的，因此在这里就直接令qvi=26m3/min

6.3.计算实际容积流量

取容积效率为0.9，螺杆压缩机的实际容积流量是指折算到吸气状态的实际

容积流量，计算式为v=qv/qvi=0.9

33

qv=qvi0.9=23.4m/min=0.39m/s

6.4.设计选型以及各参数选定

由于压力比较大，大于10,我们决定使用两级压缩。

分配各级压力比

"1=辽='■25—5

设定喷油温度为50度

设定I级排气温度Td=70度

设定II级排气温度Td=90度

工作过程当作等熵过程进行

6.5.给定绝热效率

螺杆压缩机的绝热效率nad反映了压缩机能量利用的完善程度，其数值依机型和工况不同而有明显的差别。

本次绝热效率选为0.75

66各级具体参数计算661.I级压缩热量计算

1）已知参数

吸气压力Ps=0.1Mpa

吸气温度Ts=60

排气压力0.5MPa

设定排气温度Td=70度

2）根据已知条件计算轴功率

k-1

PadI（¥）T-1）

k-1Ps

PadI：

I级压缩的等熵绝热压缩功率

巳：

I级压缩机的吸气压力

Pd：

I级压缩机的排气压力

k:

过程指数

Qv：

I级压缩的实际容积流量

由于不知道Qv，根据已知条件，压缩机里面质量流量不变的原理根据公式Rvi=RgTi

Rg=287j/（kg.k）

T^273.15k60二333.15k

p1=1105Pa

算出进气口v^0.956m3/kg

根据公式旦=（些广

P2v1

K=1.4

R

L=0.2

P2

3

v1=0.956m/kg

算出排气口V2=0.303m3/kg

根据公式P2V2二RgT2

Rg=287j/（kg.k）

V2=0.303m'/kg

5

p2=510Pa

算出排气口T2=527.9K

根据公式：

空气密度=1.293*（实际压力/标准物理大气压）*（273.15实际绝对温度）,设计给出的排气量是换算到进口状态的，因此此时算质量流量也用进口状态算出「空气=1.046kg/m3

根据公式qm=qv二空气

求出总的质量流量：

qm=0.408kg/s

计算I级排气量：

把I级的排气量换算到进气状态的排气量，前面已经算出进

I级等熵压缩功率计算

k-1

气口的v1,因此qvIrqmw=0.4080.956=0.39m3/s

PadI*Rqv（（P）k-1）

k-1Ps

PadI：

I级压缩的等熵绝热压缩功率

Ps：

I级压缩机的吸气压力Pd:

I级压缩机的排气压力k:

过程指数

Qv：

I级压缩的实际容积流量整个压缩过程当成等熵压缩进行，因此k=1.4

14535凹

PadII05汇0.39m3/s（（—）1.4-1）=79.7kw

1.4-11

本设计取绝热效率为0.75计算

P

P妙=79.7/0.75=106.3KW

adI

3）计算I级喷油量

P=qmgCpg（Td-Tsg）*qmoCpo（Td-Tso）

P:

压缩机轴功率qmg:

气体质量流量

Cpg：

气体的比定压热容qmo:

喷油质量流量

Cpo：

油的比定压热容

Tso:

喷油温度

Tsg：

气体的进气温度

Td：

排气温度

设定喷油温度为50度空气的比定压热容为1.005kj/（kg.k）

油的比定压热容为1.842kj/（kg.k）

P=qmgCpg（Td_Tsg）qmoCpo（Td_Tso）

106.3=0.4081.005（70-60）qm。

1.842（70-50）qmo=2.77kg/s

662.II级压缩热量计算

1）1.已知参数

吸气压力Ps=0.5Mpa吸气温度Ts=70度排气压力2.5MPa设定排气温度Td=90度

2）根据已知条件计算轴功率

kP上1

Padll-^q（（0）k-1）

k-1Ps

Padll：

II级压缩的等熵绝热压缩功率

巳：

II级压缩机的吸气压力

Fd:

II级压缩机的排气压力

k:

过程指数

Qv：

II级压缩的实际容积流量

由于不知道Qv，根据已知条件，压缩机里面质量流量不变的原理

根据公式Rvi二RgTi

Rg=287j/（kg.k）

Ti=273.15k70=343.15k

5

5=510Pa

算出进气口V,=0.196m3/kg

根据公式P2V2=RgT2

Rg=287j/（kg.k）

T2=273.15k90=363.15k

P2=2.5106Pa

算出排气口v2=0.042m3/kg

根据公式：

），

口状态

空气密度=1.293*（实际压力/标准物理大气压）*（273.15/实际绝对温度设计给出的排气量是换算到进口状态的，因此此时算质量流量也用进算出二空气=1.046kg/m3

根据公式qm二qv二空气

求出总的质量流量：

qm=0.408kg/s

I级排气量：

把I级的排气量换算到进气状态的排气量，

qvII二qmv|=0.4080.196=0.08m3/s

II级等熵压缩功率计算

k-1

PadIkFSqv（（旦）k-1）

k-1Ps

PadI：

I级压缩的等熵绝热压缩功率

Ps：

I级压缩机的吸气压力

Pd:

I级压缩机的排气压力

k:

过程指数

Qv：

I级压缩的实际容积流量

1.453/Q1：

、

PadI5100.08m/s（（—）1.4-1）=81.7kw

1.4-11

计算II级轴功率

取绝热效率为0.75

p二电=81.7/0.75=109KW

adI

3）计算II级喷油量

P=qmgCpg（Td-Tsg）*qmoCpo（Td-Tso）

P:

压缩机轴功率qmg:

气体质量流量

Cpg：

气体的比定压热容qmo:

喷油质量流量

Cpo：

油的比定压热容

Tso:

喷油温度

Tsg：

气体的进气温度

Td：

排气温度

设定喷油温度为50度

空气的比定压热容为1.005kj/（kg.k）油的比定压热容为1.842kj/（kg.k）

P=qmgCpg（Td_Tsg）qmoCpo（Td_Tso）109=0.4081.005（90-70）qmo1.842（90-50）qmo=1.37kg/s

6・6・3・两级各参数最后归总（各级绝热压缩功，轴功率，喷油量，进出口状态）

I级绝热压缩功Fad|=79.7kw

I级轴功率P=鱼=79.7/0.75=106.3KW

^adl

II级绝热压缩功FadII=81.7kw

II级轴功率Pi=PadI=109KW

nadI

I级喷油质量流量qmoi=2.77kg/s

II级喷油质量流量qmoii