螺杆压缩机教材Word下载.docx
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它在很多方面与双螺杆压缩机类似，而且具有更加理想的力平衡性，故在国内外得到了较快的发展，不过目前在制冷方面使用还不广泛。
第二节螺杆式制冷压缩机工作原理及特点
一、工作原理
螺杆式（即双螺杆）制冷压缩机具有一对互相啮合、相反旋向的螺旋形齿的转子。
其齿面凸起的转子称为阳转子，齿面凹下的转子称为阴转子。
转子的齿相当于活塞，转子的齿槽、机体的内壁面和两端端盖等共同构成的工作容积，相当于气缸。
机体的两端设有成对角线布置的吸、排气孔口。
随着转子在机体内的旋转运动，使工作容积由于齿的侵入或脱开而不断发生变化，从而周期性地改变转子每对齿槽间的容积，来达到吸气、压缩和排气的目的。
互相啮合的转子，在每个运动周期内，分别有若干个相同的工作容积依次进行相同的工作过程，这一工作容积，称为基元容积。
它由转子中的一对齿面、机体内壁面和端盖所形成。
只需研究其中一个工作容积的整个工作循环，就能了解压缩机工作的全貌。
螺杆式制冷压缩机的运转过程从吸气过程开始，然后气体在密封的基元容积中被压缩，最后由排气孔口排出。
阴、阳转子和机体之间形成的呈“V”字型的一对齿间容积（基元容积）的大小，随转子的旋转而变化，同时，其空间位置也不断移动。
图3—1表示了基元容积的工作过程。
（1）吸气过程
转子旋转时，阳转子的一个齿连续地脱离阴转子的一个齿槽，齿间容积逐渐扩大，并和吸气孔口连通，气体经吸气孔口进齿间容积，直到齿间容积达到最大值时，与吸气孔口断开，齿间容积封闭，吸气过程结束，如图3—1（a）所示。
值得注意的是，此时阳和阴转子的齿间容积彼此并不连通。
（2）压缩过程
转子继续旋转，在阴、阳转子齿间容积连通之前，阳转子齿间容积中的气体，受阴转子齿的侵入先行压缩；
经某一转角后，阴、阳转子齿间容积连通，形成“V”字形的齿间容积对（基元容积），随两转子齿的互相挤入，基元容积被逐渐推移，容积也逐渐缩小，实现气体的压缩过程，如图3—1（b）所示。
压缩过程直到基元容积与排气孔口相连通时为止，如图3—1（c），此刻排气过程开始。
（3）排气过程
如图3—1（d）所示，由于转子旋转时基元容积不断缩小，将压缩后气体送到排气管，此过程一直延续到该容积最小时为止。
随着转子的连续旋转，上述吸气、压缩、排气过程循环进行，各基元容积依次陆续工作，构成了螺杆式制冷压缩机的工作循环。
从以上过程的分析可知，两转子转向互相迎合的一侧，即凸齿与凹齿彼此迎合嵌入的一侧，气体受压缩并形成较高压力，称为高压力区；
相反，螺杆转向彼此相背离的一侧，即凸齿与凹齿彼此脱开的一侧，齿间容积在扩大形成较低压力，称为低压力区。
此两区域借助于机壳、转子相互啮合的接触线而隔开，可以粗略地认为两转子的轴线平面是高、低压力区的分界面。
另外，由于吸气基元容积内的气体随转子旋转，由吸气端向排气端作螺旋运动，因此吸气、排气孔口要成对角线布置，吸气孔口位于低压力区的端部，排气孔口位于高压力区的端部。
二、工作特点
螺杆式制冷压缩机作为回转式制冷压缩机的一种，同时具有活塞式和动力式（速度式）两者的特点。
1）与往复活塞式制冷压缩机相比，螺杆式制冷压缩机具有转速高，重量轻，体积小，占地面积小以及排气脉动低等一系列优点。
2）螺杆式制冷压缩机没有往复质量惯性力，动力平衡性能好，运转平稳，机座振动小，基础可作得较小。
3）螺杆式制冷压缩机结构简单，机件数量少，没有像气阀、活塞环等易损件，它的主要摩擦件如转子、轴承等，强度和耐磨程度都比较高，而且润滑条件良好，因而机加工量少，材料消耗低，运行周期长，使用比较可靠，维修简单，有利于实现操纵自动化。
4）与速度式压缩机相比，螺杆式压缩机具有强制输气的特点，即排气量几乎不受排气压力的影响，在小排气量时不发生喘振现象，在宽广的工况范围内，仍可保持较高的效率。
5）采用了滑阀调节，可实现能量无级调节。
6）螺杆压缩机对进液不敏感，可以采用喷油冷却，故在相同的压力比下，排温比活塞式低得多，因此单级压力比高。
7）没有余隙容积，因而容积效率高。
螺杆式制冷压缩机尚存在以下缺陷：
1）制冷剂气体周期性地高速通过吸、排气孔口，通过缝隙的泄漏等原因，使压缩机有很大噪声，需要采取消音减噪措施。
2）螺旋形转子的空间曲面的加工精度要求高，需用专用设备和刀具来加工。
3）由于间隙密封和转子刚度等的限制，目前螺杆式压缩机还不能像往复式压缩机那样达到较高的终了压力。
近年来，螺杆式制冷压缩机发展很快，其制冷系数、噪声级等等指标已接近或达到活塞式压缩机的水平，在中等制冷量范围内的应用取得了信誉。
而且机组逐渐更新，品种日益增加，制冷量向更低与更高的范围内延伸，不断地扩大了使用范围，并向不同的领域扩张，已发展成为制冷机的主要型式之一。
为了保证螺杆式制冷压缩机的正常运转，必须配置相应的辅助机构，如润滑油的分离和冷却，能量的调节控制装置，安全，保护装置和监控仪表等。
通常生产厂多将压缩机、驱动电机及上述辅助机构组装成机组，称为螺杆式制冷压缩机组。
图3—2是一个单级螺杆式制冷压缩机组。
它包括气路、油路、电路及能量调节装置等。
螺杆式制冷压缩机由于喷油使制冷机的性能大大改善，故螺杆式制冷压缩机绝大部分为喷油式。
喷油的优点如下：
1）降低排气温度。
2）减少工质泄漏，提高密封效果。
3）增强对零部件的润滑，提高零部件寿命。
4）对声能和声波有吸收和阻尼作用，可以降低噪声。
5）冲洗掉机械杂质，减少磨损。
但由于喷油量较大，所以螺杆装置中必须增设油的处理设备，如油分离器、油冷却器、油过滤器、油压调节阀和油泵等，这将增大机组的体积和复杂性。
三、带经济器的螺杆式制冷压缩机
螺杆式制冷压缩机虽具有单级压力比高的优点，但随着压力比的增大，泄漏损失急速地增加，因此，低温工况下运行时效率显著降低。
为了扩大其使用范围，改善低温工况的性能，提高效率，可利用螺杆制冷压缩机吸气、压缩、排气单向进行的特点，在机壳或端盖的适当位置开设补气口，使转子基元容积在压缩过程的某一转角范围，与补气口相通，使系统中增设的中间容器内的闪发性气体通过补气口进入基元容积中。
这样，单级螺杆压缩机按双级制冷循环工作，达到节能的效果。
此增设的中间容器称为经济器。
带经济器的制冷系统有一级节流与二级节流两种形式。
图3—3（a）为带经济器的一级节流制冷系统图。
来自贮液器D的制冷剂液体分为两支；
一小支流经节流阀Gl降压，到经济器E中吸热而产生闪发性气体，经中间补气口进入正处在压缩初始阶段的基元容积中，与原有气体混合继续被压缩；
另一支主流流过经济器E中盘形管放热而过冷，然后经节流阀G，节流进入蒸发器F中制冷。
进入蒸发器的主流制冷剂液体只经一次节流，且节流前与进入补气口的气体存在温差△t。
系统的P—H图如图3—3（b）所示。
图3—4为带经济器的二级节流制冷系统。
来自贮液器D的制冷剂液体，经节流阀G1至经济器E中，上部产生的闪发气体，通过补气口进入处在压缩阶段的基元容积中，与原有气体混合继续被压缩；
下部的液体经节流阀G2第二次节流后，进入蒸发器F中制冷。
进入蒸发器的制冷剂液体，经过二次节流，且二次节流前与进入补气口的气体的温度相同。
无论是一次节流还是二次节流，都是使进入蒸发器的制冷剂过冷，因而制冷量增加。
同时补气后使基元容积中气体质量增加，压缩功也有一定的增大。
但增大速率比制冷量增加得慢，所以制冷系数提高，具有节能效果。
节能效益的大小与工质性质及工况有关，用R502最好，其次是R12及R22，而R717最小；
低温工况下的节能效果十分显著，当冷凝温度不变，蒸发温度越低时，其循环的制冷系数提高得越多。
据有关文献介绍，对于蒸发温度在－15～－40℃范围内的低温工况，制冷量增大19％~44％，制冷系数提高7％~30％。
另外，带经济器的螺杆制冷机有较宽的运转条件，单级压力比大，卸载运行时能实现最佳运行；
加工基本与单级螺杆相同，制冷系统中阀门和设备增加不多，故目前应用越来越广泛。
第三节螺杆式制冷压缩机的构造及工作参数
一、总体结构
目前应用于制冷系统上的多为喷油式螺杆压缩机，且大都采用单级开启式结构形式。
有些小型氟利昂螺杆压缩机采用半封闭式或全封闭式的结构。
螺杆压缩机的结构如图3—5所示。
它的主要组成部分是转子、机体、轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置等。
（1）机壳
由机体、吸气端座和排气端座组成，是压缩机的主要组成部分。
机体2是连接各零部件的中心部件，它为各零部件提供正确的装配位置，保证阴、阳转子3和7在气缸内啮合，可靠地进行工作。
其端面形状为∞形，这与两个啮合转子的外圆柱面相适应，使转子精确地装入机体内。
在机体内壁面设有符合转子转角要求的径向吸气孔口9，保证转子在旋转中顺利实现吸气过程。
供调节能量用的卸载活塞10和卸载滑阀12，可根据实际需要实现输气量调节。
机体上还钻有回油孔，以便及时把润滑轴承、轴封和平衡活塞流出的油、以及二次油分离器和能量调节机构的回油等输送回气缸，随排气带走或停机后放掉。
吸、排气端座是位于机体前后两端的密封连接件，它除作机体的端面密封外，更重要的是提供了阴、阳转子和支承转子的轴承装配位置；
轴向的吸、排气孔口9和13以及压缩机与管道系统的连接安装位置。
它也是压缩机气体输入和输出的重要通道。
另外，吸气端座还容纳和支承着移动能量调节机构的卸荷油缸、平衡转子轴向力的平衡活塞和油缸、油腔、内油道及回油孔等；
排气端座容纳和支承着轴封、滑阀位移腔、油腔、内油道及回油孔等。
吸、排气端座的端面为平面，与转子的端面贴合形成端面密封，而与机体端平面的密封采用密封胶或O形环来达到的，连接用螺钉来实现。
由于机体有内部喷油，可直接降低缸体内部温度，所以无需冷却水夹套，而是在机壳外设肋，既加强机壳强度，也附有散热作用。
机壳常用灰铸铁如HT200等铸成。
（2）转子
它是实现变容式压缩的主要部件，由阴、阳转子3和7组成，材料常用球墨铸铁如QT600—3。
转子齿形是用高精度的专用机床、专用刀具加工而成，是压缩机的关键零件之一。
转子型线常为单边非对称摆线——圆弧型线，阳转子4个齿，阴转子6个齿，以使两转子的抗弯强度大致相等。
一般阳转子与电动机联接为主动转子，传递转矩，同时、通过啮合关系带动阴转子（从动转子）旋转。
两转子的径向负荷由两对主轴承承担，阴转子的轴向负荷由一对角接触球轴承承担，阳转子的轴向负荷较大，由一对角接触球轴承和平衡活塞共同承担。
（3）轴承
轴承是支承阴、阳转子，并保证转子高速旋转的零件。
完成上述功能的这种轴承叫主轴承，其结构型式一般为滑动轴承。
其次，转子在旋转并压缩气体时，会产生一种轴向推力，为了克服这种轴向力，还必须有推力轴承（滚动轴承）。
这种轴承叫副轴承，它除克服转子旋转的轴向力之外，还可以承受部分径向力。
所以，主、副轴承在螺杆式压缩机中必不可少，它们使转子始终处在正常工作位置。
主轴承是经精密加工的钢背耐磨合金制成，有进油孔、油槽及泄油槽。
正确地安装在吸、排气端座内，并用柱销固定位置。
副轴承装在排气侧，在阴、阳转子上各装两只。
为了保持转子的排气端面与排气端座之间有必要的间隙；
在副轴承的一侧装有调整块。
（4）平衡活塞
平衡活塞位于阳转子吸气端的主轴颈尾部，用来减轻由于排气侧与吸气侧之间的压力差，引起对主轴承端面的负荷，减轻副轴承所承受的轴向力。
采用平衡活塞来平衡轴向力，可大大减小推力轴承的负荷和几何尺寸，节省金属消耗量。
它是利用高压油注入活塞顶部的油腔内，产生与轴向力相反的压力，使轴向力得以平衡。
（5）轴封
采用摩擦环式机械密封结构，采用标准产品装在主动转子靠联轴器的伸出端上，它是由随轴转动的动环与装在轴封盖上的静环以弹力相互摩擦作为径向密封，聚四氟乙烯及耐油橡胶O形环作为轴向密封。
轴封的冷却及润滑均由高压油来完成。
由于轴封是在较高的压力下工作，所用摩擦材料应具有足够的刚性和强度，常选用耐压强度较高的钢制动环，和弹性模数较大、导热性良好的石墨为静环，其密封口经研磨及抛光加工，使表面粗糙度达Ra＝0.2／μm以上，O形环对氨机用丁晴耐油橡胶，氟机用氯醇橡胶。
（6）能量调节机构
由滑阀、油缸、油活塞、连接件、复位弹簧、四通换向阀（也可用四通电磁换向阀）、油管路及能量指示器等组成，它起调节制冷量的作用。
由铸铁制成的滑阀装在转子与机体的下部衔接处，可以在与气缸轴线平行方向上，由卸载油缸中的活塞带动作往复运动。
滑阀和阀杆是中空的，构成向气缸内喷油的输油管。
输油管与活塞、油缸等相连。
滑阀靠近压缩腔一侧钻有喷油孔，以便在压缩机工作时，向压缩腔喷入润滑油。
滑槽底部开有导向槽，该槽与机体上的导向块配合，使滑阀平稳地往复运动。
压缩机的径向排气口设在滑阀上，根据使用工况不同（即内压缩比不同），分别设置几组滑阀，其上所开径向排气口与各工况下的容积比相对应，用户可根据使用工况选用其中一组滑阀装入机器上即可。
利用滑阀可以实现制冷量的无级调节，冷量在10％～100％的范围内，均可以使压缩机正常运转。
能量调节是用改变滑阀位置来实现的，而滑阀的位置是由油活塞的位置决定。
油活塞的位置则由四通阀控制，可由自动或手动来完成。
滑阀移动时，装在滑阀导管内的螺旋机构将滑阀的移动变为指针的转动，指示出滑阀所处位置。
故能量指示标牌数值仅表示滑阀位移百分数，并不代表能量的百分数。
四通换向阀或四通电磁换向阀装在靠近压缩机的机架上，阀的一侧两个接头接进油与排油管，另一侧的两个接头接油缸的两端。
（7）消声器
噪声来源于压缩气体动力噪声、旋转噪声和电动机噪声等。
最常用的消声方法是采用消声器。
消声器有扩张室消声器。
（共振腔式消声器）和吸收式消声器等。
在螺杆制冷压缩机组中，采用共振腔式消声器安装在组合式多功能油分离器内，可以较大幅度降低排气噪声。
同时，用于降低吸气噪声的吸气消声器装在吸气管道中，也具有较好的消声效果。
二、转子及端面齿形
螺杆式制冷压缩机的主要工作零件是一对具有螺旋形齿的阴、阳转子。
转子的齿面又称型面。
型面为螺旋形的空间曲面，两齿啮合，其型面的接触线为空间曲线。
随着转子的旋转，接触线由吸入端向排出端推移，完成基元容积的吸入、压缩、排出的工作过程。
所以接触线是基元容积的活动边界，它把齿间容积分成为两个不同的压力区，起到隔离基元容积的作用。
垂直于转子轴线的端部平面与型面的截交线称为端面齿形（简称齿形），是一条平面曲线，它作螺旋运动就形成了螺杆齿面。
阴、阳转子齿形在端平面上啮合运动的啮合点轨迹，叫做齿形的啮合线，它也是平面曲线。
显然，啮合线是接触线在端平面上的投影。
为了保障螺杆式制冷压缩机的性能，螺杆齿形除应满足一般啮合运动的要求，保证转子连续稳定地运转外，还应满足以下几点基本要求：
1）螺杆齿形在啮合过程中，要求压缩、排出和吸入区之间的气密，或称为横向气密性。
这可通过确保接触线连续来保证。
如前所述，在端平面上表现为啮合线应是连续封闭曲线；
2）螺杆齿形在啮合过程中，应具有基元容积之间的气密性，或称为轴向气密性。
这可通过啮合线的顶点与两螺杆外圆周交点重合来保证。
3）两转子应具有尽可能短的接触线长度，以保证最小的总间隙面积。
因为在实际压缩机中，型面往往并不接触，而保证一定间隙δ方，总间隙面积
，即为转子实际接触线长度与间隙值δ的乘积。
4）螺杆齿形应具有较大的面积利用系数，以提高输气量。
此外，从制造、运转角度考虑，螺杆齿面要有足够的强度和刚度，以及良好的工艺性等。
螺杆式压缩机按照齿形的型线，可分为对称圆弧型线和非对称圆弧型线两种。
前者制造较简单，后者则排量大、效率高。
通常把齿顶中心线两边的齿形完全相同的型线，称为对称型线；
反之，齿顶中心线两边的齿形不同的型线称为非对称型线。
只在转子节圆的内侧或外侧一边具有型线，称为单边型线；
节圆内外均具有型线则称为双边型线。
在实际运用中，常采用圆弧、摆线以及椭圆等多段特殊曲段，组成螺杆式压缩机转子的各种型线。
国产螺杆式制冷压缩机多采用单边不对称摆线—圆弧型线，如图3—6所示。
其中阴转子齿形型线由下列各段组成ab—径向直线；
bc—圆弧，圆心在节圆上，半径R;
cd—伸长外摆线；
d—点；
de--直线（修正段）；
el—圆弧，圆心在o2上，直径D2j。
阳转子齿形型线由下列各段形成：
fg—正常外摆线，它与直线ab形成共轭；
gh—圆弧，圆心在节圆上，半径R,它与圆弧bc形成共轭；
h—点，它与外摆线cd形成共轭；
hi—缩短外摆线，它与点d形成共轭;
ij—正常外摆线，它与直线de形成共轭；
jk—圆弧，圆心在o1上，直径D1j，它与圆弧el形成共轭。
三、输气量调节装置
螺杆制冷压缩机常用滑阀调节能量，即在两个转子高压侧，装上一个能够轴向移动的滑阀，来调节能量和卸荷启动。
滑阀调节能量的原理，是利用滑阀在螺杆的轴向移动，以改变螺杆的有效轴向工作长度，使能量在100％和l0％之间连续无级调节。
能量调节主要与转子有效的工作长度有关。
图3—7为滑阀的移动与能量调节的原理图。
图（a）示出全负荷时滑阀的位置。
当滑阀尚未移动时，滑阀的后缘与机体上滑阀滑动缺口的底边紧贴，滑阀的前缘则与滑动缺口的剩余面积组成径向排气口。
此时，基元容积中，充气最大。
由吸入端吸入的气体经转子压缩后，从排气口全部排出，其能量为100％，如图3—7（b）实线所示。
当高压油推动油活塞和滑阀向排出端方向移动时，滑阀后缘随之被推离固定的滑动缺口的底边，形成一个通向径向吸气孔口的、可为压缩过程中气体的泄逸孔道，如图3—7（c）所示，减少了螺杆的工作长度，即减少了吸入气体的基元容积，如图（b）中虚线所示，排出气体减少，而吸进的气体，未进行压缩（此时接触线尚未封闭）就通过旁通口进入压缩机的吸气侧，因此减少了吸气量和制冷剂的流量，起到了能量调节的作用。
泄逸通道的大小取决于所需要的排气量大小。
滑阀前缘与滑动缺口形成的排气口面积（即径向孔口）同时缩小，达到改变排气量的目的。
此时，调节指示器指针指出相应的改变排量的百分比。
当滑阀继续向排出端移动时，制冷量随排量的减少而连续地降低。
因而能量便可进行无级调节。
当泄逸孔道接近排气孔口时，螺杆工作长度接近于零，便能起到卸载启动的目的。
能量调节分手动和自动，但控制的基本原理都是采用油驱动调节。
该系统基本上由三部分构成：
供油、控制和执行机构。
供油机构有油泵及压力调节阀；
控制机构有四通电磁阀或油分配阀；
执行机构有滑阀、油活塞及油缸等。
（1）手动能量调节控制系统
它是常用的调节系统，其工作原理如图3—8所示。
当螺杆压缩机需要卸载时，转动油分配阀，使1，4接通，供油系统通过油泵D，将高压油经1～4管路向油缸左侧供油，高压油推动油活塞A向右侧移动，此时油活塞右侧的油被活塞挤压，经3～2孔道流入低压侧，进入压缩机，然后返回油箱E。
油活塞A带动滑阀，离开机体上滑动缺口的底部，实现了减荷控制。
反之，若转动油分配阀，接通1～3和2～4，则高压油进入油活塞A的右侧，推动活塞左移，促成滑阀的反向动作，即实现增荷控制。
手动操作的缺点是：
需要操作人员严密控制，工人劳动强度增大，而且能量增减难以保证及时、准确。
（2）四通电磁阀控制系统
该系统是采用四通电磁阀取代用人工操作的手动油分配阀，便于实现能量调节的半自动或自动控制，其控制系统见图3—9所示。
减荷时，电磁阀D和C开启，由油泵3来的高压油，经电磁阀C被送到油活塞1左侧，推动活塞向右移动，带动滑阀向排气端移动，达到减少负荷的目的。
同时，油活塞右移，油缸内的油经电磁阀D被排回油箱。
增荷时，电磁阀B和A开启，油活塞1右侧获得高压油，活塞左移，得到增荷调节。
需要滑阀停留在某一定位置时，只要在此位置不接通电磁阀或油分配阀即可。
油缸两边的油既不能流进，也不能流出，滑阀此时不会，左右移动而处在一定位置上，即相应某一固定的能量。
第四节螺杆式制冷压缩机的性能
一、输气系数
输气系数也称容积效率，是换算到吸入状态时的实际排气量与理论排气量之比。
输气系数表示压缩机转子齿间容积利用的程度，是衡量机器设计制造优劣的重要指标。
对于螺杆式制冷压缩机，工况不同时，输气系数不同，大致为0.7～0.92，小输气量高压比时取下限，大输气量低压比时取上限。
由于螺杆压缩机无进、排气阀和余隙容积，新齿形的应用和喷油使密封和冷却效果大大改善，故其输气系数比活塞式及其它类型的回转式压缩机都高，而且变化平坦。
影响输气系数的因素主要有：
1）泄漏气体通过间隙泄漏，有外泄漏与内泄漏之分。
外泄漏为高压气体向吸气管道或正在吸气的齿腔的泄漏；
内泄漏为与吸气管隔离的基元容积间的泄漏。
外泄漏才对容积效率有影响，而内泄漏只增加功耗。
2）吸入损失气体经吸入管道和孔口产生的动力损失，使吸入压力降低，减少了吸入气体的密度，相应地减少了压缩，机吸入的气体量。
3）加热损失转子和机体受到被压缩后高温气体的加热，具有比吸入气体高得多的温度。
在吸气过程中，低温气体受到吸气管、转子、机体以及喷入油的加热而膨胀，相应减少了压缩机吸入的气体量。
4）封闭容积以及气体随转子旋转受到的离心力，也会影响气体吸入量。
影响容积效率的诸因素中，最主要的是泄漏。
而泄漏的大小又与工况、喷油状态、圆周速度、齿形、间隙大小以及制造精度等有关。
二、内压缩与功率
（1）内压缩与附加损失
螺杆压缩机是无气阀的容积型回转式压缩机，吸排气孔口的启闭完全为几何结构所定，以控制吸气、压缩、排气和所需要的内压缩压力。
当齿间容积与吸气孔口联通时，容积扩大而吸气；
当与吸气孔口隔绝后，容积缩小，压力升高；
而与排气孔
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