螺桿壓縮機(jī)概述及原理應(yīng)用

螺桿壓縮機(jī)概述及原理應(yīng)用第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四Contents螺桿壓縮機(jī)參考文獻(xiàn)LG300無油螺桿壓縮機(jī)燃料電動(dòng)車雙螺桿壓縮機(jī)工作原理基本機(jī)構(gòu)第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

螺桿式空氣壓縮機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)始于1950年，由于結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、外形緊湊、排氣溫度低、質(zhì)量輕、不怕氣體中帶液和帶塵壓縮等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外得到了飛速的發(fā)展。目前，在我國礦山開采領(lǐng)域其發(fā)展速度已超過活塞式空氣壓縮機(jī)。隨著螺桿式空氣壓縮機(jī)的更新?lián)Q代，具備了高性能配置、高效率、高可靠性、高度智能化、友好的人機(jī)界面、安裝費(fèi)用低、適應(yīng)國內(nèi)電源、運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。因此，在今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，小容量空氣壓縮機(jī)將以螺桿式為主。第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四螺桿式壓縮機(jī)實(shí)物第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

通常所稱的螺桿壓縮機(jī)即指雙螺桿式壓縮機(jī)、與活塞壓縮機(jī)等其他類型的壓縮機(jī)相比，螺桿壓縮機(jī)是一種比較新穎的壓縮機(jī)。

第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四螺桿式壓縮機(jī)剖面圖及轉(zhuǎn)子第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四雙螺桿壓縮機(jī)示意圖第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四螺桿壓縮機(jī)的工作原理

螺桿壓縮機(jī)的工作循環(huán)可分為吸氣、壓縮和排氣三個(gè)過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)，為簡單起見，這里只研究其中的一對齒。吸氣過程第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四螺桿壓縮機(jī)的工作原理壓縮過程第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四螺桿壓縮機(jī)的工作原理排氣過程第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)①螺桿式壓縮機(jī)只有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，沒有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此壓縮機(jī)的平衡性好，振動(dòng)小，可以提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。②螺桿式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，重量輕，無吸、排汽閥，易損件少，可靠性高，檢修周期長。③在低蒸發(fā)溫度或高壓縮比工況下，用單級壓縮仍然可正常工作，且有良好的性能。這是由于螺桿式壓縮機(jī)沒有余隙，沒有吸、排汽閥，故在這種不利工況下仍然有較高的容積效率。④螺桿式壓縮機(jī)對濕壓縮不敏感。⑤螺桿式壓縮機(jī)的制冷量可以在10%一100%范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，但在40%以上負(fù)荷時(shí)的調(diào)節(jié)比較經(jīng)濟(jì)。第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四螺桿壓縮機(jī)的分類及應(yīng)用

螺桿壓縮機(jī)有很多種分類方法:按運(yùn)行方式的不同，分為無油壓縮機(jī)和噴油壓縮機(jī)兩類;按被壓縮的氣體種類和用途的不同，分為空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)和工藝壓縮機(jī)三種；按結(jié)構(gòu)形式不同，分為移動(dòng)式和固定式、開啟式和封閉式等。常見的螺桿壓縮機(jī)分類如下表：第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四雙螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)通過將一固定量的氣體封閉在基元容積中，減小體積來獲得氣體壓力的增加。改變排氣口的位置，出口壓力也隨之改變:改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以方便地改變壓縮機(jī)的輸出流量，這樣的工作機(jī)理使得流量和壓力之間的耦合性比較小，不會(huì)出現(xiàn)隨著流量的變小而產(chǎn)生壓力比迅速降低的現(xiàn)象。1)雙螺桿壓縮機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)容積式的壓縮機(jī)第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四雙螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)2)雙螺桿壓縮機(jī)可以和直流無刷電機(jī)直接相連，不需要附加機(jī)構(gòu)

和直流無刷電機(jī)的直聯(lián)將降低機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，相對于活塞式這樣往復(fù)式的壓縮機(jī)，雙螺桿壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可靠性高，調(diào)節(jié)方便的優(yōu)勢。3)雙螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，零部件不宜損壞

和機(jī)構(gòu)情況相類似的單螺桿壓縮機(jī)作比較，從可靠性上來看，單螺桿壓縮機(jī)的星輪是易損部件，除對星輪材料有較高要求外，星輪還需定期更；在新機(jī)狀態(tài)下，單螺桿壓縮機(jī)和雙螺桿壓縮機(jī)的效率基本相同，但隨運(yùn)行時(shí)間增加，單螺桿壓縮機(jī)的星輪磨損將導(dǎo)致氣量減少和效率降低；從加工設(shè)備方面來看，單螺桿壓縮機(jī)沒有成熟的專用加工設(shè)備，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品的性能不是很穩(wěn)定，雙螺桿壓縮機(jī)己有成熟的螺桿專用銑床和磨床，可確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定。第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)子型線

型線影響到螺桿壓縮機(jī)哪些方面？

轉(zhuǎn)子能否正確嚙合壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)性泄漏三角形接觸線長度余隙容積面積利用系數(shù)流線型壓縮機(jī)可靠性足夠強(qiáng)度和剛度轉(zhuǎn)子加工刀具容易設(shè)計(jì)，便于磨刀滿足嚙合要求應(yīng)形成長度較短的連續(xù)接觸線應(yīng)形成較小面積的泄露三角形應(yīng)使封閉容積較小應(yīng)使齒間面積盡量大第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四雙螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)：雙螺桿壓縮機(jī)的陰陽轉(zhuǎn)子可以看作是一對相互嚙合的斜齒輪，因此，雙螺桿壓縮機(jī)的陰陽轉(zhuǎn)子型線也要滿足嚙合定律，即不論在任何位置，經(jīng)過型線接觸點(diǎn)的公法線必須通過節(jié)點(diǎn)。但雙螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)與普通斜齒輪又有很大不同。普通斜齒輪的主要任務(wù)是在兩根平行軸之間的任意傳動(dòng)方向上，強(qiáng)制傳動(dòng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率。在雙螺桿壓縮機(jī)中，轉(zhuǎn)子之間的動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)和由此引起的齒面接觸應(yīng)力都是次要的。事實(shí)上，無油雙螺桿壓縮機(jī)的陰陽轉(zhuǎn)子并不接觸，兩者之間的動(dòng)力傳動(dòng)是通過同步斜齒輪來完成的。第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四雙螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線的要求，主要是要在齒間容積之間有優(yōu)越的密封性能，因?yàn)檫@些齒間容積是實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的工作腔，對雙螺桿壓縮機(jī)性能有重大影響的轉(zhuǎn)子型線要素有：接觸線泄露三角形密封容積齒間面積第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四雙螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.接觸線雙螺桿壓縮機(jī)的陰、陽轉(zhuǎn)子嚙合時(shí)，兩轉(zhuǎn)子齒面相互接觸而形成的空間曲線稱為接觸線。接觸線的一側(cè)是氣體處于壓力較高的壓縮和排氣過程，另一側(cè)的氣體則處于壓力較低的吸氣過程。如果轉(zhuǎn)子齒間容積的接觸線不連續(xù)，則處于高壓力區(qū)的氣體將通過接觸線中斷缺口，向低壓區(qū)泄漏。2.泄漏三角形雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子接觸線的頂點(diǎn)，通常不能同時(shí)到達(dá)陰陽轉(zhuǎn)子氣缸孔的交線，在接觸線頂點(diǎn)和機(jī)殼的轉(zhuǎn)子氣缸孔之間，就會(huì)形成一個(gè)空間曲邊三角，成為泄漏三角形。通過泄漏三角形，氣體將從壓力較高的齒間容積，泄漏到鄰近壓力較低的齒間容積。從嚙合線頂點(diǎn)的位置，可定向反應(yīng)泄漏三角形面積的大小。若嚙合線頂點(diǎn)距離陰、陽轉(zhuǎn)子齒定圓交點(diǎn)較遠(yuǎn)，則說明泄漏三角形面積較大。第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四雙螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.封閉容積如果在齒間容積開始擴(kuò)大時(shí)，不能立即開始吸氣過程，就會(huì)產(chǎn)生吸氣封閉容積。由于吸氣封閉容積的存在，使齒間容積在擴(kuò)大的初期，其內(nèi)的氣體壓力低于吸氣孔口處的氣體壓力。在齒間容積與吸氣孔口相連通時(shí)，其內(nèi)的氣體壓力會(huì)突然升高到吸氣壓力，然后才能進(jìn)行正常的吸氣過程。所以，吸氣封閉容積的存在，影響了齒間容積的正常充氣。4.齒間面積齒間面積是齒間容積在轉(zhuǎn)子端面上的投影。轉(zhuǎn)子齒間面積越大，轉(zhuǎn)子的齒間容積就越大。第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四燃料電動(dòng)汽車的發(fā)展

汽車保有量的增加、石油危機(jī)燃料電動(dòng)車的產(chǎn)生資源匱乏，環(huán)境污染嚴(yán)重提高內(nèi)燃機(jī)的效率，尋找新的環(huán)保的可替代能源第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展

目前存在新型能源汽車從驅(qū)動(dòng)方式上可以區(qū)分為代用燃料和電動(dòng)汽車兩類。代用燃料汽車仍然使用利用燃料燃燒釋放能量的內(nèi)燃機(jī)，按燃料種類可以分成天然氣汽車、醇類汽車、二甲醚汽車和混合燃料車等。天然氣汽車是目前研究最成熟、使用量最大的低排放清凈汽車，汽車使用天然氣作為燃料，其優(yōu)點(diǎn)在于冷啟動(dòng)性能好、燃燒完全、排放低、不易產(chǎn)生積碳、不會(huì)稀釋潤滑油，使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件磨損大大減少，能夠成倍提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和潤滑油使用期限，從而降低汽車保養(yǎng)和運(yùn)行費(fèi)用，提高汽車使用的經(jīng)濟(jì)性。缺點(diǎn)在于和同樣排量的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)相比其動(dòng)力性略有不足，此外，天然氣易燃和有毒特性也需要在使用過程中需要給予特別注意。第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展

汽車使用氫燃料電池，利用氫和氧化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電、熱和水蒸氣，唯一的副產(chǎn)品就是水，而水又是制備氫的唯一原料，因此車載氫燃料電池不僅在工作過程中能夠真正達(dá)到排放零污染，而且在燃料消耗和制備循環(huán)中也是清潔的。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)最有希望成為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，其工作原理為經(jīng)過濕潤的氫氣(H2)和氧氣(02)分別通入到燃料電池的陽極室和陰極室，并在催化劑作用下發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。陽極反應(yīng)生成的質(zhì)子(H+)通過質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到陰極，陽極反應(yīng)生成的電子通過外電路達(dá)到陰極，生成的水以水蒸氣或冷凝水的形式隨過剩的陰極反應(yīng)氣體從陰極室排出。其核心部件為發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)子交換膜。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展

右圖為質(zhì)子交換膜的系統(tǒng)圖，空氣通過壓縮機(jī)增壓之后，經(jīng)過加濕處理送入到燃料電池反應(yīng)堆，和來自于氫源的氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，輸出電能用于動(dòng)力輸出。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四燃料電池對壓縮機(jī)的要求環(huán)境無油工作效率高無油雙螺桿壓縮機(jī)AB低噪聲D體積要小C燃料電池需要壓縮機(jī)壓縮提供的氧氣才能進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生電能第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四LG300型無油螺桿空氣壓縮機(jī)西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所研制對于螺桿壓縮機(jī)而言，型線設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要綜合考慮轉(zhuǎn)子型線的嚙合要求、連續(xù)的接觸線、加工性能等因素。針對具體設(shè)計(jì)要求，課題組專門開發(fā)了一種轉(zhuǎn)子新型線。該型線的特征是雙邊非對稱，所有組成齒曲線均為圓弧或圓弧包絡(luò)線，可降低通過接觸線的橫向泄漏，提高壓縮機(jī)效率。另外，還改善了轉(zhuǎn)子的加工性能．便于采用多種方法進(jìn)行加工。所設(shè)計(jì)型線的端面圖形和嚙合線下圖所示，第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四吸、排氣孔口設(shè)計(jì)

吸氣孔口：

螺桿壓縮機(jī)吸氣孔口的合理位置和形狀，是實(shí)現(xiàn)氣體壓縮過程的必備條件，也是影響壓縮機(jī)效率的重要因素。在實(shí)際設(shè)計(jì)中?？紤]到以下要求：盡量減少吸氣封閉容積的影響；保證齒間容積獲得最大程度的充氣，以提高機(jī)器的容積利用率；氣體在吸氣孔口處及齒間容積內(nèi)流動(dòng)損失要小。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，可以確定陽、陰轉(zhuǎn)子軸向吸氣角，進(jìn)而得出螺桿壓縮機(jī)吸氣端面上的徑向吸氣孔口。第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四吸、排氣孔口設(shè)計(jì)排氣孔口：螺桿壓縮機(jī)排氣孔口的位疑和形狀，應(yīng)保證氣體在齒間容積內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的內(nèi)壓縮．以提高機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性?？紤]到所設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的實(shí)際應(yīng)用場合和范圍，內(nèi)容積比按2設(shè)計(jì)，由文獻(xiàn)[2]可以計(jì)算得到具體的排氣角，如圖4。第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四刀具設(shè)計(jì)

在加工一般空間曲面時(shí)，刀具回轉(zhuǎn)面同工件面之間形成一條空間接觸線，在該接觸線上任一點(diǎn)，兩個(gè)曲面存在公法線。據(jù)此，可導(dǎo)出加工一般空間曲面的接觸條件式。求解導(dǎo)出的接觸條件式。同時(shí)考慮嚙合間隙．可以得到刀具刃形。第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四樣機(jī)結(jié)構(gòu)總體布置

由于水的潤滑效果不如油，一般不允許螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子直接接觸，所以陽轉(zhuǎn)子是通過高精度的同步齒輪驅(qū)動(dòng)陰轉(zhuǎn)子的。并且陰轉(zhuǎn)子上的同步齒輪是可調(diào)式的，以確保轉(zhuǎn)子間的嚙合間隙處于理想范圍?？傮w布置如右圖。第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四軸承選用及材料選擇

由于要求壓縮空氣中絕對無油，故選用的滾動(dòng)軸承不能靠壓力油來潤滑，而只能選用脂潤滑。最后確定的軸承選用方案為：在排氣端配置角接觸球軸承，進(jìn)氣端配置具有內(nèi)圈油封的滾針軸承。LG300型無油螺桿空氣壓縮機(jī)采用噴水冷卻，所有零件的材料都要符合防銹要求。機(jī)體、排氣端蓋和齒輪罩蓋3部分采用了鑄鋁，加工方便，重量輕，散熱好。陰、陽轉(zhuǎn)子用料為不銹鋼。對于同步齒輪，由于裝在齒輪蓋中．在罩蓋的底部存油．用齒輪本身濺油的方式潤滑，齒輪可用一般的材料。第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四軸封選型

采用噴水冷卻后，須解決的另一個(gè)問題就是壓縮腔與軸承腔的密封，要嚴(yán)格防止含水的壓縮空氣侵入軸承腔。否則既影響軸承和齒輪的壽命．