第五章单螺杆压缩机-8学时.ppt

第第5 5章章 单螺杆压缩机单螺杆压缩机吴伟烽吴伟烽西安交大压缩机研究所西安交大压缩机研究所20132013主要内容1.发展历史与现状发展历史与现状2.工作原理及主要特点工作原理及主要特点3.主要几何参数确定主要几何参数确定4.型线及啮合副加工型线及啮合副加工5.容积流量与气量调节容积流量与气量调节6.结构与系统结构与系统1、发展历史与现状1、发展历史及现状、发展历史及现状l 1949年年 单螺杆压缩机的雏形来自于年由英国单螺杆压缩机的雏形来自于年由英国J．．w．．Goodyear提出的提出的“压能压能变换装置变换装置”专利专利l 1960年法国年法国辛麦恩辛麦恩（（B.Zimmern）提出单螺杆压缩机并获得专利权）提出单螺杆压缩机并获得专利权l 1962年年试制出第一台样机，该样机转速达到试制出第一台样机，该样机转速达到5000rpm,5000rpm,功率为功率为7.46kW7.46kW，样机经，样机经受了受了1000h1000h的寿命试验的寿命试验l 70年代初期由法国标致汽车公司正式生产投放市场年代初期由法国标致汽车公司正式生产投放市场l 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l 80年代末又发展制造出石化、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矿山等压缩各种气体的单螺杆压缩机缩机l 英、法、美、日、荷兰等国家英、法、美、日、荷兰等国家的厂商可以生产出不同规格单螺的厂商可以生产出不同规格单螺杆压缩机杆压缩机 l浮动星轮、喷油、滑阀浮动星轮、喷油、滑阀我国单螺杆压缩机的发展历史l1975～～1988l1975年北一通首先开始研制单螺杆空压机，年北一通首先开始研制单螺杆空压机，76年试制出年试制出9立方单螺杆空立方单螺杆空压机。

压机 l经过实践后，发现加工、制造是当时的关键技术经过实践后，发现加工、制造是当时的关键技术l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计并采用专用机床加工l1989～至今～至今l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、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主机结构、油气分离直至各系统 ；；l设计制造完成了第三代加工蜗杆、星轮片专机设计制造完成了第三代加工蜗杆、星轮片专机 ；；l星轮片材质的改进；星轮片材质的改进；l90年代后期的市场机遇年代后期的市场机遇主要的生产厂商主要的生产厂商l日本日本 三井精机公司（三井精机公司（MITSUR SEIKI）） 小松制作所（小松制作所（KOMATSU）） 大金工业公司（大金工业公司（DAIKIN INDUSTRIES）） 三菱电机公司（三菱电机公司（MITSUBISHI ELECTRIC）） 岩田涂装机工业公司（岩田涂装机工业公司（IWATA AIR COMPRESSOR MGT）） l美国美国 德莱塞德莱塞—兰德公司（兰德公司（DRESSER-RAND）） Vilter(被艾默生收购被艾默生收购) 芝加哥风动公司（芝加哥风动公司（CHICAGO PNEUMATIC, GRIMMER SCHMIDT ) 美国海军（美国海军（US NAVY））l法国法国 标致汽车公司（标致汽车公司（PEUGOT）克利贝里公司（）克利贝里公司（CREPLLE）） l英国英国 APV公司（公司（APV HALL PRODUCTS）（）（McQuay）） l荷兰荷兰 格拉莎公司（格拉莎公司（GRASSO））l国内国内 上海飞和、佳力士、施奈德、普度、顺德正力精工上海飞和、佳力士、施奈德、普度、顺德正力精工主要的生产厂商主要的生产厂商l单螺杆空压机单螺杆空压机 日本三井精机公司(MITSUR SEIKI) 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(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(IWATA AIR COMPRESSOR MGT) P C型，压力为0.7、1.0、1.2MPa，排气量从0.2到5.8m3/min主要的生产厂商主要的生产厂商l 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。

l 美国芝加哥风动公司(CHICAGO PNEUMATIC)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l 荷兰GRasso单螺杆制冷压缩机，87年停产 lDRESSER-RAND单螺杆工艺压缩机，最高达6MPa，已停产 主要的生产厂商主要的生产厂商l上海飞和实业有限公司固定式压缩机 移动式压缩机 防暴压缩机主要的生产厂商主要的生产厂商l顺德市正力精密机械有限公司移动式空压机 固定式空压机2、单螺杆压缩机的工作原理与特点、单螺杆压缩机的工作原理与特点单螺杆压缩机啮合副的类型a）PC型  b）PP型  c）CP型型  d）CC型 螺杆压缩机的一个螺杆压缩机的一个螺杆可与两个或两螺杆可与两个或两个以上星轮啮合个以上星轮啮合螺杆螺杆和和星轮星轮按其外按其外形可分为形可分为圆柱型圆柱型( (C Cylinder)ylinder)和和平面平面型型( (P Plane)lane)基本结构基本结构 l主要零部件：l基元容积组成： 螺杆齿槽 机壳内壁 星轮齿顶相当于六缸双作用的活塞式压缩机CPCP型单螺杆压缩机型单螺杆压缩机1 1－螺杆－螺杆 2 2－星轮－星轮 3 3－机壳排气口－机壳排气口 4 4－－主轴主轴5 5－气－气缸缸 6 6－星轮窗口－星轮窗口 7 7－排气腔－排气腔 8 8－吸气腔－吸气腔工作原理及特点工作原理及特点（（1 1）吸气过程）吸气过程 螺杆螺槽在星轮齿尚未啮入前与吸气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，此时吸气过程位置，星轮齿将螺槽封闭，此时吸气过程结束2 2）压缩过程）压缩过程当吸气过程结束后，螺杆继续转动，随当吸气过程结束后，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，压缩过程结束容积与排气孔口连通时，压缩过程结束3 3）排气过程）排气过程工作容积与排气孔口连通后，随着螺杆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排气管道，直至星轮齿脱离螺槽为止工作原理及特点工作原理及特点b b）压缩）压缩a a）吸气）吸气c c）排气）排气 工作过程图 9‑3 单螺杆螺杆压缩基元容基元容积V，，压力力p与星与星轮转角角a a2的关系的关系主要特点主要特点l结构合理，具有理想结构合理，具有理想的力平衡的力平衡l不受任何径向或轴不受任何径向或轴向气体力向气体力l星轮齿所受的气体星轮齿所受的气体力很小力很小l单机容量大，无余隙容积：单机容量大，无余隙容积：l螺杆每转一周，每一螺槽均使用两次，螺螺杆每转一周，每一螺槽均使用两次，螺槽充分利用。

槽充分利用l螺杆螺槽深度随压缩腔压力升高而减浅，螺杆螺槽深度随压缩腔压力升高而减浅，排气结束星轮脱离啮合时，深度为零，理排气结束星轮脱离啮合时，深度为零，理论上不存在余隙容积论上不存在余隙容积l高速轻载，易建立流体动力润滑高速轻载，易建立流体动力润滑啮合副型线要设计合理，易形成油契啮合副型线要设计合理，易形成油契l泄漏三角形小，效率高泄漏三角形小，效率高 理论上，效率比双螺杆高约理论上，效率比双螺杆高约3~5%l结构紧凑，主机体积小结构紧凑，主机体积小 但辅机系统与双螺杆接近但辅机系统与双螺杆接近主要特点主要特点l噪声；l 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l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l由于密封线长，不太适用于高压范围单螺杆与双螺杆压缩机的比较单螺杆与双螺杆压缩机的比较l 力平衡方面l单螺杆压缩机：螺杆承受的径向和轴向气体力可以自动平衡，星轮齿承受气体力，要求星轮齿具有足够的强度和刚度 l双螺杆压缩机：螺杆转子承受较大的径向和轴向气体力，要求螺杆具有足够的强度和刚度。

单螺杆与双螺杆压缩机的比较单螺杆与双螺杆压缩机的比较l效率方面 l单螺杆压缩机：中速（1500～3500r/min）时效率高，直联，比功率5.9～6.4KW/（m3/min） l双螺杆压缩机：高速（3000～7000r/min）时效率高，加增速齿轮，比功率6.0～6.6 KW/(m3/min)  l 随着运行时间增加，单螺杆压缩机的星轮磨损将导致气量减少和效率降低单螺杆与双螺杆压缩机的比较单螺杆与双螺杆压缩机的比较l可靠性方面 l单螺杆压缩机：轴承寿命长；单螺杆压缩机的星轮是易损部件，除对星轮材料有较高要求外，星轮还需定期更换 l双螺杆压缩机：轴承负荷大寿命短；双螺杆压缩机中没有易损件，无故障运行时间长单螺杆与双螺杆压缩机的比较单螺杆与双螺杆压缩机的比较l噪音和振动方面 l单螺杆压缩机：力平衡性好、振动小、噪声低，一般为60～68dB l双螺杆压缩机：力平衡性差、金属螺杆啮合时有高频噪声，64～78 dBl加工设备方面 l单螺杆压缩机：专用加工设备逐步成熟，产品的性能正在提高 l双螺杆压缩机：已有成熟的螺杆专用铣床和磨床，可确保产品性能稳定 单螺杆与双螺杆压缩机的比较单螺杆与双螺杆压缩机的比较l维修性 l单螺杆压缩机：主机机壳采用整体结构后，星轮侧有大窗口，维修方便 。

l双螺杆压缩机：转子轴承寿命较短，更换时须打开机壳，工作量大 单螺杆与双螺杆压缩机的比较单螺杆与双螺杆压缩机的比较l适用性方面 l单螺杆压缩机：由于螺杆受力完全平衡，单螺杆压缩机能在高压下工作，如高压空气压缩机、制冷压缩机和天然气压缩机等美国海军认为对于高压无油压缩机而言，单螺杆压缩机是唯一的选择目前美国是世界唯一拥有高压无油单螺杆压缩机的国家l双螺杆压缩机：由于受到转子刚度和轴承负荷等方面的限制，只能适用于中、低压范围，如动力用空气压缩机、制冷压缩机和低压天然气压缩机等，排气压力一般不超过4.5MPa单螺杆压缩机的技术现状l星轮齿寿命星轮齿寿命1000小时小时->近近6000小时，实测结果显示，小时，实测结果显示，某品牌压缩机在运行某品牌压缩机在运行6000小时后，排气量下降小时后，排气量下降19.2％发展趋势发展趋势l 螺杆型线设计及加工螺杆型线设计及加工( (心脏心脏））l设计性能良好的螺杆型线，改善加工工艺l研制相应的制造设备，提高单螺杆啮合精度和热力性能l 性能模拟和优化性能模拟和优化l内部工作过程计算机模拟和关键零部件的变形计算，预测和优化机器的性能，改进机器的结构l 减小辅机体积，降低成本减小辅机体积，降低成本l将喷油改为喷水(空压机)或喷制冷液(制冷机)，从而省去了油路系统l需解决轴承的密封和润滑．星轮齿磨损后的补偿及零部件的防锈等。

l采用折衷方法，即减少喷油量，适当喷人一定数量制冷液，减小油气分离器的体积l完善规格品种，扩大使用范围完善规格品种，扩大使用范围l扩大参数范围l向工艺气体压缩机领域发展也是一个重要趋势如美国Dresser-Rand公司开发的TVC单螺杆压缩机已成功应用于天然气集气等领域3、主要几何参数、主要几何参数l螺杆头数和星轮齿数螺杆头数和星轮齿数l要求：要求：1.容积利用率容积利用率2.互质互质3.对称结构的影响对称结构的影响l标准组合标准组合Z1=6，，Z2=11，，螺杆和星轮的直径、中心距l大小取决于压缩机的排气量大小取决于压缩机的排气量l给定螺杆和星轮直径给定螺杆和星轮直径，中心距、齿宽、齿长的关系，，中心距、齿宽、齿长的关系，保证保证容积利用率最高容积利用率最高l星轮齿过长会使星轮装入螺杆齿槽时发生困难星轮齿过长会使星轮装入螺杆齿槽时发生困难l螺杆与星轮的中心距螺杆与星轮的中心距A一般取一般取0.8倍左右的螺杆直倍左右的螺杆直径径d1一般一般螺杆与星轮等径螺杆与星轮等径，，适当增大星轮直径提高适当增大星轮直径提高容积利用率，一般取直容积利用率，一般取直径比为径比为1~1.1啮合角l星轮齿从啮入螺杆齿槽开始到完全脱离齿槽星轮齿从啮入螺杆齿槽开始到完全脱离齿槽止，星轮所转过的角度称为啮合角止，星轮所转过的角度称为啮合角a at星轮齿形状与齿宽等宽齿形，顶部为圆弧形等宽齿形，顶部为圆弧形星轮齿宽星轮齿宽b的大小与螺杆齿槽容积及槽肋的的大小与螺杆齿槽容积及槽肋的厚度相关厚度相关根据星轮齿与螺杆齿槽之间的几何关系，有根据星轮齿与螺杆齿槽之间的几何关系，有 螺杆的轴向尺寸封闭螺旋线（进气孔口）与排气孔口封闭螺旋线（进气孔口）与排气孔口封闭螺旋线（进气孔口）封闭螺旋线（进气孔口）排气孔口排气孔口4、单螺杆的啮合副及加工、单螺杆的啮合副及加工型线的设计要求型线的设计要求l具有良好的流体动力润滑性能l具有良好的加工工艺性具有良好的加工工艺性l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。

l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单螺杆啮合副型线的要求单螺杆啮合副型线的要求l具有良好的密封性能l应尽可能缩短泄漏线长度和泄漏通道的截面积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2024/8/1839(b)径向泄漏通道单螺杆啮合副型线的要求单螺杆啮合副型线的要求l共轭原理l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为齿槽面的包络面单螺杆典型型线单螺杆典型型线l第一类型线第一类型线——直母线形成螺槽螺旋面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。

Ø这种型线的主要缺点是接触线7a和7b在啮合过程中，始终在齿侧面的同一位置，因而容易磨损，使被压缩气体泄漏量增大，降低了机器效率Ø此外，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加工一个转子要20小时以上2024/8/1842直线包络星轮齿面形成原理vswvsraa啮合接触条件：直线包络啮合2024/8/1843星轮齿侧型面星轮齿侧型面星轮的加工星轮的加工l对动双圆柱铣刀铣削星轮齿侧面对动双圆柱铣刀铣削星轮齿侧面l滚削加工滚削加工直线包络螺杆齿槽的加工直线包络螺杆齿槽的加工单螺杆典型型线单螺杆典型型线l第二类型线第二类型线——包络型型线（圆柱、圆台母面）包络型型线（圆柱、圆台母面）l螺杆螺旋面是由圆柱或圆台母面包络而成的共轭曲面螺杆螺旋面是由圆柱或圆台母面包络而成的共轭曲面l星轮齿侧面上的接触线是变动的，使磨损分散星轮齿侧面上的接触线是变动的，使磨损分散l有较好的流体动力润滑性能有较好的流体动力润滑性能l只能用成形刀具加工，分度误差难以避免只能用成形刀具加工，分度误差难以避免l形成泄漏小孔形成泄漏小孔2024/8/1849圆柱包络齿面形成原理限制区域多圆柱包络多圆柱包络啮合多圆柱包络啮合2024/8/1853二圆柱包络型线(a)(b)圆柱与多圆柱包络的径向泄漏通道(a)2024/8/1856（多）圆柱包络螺杆加工l刀具与工件相对运动规律与星轮齿、刀具与工件相对运动规律与星轮齿、螺槽一样螺槽一样l刀具初始位置可根据包络圆柱位置参刀具初始位置可根据包络圆柱位置参数调整数调整l机床空间要求（刀架不能与工件干涉）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件加工，满足尽量大范围尺寸工件加工专用机床的车削与铣削比较五轴联动铣床数控铣单螺杆典型型线单螺杆典型型线l第三类型线第三类型线——“直线包络直线包络”和和“圆台圆台(圆柱圆柱)二次包络二次包络”型线型线 l星轮的齿侧工作面不是原始母线或母面，是以螺杆作为刀具，反过来加工星轮的齿侧工作面不是原始母线或母面，是以螺杆作为刀具，反过来加工(包络包络)星轮齿获得的共轭曲面星轮齿获得的共轭曲面l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。

部位更加分散l两条接触线间的两条接触线间的“洼斗洼斗” 构成油腔，在啮合过程中随着两条接触线的相互构成油腔，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，油腔中的油来不及泄出，油压升高，从而加强靠近，油腔空间迅速缩小，油腔中的油来不及泄出，油压升高，从而加强了油膜强度和承载能力了油膜强度和承载能力 容积流量与气量调节l压缩机气量的计算压缩机气量的计算气量调节转动环式气量调节器转动环式气量调节器（（a）满负荷）满负荷 （（b）部分负荷）部分负荷l滑阀滑阀l双滑阀双滑阀6、结构与系统、结构与系统l主机主机l剖分式单螺杆空气压缩机剖分式单螺杆空气压缩机 l开启式单螺杆天然气压缩机主机开启式单螺杆天然气压缩机主机 主机结构主机结构l半封闭单螺杆制冷机半封闭单螺杆制冷机 主要零部件主要零部件l1、机壳、机壳l基础零件，提供螺杆和星轮的定位；基础零件，提供螺杆和星轮的定位；l内腔为气缸内腔为气缸l剖分式机壳剖分式机壳——通过螺杆轴心线的水平面作为剖分面将机壳分为上、下两通过螺杆轴心线的水平面作为剖分面将机壳分为上、下两半l铸造、清砂、内部工作表面的加工、装配方便；铸造、清砂、内部工作表面的加工、装配方便；l高压部分密封困难；高压部分密封困难；l气缸与啮合副的间隙难保证。

气缸与啮合副的间隙难保证l整体式机壳整体式机壳l机壳强度高机壳强度高l密封性好密封性好l装配后间隙稳定；装配后间隙稳定；l更换星轮方便更换星轮方便主要结构l2、螺杆、螺杆l进气端有倒锥；进气端有倒锥；l排气端有圆柱排气端有圆柱主要结构l星轮星轮l整体式整体式l浮动式浮动式l弹性星轮弹性星轮主要结构l螺杆材料：球墨铸铁、铸铝合金、青铜螺杆材料：球墨铸铁、铸铝合金、青铜l星轮材料：星轮支座：铸铁，星轮片：星轮材料：星轮支座：铸铁，星轮片：PEEK单螺杆空气压缩机系统流程单螺杆空气压缩机系统流程①①　联轴器　联轴器②②　断油阀　　　断油阀　　③③　主机　　　主机　　④④　卸载阀　　　卸载阀　　⑤⑤　空气过滤器　空气过滤器⑥⑥　油气分离器　　　油气分离器　　⑦⑦　冷却器　　　冷却器　　⑧⑧　主电机　　　主电机　　⑨⑨　油过滤器　油过滤器水润滑单螺杆空气压缩机系统流程图。