第五章 螺杆压缩机(6).pdf

14 35 14 351 回转压缩机原理与结构回转压缩机原理与结构 螺杆压缩机螺杆压缩机 压缩机研究所压缩机研究所 目 录目 录 绪论绪论 工作过程工作过程 热力性能参数热力性能参数 啮合原理基础啮合原理基础 双螺杆压缩机双螺杆压缩机 涡旋压缩机涡旋压缩机 涡旋压缩机涡旋压缩机 滚动活塞 转子 压缩机滚动活塞 转子 压缩机 单螺杆压缩机单螺杆压缩机 滑片压缩机滑片压缩机 喷液 喷油喷液 喷油 空气压缩机系统空气压缩机系统 制冷压缩机系统制冷压缩机系统 14 35 一 螺杆压缩机原理及应用发展一 螺杆压缩机原理及应用发展一 螺杆压缩机原理及应用发展一 螺杆压缩机原理及应用发展 14 35 螺杆压缩机原理螺杆压缩机原理 14 35 空压机基本结构 螺杆压缩机原理螺杆压缩机原理 14 35 Xi an Jiaotong University14 35 螺杆压缩机原理螺杆压缩机原理 14 35 吸气过程 14 35 14 352 螺杆压缩机原理螺杆压缩机原理 14 35 压缩和排气过程 螺杆压缩机原理螺杆压缩机原理 14 35 螺杆压缩机发展简史螺杆压缩机发展简史 1 1878年 Heinrich Krigar提出了螺杆转子运行的原理 但由于缺乏制造 技术 在很长时间内未进一步发展 德国专利 2 1934年 瑞典工程师Alf Lysholm在对燃气轮机进行研究时 希望找到一 种作回转运动的压缩机 要求其转速比活塞压缩机高得多 以便可由燃气 轮机直接驱动 并且不会发生喘振 对此进行了深入的研究 并提出了5 4齿设计原型 3 1937年 Alf所在的SRM公司研制成功了两类螺杆压缩机试验样机 并取 得了令人满意的试验结果 标志着螺杆压缩机正式诞生了 4 1946年 位于苏格兰的英国James Howden公司 第一个从瑞典SRM公司获 得了生产螺杆压缩机的许可证 随后 欧洲 美国和日本的多家公司也陆 续从瑞典SRM公司获得了这种许可证 从事螺杆压缩机的生产和销售 5 1957年喷油螺杆空气压缩机投入了市场应用 6 1961年又研制成功了喷油螺杆制冷压缩机和螺杆工艺压缩机 14 35 螺杆压缩机发展简史螺杆压缩机发展简史 7 我国无锡压缩机厂和上海第三压缩机厂 即今上海压缩机厂 于1965年开始研 制螺杆式空气压缩机 8 上世纪60年代 SRM公司开发了SRM A型线 Atlas公司开发了Atlas型线 9 上世纪70年代 欧洲最大的螺杆空气压缩机制造商GHH公司开发了GHH型线 SRM公司开发了SRM D型线 10 1975年 我国第一批螺杆氨制冷机 合肥通用所联合北冷 上冷 武冷 烟冷 1978年制定螺杆制冷机行业标准烟冷 1978年制定螺杆制冷机行业标准 11 上世纪80年代 产品推广阶段 开始对系统进行深入研究 我国无锡压缩 机厂和上海压缩机厂1985年分别引进英国Holroyd公司的2AC 5AC螺杆铣床 形成批量生产 90年代 引进高加工精度机床 数控铣 数控磨削 德国 克林贝格 英国 Holroyd 新世纪 国内出现大量组装厂 利用国外机头 GHH Rotorcomp等 上压 锡压 711研究所开发的工艺压缩机进入 市场 12 经过随后持续的基础理论研究和产品开发试验 通过对转子型线的不断改 进和其他关键技术的开发成功 螺杆压缩机的优越性能得到了不断的发挥 14 35 特点特点 优点 结构简单 可靠性高 操作方面 无人值守 噪声低 振动小 不需基础 14 35Xi an Jiaotong University 适应性强 耐液击 可多相混输 缺点 需专用加工设备 造价高 排气压力小于4 5MPa 排气量大于0 2m3 min 分类分类 14 35Xi an Jiaotong University 14 35 14 353 喷油螺杆空压机喷油螺杆空压机 喷油螺杆空气压缩机分为固定式和移动式两类 1 固定式的使用场所不变 用电动机驱动 具有较好的消声措 施 主要为各种气动工具及气控仪表提供压缩空气 2 移动式适合于在野外流动作业场所 采用内燃机或电动机驱 动 动力用的喷油螺杆空气压缩机已系列化 一般都是在大 14 35Xi an Jiaotong University 动力用的喷油螺杆空气压缩机已系列化 般都是在大 气压力下吸入气体 单级排气压力有0 7MPa 0 8MPa 1 0MPa和1 25MPa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 6MPa 喷油螺杆空压机目前的排 气量范围为0 2 100m3 min 由于油气分离和气体净化技术 的发展 喷油螺杆空气压缩机越来越多地被用到对空气品质 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 喷油螺杆空压机喷油螺杆空压机 固定式固定式 14 35Xi an Jiaotong University 喷油螺杆空压机喷油螺杆空压机 移动式移动式 14 35Xi an Jiaotong University 干式螺杆空压机干式螺杆空压机 干式螺杆压缩机可用来作为空气压缩机或工艺压缩机 压 缩过程中没有液体内冷却和润滑 干式螺杆压缩机转速往往很高 对轴承和轴封要求较高 而且排气温度也较高 单级压比小 目前般干式螺杆压缩机的单级压比为双级压 14 35Xi an Jiaotong University 目前一般干式螺杆压缩机的单级压比为1 5 3 5 双级压 比可达8 10 排气压力通常小于2 5MPa 排气量为3 500m3 min 无油螺杆工艺压缩机 用于合成氨装置中半水煤气压送 炼油行业氢提纯装置 火炬气回收装置中的增压等场合 干式螺杆空压机干式螺杆空压机 14 35Xi an Jiaotong University 无油螺杆空气压缩机无油螺杆空气压缩机 发动机增压器发动机增压器 14 35 14 35 14 354 螺杆空气压缩机最佳范围螺杆空气压缩机最佳范围 喷油压缩机喷油压缩机 单级 排压 1 5MPa 排量1 40m3 min 双级 排压 3 0MPa 排量5 40m3 min 无油压缩机无油压缩机 单级 排压40m3 min 双级 排压40m3 min 14 35 螺杆制冷压缩机螺杆制冷压缩机 螺杆制冷压缩机都采用喷油润滑的方式运行 按与电动机 联接方式不同 分为开启式 半封闭式和全封闭式三种 1 开启式通过联轴器与电动机相联 要求在压缩机伸出轴上 加装可靠的轴封 以防制冷剂和润滑油泄漏 2 半封闭式的电动机与压缩机做为一体 中间用法兰联接 能有效防止制冷剂和润滑油的泄漏 并采用制冷剂冷却电 动机 消除了开启式机组中电动机冷却风扇的噪声 3 全封闭式把电动机与压缩机封闭在一容器内 彻底消除了 制冷剂和润滑油的泄漏 噪声也比较低 14 35 螺杆制冷压缩机螺杆制冷压缩机 半封闭和全封闭式螺杆制冷压缩机广泛应用于民用住宅和商 用楼房的中央空调系统 产量远远超过开启式 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中 目前绝大多数螺杆制冷压缩 机中采用R22或NH3制冷剂 也有一些采用R134a或R410a等 制冷剂制冷剂 在环境温度下工作时 单级螺杆制冷机可达 25 的蒸发温 度 采用经济器或双级压缩 可达 40 的蒸发温度 另外 已有越来越多的螺杆制冷机用作热泵 可向高达90 的热 源传送热量 既能供冷又能供暖的冷热两用螺杆机组 近年 来发展很快 目前螺杆制冷压缩机标准工况下制冷量范围为10 2500kW 14 35 螺杆制冷压缩机螺杆制冷压缩机 14 35 中大型冷水机组中大型冷水机组 14 35 CO2螺杆压缩机螺杆压缩机 设计压力转子参数 吸气压力 设计压力转子参数 吸气压力 MPa 3 4直径 阳直径 阳 阴 阴 mm 148 148 排气压力 排气压力 MPa 9 8长度 长度 mm 152 最大工作压力 最大工作压力 MPa 14 7长径比长径比1 03 最大排气温度 最大排气温度 120齿数 阳齿数 阳 阴阴6 8 最大转速 最大转速 rpm 45002950rpm排气量 排气量 m3 h 220 14 35 14 35 14 355 螺杆工艺压缩机螺杆工艺压缩机 喷油螺杆工艺压缩机用来压缩各种工艺流程中的气体 既包括CO2和N2这样的惰性气体 也包括像H2和He这样的 轻气体 还包括一些化学性质活泼的气体 如HCl Cl2等 由于其要求相似 通常喷油螺杆工艺压缩机是由喷油 螺杆制冷压缩机改制而成 运行于其设计工况之内 喷油螺杆工艺压缩机的工作压力由工艺流程确定 单级 压比可达10 排气压力通常小于4 5MPa 但最高可达 9 0MPa 排气量范围为1 200m3 min 14 35 螺杆工艺压缩机螺杆工艺压缩机 14 35 主要的生产厂商主要的生产厂商 空压机 北美 I R 英格索兰 Sullair 寿力 Quincy 昆西 欧洲 英国康普艾compair 瑞典Atlas 德国宝驹 BOGE 德国GHH 芬兰Tamrotor 德国Rotorcomp 亚洲 台湾复盛 神户制钢KOBECO 日立HITACHI 日本岩田IWATA国内 浙江开山柳州富达 日本岩田IWATA 国内 浙江开山 柳州富达 制冷 国外 Carrier York Trane Bitzer 国内 三大家武冷 烟冷 大冷 台湾复盛和汉钟 其它螺杆机械其它螺杆机械 与螺杆压缩机功能相反的螺杆膨胀机 还用于高 压气体的动力回收和低品位热源的动力转换等场 合 用螺杆膨胀机替代制冷系统中的节流阀后 整个制冷系统的综合性能可以得到提高 螺杆压缩机可作为真空泵使用单级真空度可达 螺杆压缩机可作为真空泵使用 单级真空度可达 98 能耗较其它类型真空泵低20 50 另外 与螺杆压缩机类似的螺杆多相混输泵可进 行油 气 水多相混输 用于降低采油成本和提 高油井产量 14 35 螺杆膨胀机螺杆膨胀机 p p 1 2 s d V 3 4 V p 0 14 35 干式真空泵干式真空泵 14 35 14 35 14 356 双螺杆油气混输泵双螺杆油气混输泵 14 35 发展现状与趋势发展现状与趋势 现状 广泛应用于矿山 化工 动力 冶金 建筑 机械 制冷 在宽广的容量和工况范围内逐步替代其它种类的压 缩机 销售量已占所有容积式压缩机销售量的80 以上 在所有正在运行的容积式压缩机中 至少有50 是螺 杆压缩机 市场份额不断扩大 特别是无油螺杆空压机和各类 螺杆工艺压缩机获得更快发展 14 35 发展现状与趋势发展现状与趋势 趋势 在型线深入研究的基础上创造新的高效型线 提高效率 喷油参数的机理设计和优化设计 合理配置吸排气孔口和相关的连接管道 减少流动损失 结合型线设计和孔口配置有效地降低噪声 研究高精度和高生产率的专用设备及新型少无切削加工工艺 扩大螺杆压缩机的参数范围 向小排气量 高排压方向发展 研究气量调节机构与智能控制系统 提高调节工况下压缩机 运行的经济性 14 35 二 螺杆压缩机型线二 螺杆压缩机型线二 螺杆压缩机型线二 螺杆压缩机型线 14 35 转子型线概述转子型线概述 螺杆压缩机中 最关键的是一对相互啮合的转子相互啮合的转子 转 子的齿面与转子轴线垂直面的截交线称为转子型线转子型线 由于 转子型线作螺旋运动就形成了转子的齿面 故又把转子型 线称为端面型线端面型线或转子齿形转子齿形 螺杆压缩机的阴 阳转子型线 要满足啮合定律啮合定律 即不 论在任何位置 经过型线接触点的公法线必须通过节点节点 螺杆压缩机的阴阳转子可以看作是一对相互啮合的斜齿 轮 相互啮合的斜齿 轮 普通斜齿轮的主要任务是在两根平行轴之间的任意传动 方向上 强制传递转速 转矩及功率 在螺杆压缩机中 转 子之间的动力传递和由此而引起的齿面接触应力都是次要的 14 35 转子型线概述转子型线概述 无油螺杆压缩机无油螺杆压缩机的阴阳转子并不接触 两者之间的 动力传递是通过同步齿轮来完成的 在喷油螺杆压缩机喷油螺杆压缩机 中 转子之间传递的功率也仅占压缩机轴功率的10 左 右 而且只在齿面的一侧齿面的一侧进行 所以 螺杆压缩机的转 子型线不必象普通齿轮那样 无条件地对称于其齿顶中 心线 心线 对于螺杆压缩机转子型线的要求 主要是要在齿间 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接触线 泄漏三角形泄漏三角形 封闭容积封闭容积和齿间面 积 齿间面 积等 14 35 14 35 14 357 螺杆压缩机转子型线螺杆压缩机转子型线 W 3 4 5 1 阳转子型线 2 阴转子型线 3 啮合线 4 泄露三角形 OO1 2 1 2 5 6 7 10 9 5 封闭容积 6 阳转子齿间面积 7 阴转子齿间面积 8 接触线 9 阳转子节圆 10 阴转子节圆 14 35 转子接触线及泄露三角形转子接触线及泄露三角形 14 35 接触线接触线 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 接触线将转子的齿间容积分割成两部分 一部分 气体处于吸气压力 一侧气体处于压缩或排气 接触线接触线 14 35 啮合线啮合线 啮合线啮合线 阴 阳转子啮合时啮合点的轨迹 啮 合线的实质是接触线在转子端面的投影 如果接 触线连续 啮合线应该是一条连续的封闭曲线 14 35 泄漏三角形泄漏三角形 泄漏三角形泄漏三角形 螺杆压缩机转子接触线的顶点 通常不能到达气缸孔的交线 在啮合线的顶点和 机壳的转子气缸孔之间 会形成空间曲边三角形 称为泄漏三角形 通过泄漏三角形 气体将从压 力较高的齿间容积泄漏到压力较低的齿间容积 W OO1 2 1 2 3 4 5 6 7 10 9 14 35 产生原因产生原因 螺杆压缩机阴阳转子的接触线延伸不到机体上两个气缸孔 的交线 则在图示A B之间存在无接触线的区域 前后齿槽容积对 之间没有接触线密封 产生了泄漏通道 泄漏三角形泄漏三角形 14 35 14 35 14 358 泄漏三角形的泄漏通道示意泄漏三角形的泄漏通道示意 相邻的人字形齿间容积对存在压差 由排端到吸端方向有 P1 P2 P3 在压差的作用下 工质被驱赶通过前述的机壳内 棱和接触线最高点之间的无接触线进行密封的区域 在相邻的人字形齿间 容积对之间产生了泄 漏三角形带来的泄漏漏三角形带来的泄漏 14 35 泄漏三角形泄漏三角形 14 35 泄漏三角形泄漏三角形 14 35 型线的发展过程型线的发展过程 螺杆压缩机中的型线分为对称型线和不对称型线 以及 单边型线和双边型线 齿顶中心线两边的型线完全相同时 称为对称型线 反 之 齿顶中心线两边的型线不同时 称为不对称型线 只在转子节圆的内部或外部一边具有型线 称单边型线 节圆的内 外均具有型线 称双边型线 螺杆压缩机的转子型线大致经历了三代变迁 14 35 第一代型线第一代型线 对称圆弧型线对称圆弧型线 原始对称圆弧型线和双边对称圆弧型线 由于对称型线易于设计 制造和测量 这类型线直到现 在还被很多干式螺杆压缩机制造商广泛采用在还被很多干式螺杆压缩机制造商广泛采用 特点 齿顶中心线两边的型线完全对称 易于设计 制 造和测量 接触线较短 所谓对称圆弧型线 并非全部由圆弧组成 否则接触线 不连续 14 35 典型型线典型型线 第一代第一代 双边对 称圆弧 14 35 A B C D E FG H O2O1 W 原始对 称圆弧 14 35 14 359 第一代型线第一代型线 A B C DEF G HIJ K L M N W O2O1O2O1 W 1 2 3 4 5 6 阴转子阳转子 啮合线齿曲线曲线性质齿曲线曲线性质 AB圆弧HI圆弧12 BC摆线I点23 C点IJ摆线34 CD圆弧JK圆弧45 D点KL摆线53 DE摆线L点36 EF圆弧LM圆弧61 FG圆弧MN圆弧1 双边对称圆弧 型线的组成齿曲 线和啮合线 14 35 第二代型线第二代型线 不对称型线不对称型线 第二代转子型线是以点 直线和摆线等组成齿曲线为代 表的不对称型线 60年代后 随着喷油技术的发展 发展了 以 SRM A 型线为代表的第二代转子型线 这种型线为螺杆 压缩机市场份额的扩大 起了巨大的推动作用 目前仍被多压缩机市场份额的扩大 起了巨大的推动作用 目前仍被多 家公司所采用 对称型线与不对称型线的主要区别 在于采用不对称型 线时 泄漏三角形的面积大为减少 一般不对称型线的泄漏 三角形面积仅是对称型线的十分之一左右 因此 采用不对 称型线 可以使喷油螺杆压缩机的性能得到明显改善 14 35 典型型线典型型线 第二代第二代 C D E F W O2 I J K L O1 14 35 A B G H 单边不对称摆线 销齿圆弧型线 Atlas X型线SRM A 型线 第三代型线第三代型线 新的不对称型线新的不对称型线 第二代和第三代转子型线都是不对称型线 两者之间的 主要区别区别在于 第三代转子型线的组成齿曲线中不再有第三代转子型线的组成齿曲线中不再有点点 直线和直线和第三代转子型线的组成齿曲线中不再有第三代转子型线的组成齿曲线中不再有点点 直线和直线和 摆线摆线 均采用 均采用圆弧 椭圆 抛物线圆弧 椭圆 抛物线等曲线 这种改变可 使转子齿面由 线 密封改进为 带 密封 能明显提 高密封效果 还有利于形成润滑油膜和减少齿面磨损 等曲线 这种改变可 使转子齿面由 线 密封改进为 带 密封 能明显提 高密封效果 还有利于形成润滑油膜和减少齿面磨损 目前 所有的喷油螺杆压缩机 采用的都是不对称型线 14 35 典型型线典型型线 第三代第三代 OO 21 W A B C DE F G H I J A B C E FGH I J W K L M O P QRS T O2O1 14 35 日立型线 A B C D EF G W H I J K L M N O2O1 复盛型线SRM D 型线 典型型线典型型线 第三代第三代 14 35 14 35 14 3510 型线比较型线比较 型线比较型线比较 第一代 第二代转子型线通常采用 点啮合摆线 具有以下特点 优点 优点 理论上啮合线顶点与气缸外圆交点重合 泄露三角形面积为零 缺点缺点 接触线长度长 横向气密性降低 产生封闭容积 排气量下降 耗功增加 在空间表现为 曲线对曲面密封 点沿长度方向形成一条密 封线 横向气密性较差 第三代转子型线通常采用 圆弧 圆弧包络线 椭圆 椭圆包络线 等 优点 优点 接触线较短 消除封闭容积 曲面对曲面密封 流线型齿形 降 低动力损失 缺点 缺点 产生泄露三角形 略微降低轴向气密性 14 35 转子型线设计原则转子型线设计原则 经过多年的理论分析和试验研究 总结出螺杆压缩机转子 的型线设计原则如下 1 转子型线应满足啮合要求转子型线应满足啮合要求 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 即不 论在任何位置 经过型线接触点的公法线必须通过节点 2 转子型线应形成长度较短的连续接触线转子型线应形成长度较短的连续接触线转子型线应形成长度较短的连续接触线转子型线应形成长度较短的连续接触线 转子型线的设计应保证能形成连续的接触线 另外 在实际机器中 为 保证转子间的相对运动 齿面间总保持有一定间隙 因此 理论上的接触 线就转化成实际中的间隙带 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 转子型线应形成较小面积的泄漏三角形转子型线应形成较小面积的泄漏三角形 为减少气体通过泄漏三角形的泄漏 型线设计应使转子的泄漏三角形面 积尽量小 14 35 转子型线设计原则转子型线设计原则 4 转子型线应使封闭容积较小转子型线应使封闭容积较小 大多数转子型线会形成吸