螺杆压缩机概述及原理应用

螺杆式压缩机
Contents
LG300无油螺杆 压缩机
燃料电动车
螺杆压缩机
双螺杆 压缩机
基本机构
工作原理
螺杆压缩机的基本结构和工作原理
螺杆式空气压缩机的工业生产始于1950年，由于结构简单、 易损件少、外形紧凑、排气温度低、质量轻、不怕气体中带液和 带尘压缩等优点，在国内外得到了飞速的发展。目前，在我国矿 山开采领域其发展速度已超过活塞式空气压缩机。随着螺杆式空 气压缩机的更新换代，具备了高性能配置、高效率、高可靠性、 高度智能化、友好的人机界面、安装费用低、适应国内电源、运 行费用低、节能环保等特点。因此，在今后相当长的时期内，小 容量空气压缩机将以螺杆式为主。
双螺杆压缩机的结构设计
对于双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，对双 螺杆压缩机性能有重大影响的转子型线要素有：
接 触线 泄露三角形
密封容积 齿间面积
双螺杆压缩机的结构设计
❖ 1.接触线 双螺杆压缩机的阴、阳转子啮合时，两转子齿面相般不允许螺 杆压缩机的转子直接接 触，所以阳转子是通过 高精度的同步齿轮驱动 阴转子的。并且阴转子 上的同步齿轮是可调式 的，以确保转子间的啮 合间隙处于理想范围。 总体布置如右图。
轴承选用及材料选择
由于要求压缩空气中绝对无油，故选用的滚动轴承不能靠压力油 来润滑，而只能选用脂润滑。最后确定的轴承选用方案为：在排气端 配置角接触球轴承，进气端配置具有内圈油封的滚针轴承。
齿间面积是齿间容积在转子端面上的投影。转子齿间面积越大， 转子的齿间容积就越大。
燃料电动汽车的发展
燃料电动车的产生
汽车保有 量 的增加、 石油危机
资源匮乏， 环境污染严重
提高内燃机的 效率，寻找新 的环保的可替 代能源
燃料电池电动汽车的发展
目前存在新型能源汽车从驱动方式上可以区分为代用燃料和电动 汽车两类。代用燃料汽车仍然使用利用燃料燃烧释放能量的内燃机， 按燃料种类可以分成天然气汽车、醇类汽车、二甲醚汽车和混合燃料 车等。
天然气汽车是目前研究最成熟、使用量最大的低排放清净汽车， 汽车使用天然气作为燃料，其优点在于冷启动性能好、燃烧完全、排 放低、不易产生积碳、不会稀释润滑油，使发动机内部零部件磨损大 大减少，能够成倍提高发动机寿命和润滑油使用期限，从而降低汽车 保养和运行费用，提高汽车使用的经济性。缺点在于和同样排量的燃 油发动机相比其动力性略有不足，此外，天然气易燃和有毒特性也需 要在使用过程中需要给予特别注意。
❖ ③ 在低蒸发温度或高压缩比工况下，用单级压缩仍然可正常工作， 且有良好的性能。这是由于螺杆式压缩机没有余隙，没有吸、排汽阀， 故在这种不利工况下仍然有较高的容积效率。
❖ ④ 螺杆式压缩机对湿压缩不敏感。 ❖ ⑤ 螺杆式压缩机的制冷量可以在10%一100%范围内无级调节，但在
40%以上负荷时的调节比较经济。
螺杆式压缩机实物
螺杆压缩机的基本结构
通常所称的螺杆压缩机即指双螺杆式压缩机、与活塞压缩机等其 他类型的压缩机相比，螺杆压缩机是一种比较新颖的压缩机。
螺杆式压缩机剖面图及转子
双螺杆压缩机示意图
螺杆压缩机的工作原理
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
C
体积要小
D
低噪声
LG300型无油螺杆空气压缩机
❖ 西安交通大学压缩机研究所研制
对于螺杆压缩机而言，型线设计至关重要，需要综合考虑转子型 线的啮合要求、连续的接触线、加工性能等因素。针对具体设计要求， 课题组专门开发了一种转子新型线。该型线的特征是双边非对称，所 有组成齿曲线均为圆弧或圆弧包络线，可降低通过接触线的横向泄漏， 提高压缩机效率。另外，还改善了转子的加工性能．便于采用多种方 法进行加工。所设计型线的端面图形和啮合线下图所示，
参考文献
[1] 孙来玉.燃料电池用高速无油双螺杆压缩机的设计与研究.浙江大学， 2007
[2] 邢子文.螺杆压缩机—理论、设计和应用.机械工业出版社，2000 [3] 金杭海，束鹏程，邢子文。用于燃料电池系统中的喷水螺杆压缩机
的研制。压缩机技术，2003/7 [4] 杨炳春，李建风，邢子文，李跃仓。无忧螺杆压缩机在燃料电池中
燃料电池电动汽车的发展
汽车使用氢燃料电池，利用氢和氧化学反应，产生电、热和水蒸 气，唯一的副产品就是水，而水又是制备氢的唯一原料，因此车载氢 燃料电池不仅在工作过程中能够真正达到排放零污染，而且在燃料消 耗和制备循环中也是清洁的。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)最有希望成为电动汽车的动力源，其 工作原理为经过湿润的氢气(H2)和氧气(02)分别通入到燃料电池的阳 极室和阴极室，并在催化剂作用下发生氧化和还原反应。阳极反应生 成的质子(H+)通过质子交换膜传导到阴极，阳极反应生成的电子通过 外电路达到阴极，生成的水以水蒸气或冷凝水的形式随过剩的阴极反 应气体从阴极室排出。其核心部件为发生电化学反应的质子交换膜。
双螺杆压缩机的结构设计
双螺杆压缩机转子型线设计：
双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，因 此，双螺杆压缩机的阴阳转子型线也要满足啮合定律，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。但双螺杆转动与普通 斜齿轮又有很大不同。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，强制传动转速、转矩及功率。在双螺杆压缩机中， 转子之间的动力转动和由此引起的齿面接触应力都是次要的。事实上， 无油双螺杆压缩机的阴阳转子并不接触，两者之间的动力传动是通过 同步斜齿轮来完成的。
吸、排气孔口设计
吸气孔口：
螺杆压缩机吸气孔口的合理位置和形状，是实现气体压缩过程的 必备条件，也是影响压缩机效率的重要因素。在实际设计中。考虑到 以下要求：尽量减少吸气封闭容积的影响；保证齿间容积获得最大程 度的充气，以提高机器的容积利用率；气体在吸气孔口处及齿间容积 内流动损失要小。根据文献[2]，可以确定阳、阴转子轴向吸气角， 进而得出螺杆压缩机吸气端面上的径向吸气孔口。
的应用。化工学报，2004/10 [5] 黄倬。质子交换膜燃料电池的研究开发与应用。冶金工业出版社，
2000
2)双螺杆压缩机可以和直流无刷电机直接相连，不需要附加机构 和直流无刷电机的直联将降低机构的复杂度，相对于活塞式这样往复式的 压缩机，双螺杆压缩机具有结构紧凑，体积小，可靠性高，调节方便的优势。
3)双螺杆压缩机运行稳定，零部件不宜损坏
和机构情况相类似的单螺杆压缩机作比较，从可靠性上来看，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； 在新机状态下，单螺杆压缩机和双螺杆压缩机的效率基本相同，但随运行 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；从加工 设备方面来看，单螺杆压缩机没有成熟的专用加工设备，进而导致产品的 性能不是很稳定，双螺杆压缩机己有成熟的螺杆专用铣床和磨床，可确保 产品性能稳定。
转子型线
型线影响到螺杆压缩机哪些方面？
转子能否正确啮合
压缩机经济性
泄漏三角形 接触线长度 余隙容积 面积利用系数 流线型
压缩机可靠性
足够强度和刚度
转子加工
刀具容易设计，便于磨刀
满足啮合要求 应形成长度较短的连续接触线 应形成较小面积的泄露三角形
应使封闭容积较小 应使齿间面积尽量大
LG300型无油螺杆空气压缩机采用喷水冷却，所有零件的材料都 要符合防锈要求。机体、排气端盖和齿轮罩盖3部分采用了铸铝，加 工方便，重量轻，散热好。阴、阳转子用料为不锈钢。对于同步齿轮， 由于装在齿轮盖中．在罩盖的底部存油．用齿轮本身溅油的方式润滑， 齿轮可用一般的材料。
轴封选型
采用喷水冷却后，须解决的另一个问题就是压缩腔与轴承腔的密 封，要严格防止含水的压缩空气侵入轴承腔。否则既影响轴承和齿轮 的寿命．又影响压缩机性能。
燃料电池电动汽车的发展
右图为质子交换 膜的系统图，空 气通过压缩机增 压之后，经过加 湿处理送入到燃 料电池反应堆， 和来自于氢源的 氢气发生电化学 反应，输出电能 用于动力输出。
燃料电池对压缩机的要求
燃料电池需要压缩机压缩提供的氧气 才能进行电化学反应，进而产生电能
A
环境无油
B
工作效率高
无油双螺杆压缩机
在设计方案中，因进气端用了封闭的脂润滑轴承，润滑脂不会随 气流进入压缩腔，故可用一般的密封套。最后在进气端布置了带排气 螺纹的聚四氟乙烯密封套，在排气端，则设置了两套聚四氟乙烯密封 环。
系统设计
❖ LG300型无油螺杆空气压 缩机与燃料电池系统的 匹配如图8所示。大气中 的空气经过进气过滤器3 的过滤进入压缩机，完 成压缩的空气通过水分 离器6和排气阀门7进入 燃料电池系统，压缩空 气中的氧气和燃料(氢气) 发生反应，压缩空气中 的废气排向大气。
双螺杆压缩机的结构设计
❖ 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。由于吸气封闭容积的存在，使齿间容积在扩大的初期， 其内的气体压力低于吸气孔口处的气体压力。在齿间容积与吸气孔口 相连通时，其内的气体压力会突然升高到吸气压力，然后才能进行正 常的吸气过程。所以，吸气封闭容积的存在，影响了齿间容积的正常 充气。 ❖ 4.齿间面积
旋转容积式压缩机通过将一固定量的气体封闭在基元容积中，减小 体积来获得气体压力的增加。改变排气口的位置，出口压力也随之改变: 改变驱动电机的转速，可以方便地改变压缩机的输出流量，这样的工作 机理使得流量和压力之间的耦合性比较小，不会出现随着流量的变小而 产生压力比迅速降低的现象。
双螺杆压缩机的特点
吸、排气孔口设计
排气孔口：
螺杆压缩机排气孔口的位疑和形状，应保证气体在齿间容积内实 现预定的内压缩．以提高机器运转的经济性。考虑到所设计压缩机的 实际应用场合和范围，内容积比按2设计，由文献[2]可以计算得到具 体的排气角，如图4。
刀具设计
在加工一般空间曲面时，刀具回转面同工件面之间形 成一条空间接触线，在该接触线上任一点，两个曲面存在 公法线。据此，可导出加工一般空间曲面的接触条件式。 求解导出的接触条件式。同时考虑啮合间隙．可以得到刀 具刃形。
螺杆压缩机的分类及应用
螺杆压缩机有很多种分类方法:按运行方式的不同，分为无油压缩机和喷油压 缩机两类;按被压缩的气体种类和用途的不同，分为空气压缩机、制冷压缩机和工 艺压缩机三种；按结构形式不同，分为移动式和固定式、开启式和封闭式等。常 见的螺杆压缩机分类如下表：
双螺杆压缩机的特点
1)双螺杆压缩机属于旋转容积式的压缩机
完成相同吸的工气作循过环，程为简单起见，
这里只研究其中的一对齿。
螺杆压缩机的工作原理
压缩过程
螺杆压缩机的工作原理
排气过程
螺杆压缩机的优点
❖ ① 螺杆式压缩机只有旋转运动，没有往复运动，因此压缩机的平衡 性好，振动小，可以提高压缩机的转速。
❖ ② 螺杆式压缩机的结构简单、紧凑，重量轻，无吸、排汽阀，易损 件少，可靠性高，检修周期长。
的空间曲线称为接触线。接触线的一侧是气体处于压力较高的压缩和 排气过程，另一侧的气体则处于压力较低的吸气过程。如果转子齿间 容积的接触线不连续，则处于高压力区的气体将通过接触线中断缺口， 向低压区泄漏。
❖ 2.泄漏三角形 双螺杆压缩机转子接触线的顶点，通常不能同时到达阴阳转子气
缸孔的交线，在接触线顶点和机壳的转子气缸孔之间，就会形成一个 空间曲边三角，成为泄漏三角形。通过泄漏三角形，气体将从压力较 高的齿间容积，泄漏到邻近压力较低的齿间容积。从啮合线顶点的位 置，可定向反应泄漏三角形面积的大小。若啮合线顶点距离阴、阳转 子齿定圆交点较远，则说明泄漏三角形面积较大。