压缩机原理-单螺杆压缩机_2019_0507
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• 1989～至今 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 ； 设计制造完成了第三代加工蜗杆、星轮片专机 ； 星轮片材质的改进； 90年代后期的市场机遇
17:35
7
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
• 日本 三井精机公司（MITSUR SEIKI）0.7MPa，1.0～18.5m3/min， 7.5 ～ 37kW；水润滑 小松制作所（KOMATSU）0.7MPa,5.0、7.5m3/min 日本岩田涂装机工业公司(IWATA AIR COMPRESSOR MGT)PC 型，0.7 ～1.2MPa，0.2 ～ 5.8m3/min 大金工业公司（DAIKIN INDUSTRIES） 三菱电机公司（MITSUBISHI ELECTRIC）
17:35
10
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
市售单螺杆压缩机产品 • 喷油空气压缩机 • 喷水空气压缩机（单级，两级） • 单螺杆制冷压缩机 • 单螺杆工艺压缩机（喷水、喷油） • 其它：单螺杆MVR（喷水）、单螺杆膨胀机
17:35
11
14.2 单螺杆压缩机工作原理及特点
基元容积的形成
17:35
8
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
• 美国 德莱塞—兰德公司（DRESSER-RAND，单螺杆工艺压缩机，最高 达6MPa，已停产） Vilter(被艾默生收购) 芝加哥风动公司（CHICAGO PNEUMATIC, GRIMMER SCHMIDT ) US NAVY（水润滑空压机） Powerex（PC型）；法国 标致汽车公司（PEUGOT）克利贝里 公司（CREPLLE）
特点三：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；但启动过程润滑差
特点四：泄漏三角形小，效率高 理论上，效率比双螺杆高约3~5%
特点五：结构紧凑，主机体积小 特点六：加工要求高
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
特点七：间隙密封，不适用于高压范围（<6MPa）
• 排气侧轴向长度 l1 • 进气侧轴向长度 l' • 排气侧密封长度 l • 倒角部分轴向长度 Δl=l1-l'
大部分情况下取0 大直径取下限，小直径取上限
l
30
14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
最大吸气封闭容积
理论排气量 实际排气量
Vt 2 Z1 Vo n
V Vt v
封闭螺旋线
17:35
35
14.5热力性能参数
• 排气量（容积流量）
36
14.5热力性能参数
单螺杆制冷压缩机绝热效率（R134a，12m3/min）
• 容积流量（排气量）80%
• 转速 • 功率 • 比功率 • 容积效率
绝热效率
70% 60% 50% 40%
13
• 绝热效率
• 进、排气压力，压比 100%
17:35
14
14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
单螺杆压缩基元容积V，压力p与星轮转角a2的关系
15
14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
特点一：结构合理，具有理想的力平衡 不受任何径向或轴向气体力 星轮齿所受的气体力很小
16
14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
螺杆受力 齿槽内气体力轴向前、后平衡 螺杆上对称齿槽内的气体力径向互相平衡 螺杆进、排气端面轴向气体力大小相等，互相平衡
17:35
17
14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
星轮体受力 星轮单齿多齿啮合； 压缩后期、排气阶段受力面积减小； 所受的气体力很小
Fn
18
14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
特点二：单机容量大，无余隙容积 螺杆每转一周，每一螺槽均使用两次，螺槽充分利用。 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，理论上不存在余隙容积。
螺杆槽肋的轴向最小厚度e
通常取：e=xd1, x=0.014～0.025 或 e =1.5～5mm
28
14.3主要几何参数
星轮齿宽b
2
Z2
星轮分度角
arcsinb d2 星轮齿宽半角
29
14.3主要几何参数
螺杆轴向尺寸
l
l1
l
L l l1 l l
排气过程
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 由排气孔口输送至排 气管道，直至星轮齿 脱离螺槽为止。
13
14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
单螺杆压缩机的螺杆通常有6个螺槽，每个星轮齿将它分隔成上、下 两个空间，各自实现压缩机的工作过程。由于有两个星轮，因此单螺 杆压缩机相当于一台六缸双作用的活塞式压缩机。
机壳（气缸）内壁面 螺杆齿槽面
封闭螺旋线
星轮齿面
17:35
12
14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
基本工作过程
吸气过程
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 一定位置，星轮齿 将螺槽封闭，此时 吸气过程结束。
压缩过程
形成封闭容积后，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。
17:35
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
单螺杆压缩机的一个螺杆可与两个或两个以上星轮啮合。螺杆和星轮按 其外形可分为圆柱型(Cylinder)和平面型(Plane)。
单螺杆压缩机的类型 a）PC型 b）PP型 c）CP型 d）CC型
17:35
5
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
1949年 单螺杆压缩机的雏形来自于年由英国J．w．Goodyear提出的“压 能变换装置”专利
19
14.3主要几何参数
螺杆和星轮的直径
• 大小取决于压缩机的排气量 • 一般螺杆与星轮等径，适当增大星轮直径提高容积利用率，
一般取直径比为1~1.1
螺杆头数和星轮齿数
要求： 1.容积利用率高 2.互质 3.压比
20
14.3主要几何参数
不考虑压比时的可能组合 Z1=4，Z2=7， Z1=8，Z2=15， Z1=6，Z2=11，
考试时间定为15周周六晚上或周日晚上。也就是6月1日 或者6月2日晚上，最后四个班少数服从多数选一个。
38
基元容积
17:35
齿后侧外缘
33
14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
封闭螺旋线（进气孔口）
当星轮齿完全封闭螺杆槽时，螺 槽后侧外缘在气缸内壁面上的投 影线
封闭螺旋线
17:35
34
14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
排气口
基元容积内气体压力达到排气压力时，齿槽前侧外缘在气缸内壁面 的投影
星轮齿从（完全）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at, 一般在90°-95°之间。
at
25
14.3主要几何参数
星轮齿宽b
b
26
14.3主要几何参数
星轮齿宽b
螺杆外缘上螺杆槽
肋的轴向最小厚度e
27
14.3主要几何参数
星轮齿宽b
星轮齿的宽度b，主要取决于螺杆外缘上
•英国 APV公司（APV HALL PRODUCTS）（McQuay）
•荷兰 格拉莎公司（GRASSO，单螺杆制冷压缩机，87年停产）
17:35
9
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
•国内 北一通：上海飞和、佳力士、施奈德（停产） 苏州索贝克、申行健、奥尔夫科等 顺德正力精工（先后被美的、开山收购） 台州杰能、普渡（停产） 苏州利森（制冷） 交大思源、上海好米
80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 缩机
英、法、美、日、荷兰等国家 的厂商可以生产出不同规格单螺 杆压缩机(浮动星轮、喷油、滑 阀)
6
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
• 1975～1988 1975年北一通首先开始研制单螺杆空压机，76年试制出9立方单螺杆 空压机。 经过实践后，发现加工、制造是当时的关键技术。 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。
5
7压比 9 11 13
单螺杆制冷压缩机容积效率 （R134a,12m3/min)
容积效率
• 进、排气温度
95%
• 喷液量、喷液温度
90%
85%
80%
1
3
5
压7 比 9
11
13
37
小结
掌握单螺杆压缩机特点，并与双螺杆比较 掌握单螺杆压缩机主要参数定义 了解单螺杆压缩机进排气孔口设计方法 了解单螺杆压缩机运行特性
压缩机原理
第14章 单螺杆压缩机
1
本章内容
14.1发展历程与应用 14.2工作原理及特点 14.3主要几何参数 14.4容积流量计算与进排气孔口设计 14.5热力性能参数
2
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
17:35
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
一根螺杆与两个轴对称布置的星轮是单螺杆压缩机的核心部件 电机通过螺杆轴带动星轮旋转工作
4
7
6
11
8
15
不同组合的螺槽容积
理论流量差值 104% 100% 102%
Βιβλιοθήκη Baidu23
14.3主要几何参数
中心距
• 中心距与齿宽满足一 定几何的关系，保证 容积利用率最高
• 中心距过小，会使星 轮装入螺杆齿槽时发 生困难
• A一般取0.8倍左右的 螺杆直径d1
A
24
14.3主要几何参数
啮合角at
标准组合 Z1=6，Z2=11，
i z2 z1
21
14.3主要几何参数
压比对螺杆头数的影响
压比影响Z1取值：Z1越大，压比越大，有效容积减少
4槽
6槽
8槽
22
14.3主要几何参数
压比增大时，增加螺杆头数，有助于减少基元容积之间的泄漏
最优压比 3-4 7-10 10-16
螺杆头数Z1 星轮齿数Z2
31
14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
沿齿宽b方向，建立坐标，取微元 宽度为d，微元沿齿长方向的长度 为m，则微元面积为
dS md
dV dS R1 R d
2
32
14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
封闭螺旋线（进气孔口）
吸气结束后，基元容积应当密封
封闭螺旋线
齿前侧外缘
1960年法国辛麦恩（B.Zimmern）提出单螺杆压缩机并获得专利权
1962年试制出第一台样机，该样机转速达到5000rpm,功率为7.46kW， 样机经受了1000h的寿命试验（水润滑空压机）
70年代初期由法国标致汽车公司正式生产投放市场
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
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14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
• 日本 三井精机公司（MITSUR SEIKI）0.7MPa，1.0～18.5m3/min， 7.5 ～ 37kW；水润滑 小松制作所（KOMATSU）0.7MPa,5.0、7.5m3/min 日本岩田涂装机工业公司(IWATA AIR COMPRESSOR MGT)PC 型，0.7 ～1.2MPa，0.2 ～ 5.8m3/min 大金工业公司（DAIKIN INDUSTRIES） 三菱电机公司（MITSUBISHI ELECTRIC）
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14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
市售单螺杆压缩机产品 • 喷油空气压缩机 • 喷水空气压缩机（单级，两级） • 单螺杆制冷压缩机 • 单螺杆工艺压缩机（喷水、喷油） • 其它：单螺杆MVR（喷水）、单螺杆膨胀机
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14.2 单螺杆压缩机工作原理及特点
基元容积的形成
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14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
• 美国 德莱塞—兰德公司（DRESSER-RAND，单螺杆工艺压缩机，最高 达6MPa，已停产） Vilter(被艾默生收购) 芝加哥风动公司（CHICAGO PNEUMATIC, GRIMMER SCHMIDT ) US NAVY（水润滑空压机） Powerex（PC型）；法国 标致汽车公司（PEUGOT）克利贝里 公司（CREPLLE）
特点三：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；但启动过程润滑差
特点四：泄漏三角形小，效率高 理论上，效率比双螺杆高约3~5%
特点五：结构紧凑，主机体积小 特点六：加工要求高
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
特点七：间隙密封，不适用于高压范围（<6MPa）
• 排气侧轴向长度 l1 • 进气侧轴向长度 l' • 排气侧密封长度 l • 倒角部分轴向长度 Δl=l1-l'
大部分情况下取0 大直径取下限，小直径取上限
l
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14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
最大吸气封闭容积
理论排气量 实际排气量
Vt 2 Z1 Vo n
V Vt v
封闭螺旋线
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14.5热力性能参数
• 排气量（容积流量）
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14.5热力性能参数
单螺杆制冷压缩机绝热效率（R134a，12m3/min）
• 容积流量（排气量）80%
• 转速 • 功率 • 比功率 • 容积效率
绝热效率
70% 60% 50% 40%
13
• 绝热效率
• 进、排气压力，压比 100%
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14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
单螺杆压缩基元容积V，压力p与星轮转角a2的关系
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14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
特点一：结构合理，具有理想的力平衡 不受任何径向或轴向气体力 星轮齿所受的气体力很小
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14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
螺杆受力 齿槽内气体力轴向前、后平衡 螺杆上对称齿槽内的气体力径向互相平衡 螺杆进、排气端面轴向气体力大小相等，互相平衡
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14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
星轮体受力 星轮单齿多齿啮合； 压缩后期、排气阶段受力面积减小； 所受的气体力很小
Fn
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14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
特点二：单机容量大，无余隙容积 螺杆每转一周，每一螺槽均使用两次，螺槽充分利用。 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，理论上不存在余隙容积。
螺杆槽肋的轴向最小厚度e
通常取：e=xd1, x=0.014～0.025 或 e =1.5～5mm
28
14.3主要几何参数
星轮齿宽b
2
Z2
星轮分度角
arcsinb d2 星轮齿宽半角
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14.3主要几何参数
螺杆轴向尺寸
l
l1
l
L l l1 l l
排气过程
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 由排气孔口输送至排 气管道，直至星轮齿 脱离螺槽为止。
13
14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
单螺杆压缩机的螺杆通常有6个螺槽，每个星轮齿将它分隔成上、下 两个空间，各自实现压缩机的工作过程。由于有两个星轮，因此单螺 杆压缩机相当于一台六缸双作用的活塞式压缩机。
机壳（气缸）内壁面 螺杆齿槽面
封闭螺旋线
星轮齿面
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14.2单螺杆压缩机工作原理及特点
基本工作过程
吸气过程
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 一定位置，星轮齿 将螺槽封闭，此时 吸气过程结束。
压缩过程
形成封闭容积后，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。
17:35
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
单螺杆压缩机的一个螺杆可与两个或两个以上星轮啮合。螺杆和星轮按 其外形可分为圆柱型(Cylinder)和平面型(Plane)。
单螺杆压缩机的类型 a）PC型 b）PP型 c）CP型 d）CC型
17:35
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14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
1949年 单螺杆压缩机的雏形来自于年由英国J．w．Goodyear提出的“压 能变换装置”专利
19
14.3主要几何参数
螺杆和星轮的直径
• 大小取决于压缩机的排气量 • 一般螺杆与星轮等径，适当增大星轮直径提高容积利用率，
一般取直径比为1~1.1
螺杆头数和星轮齿数
要求： 1.容积利用率高 2.互质 3.压比
20
14.3主要几何参数
不考虑压比时的可能组合 Z1=4，Z2=7， Z1=8，Z2=15， Z1=6，Z2=11，
考试时间定为15周周六晚上或周日晚上。也就是6月1日 或者6月2日晚上，最后四个班少数服从多数选一个。
38
基元容积
17:35
齿后侧外缘
33
14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
封闭螺旋线（进气孔口）
当星轮齿完全封闭螺杆槽时，螺 槽后侧外缘在气缸内壁面上的投 影线
封闭螺旋线
17:35
34
14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
排气口
基元容积内气体压力达到排气压力时，齿槽前侧外缘在气缸内壁面 的投影
星轮齿从（完全）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at, 一般在90°-95°之间。
at
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14.3主要几何参数
星轮齿宽b
b
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14.3主要几何参数
星轮齿宽b
螺杆外缘上螺杆槽
肋的轴向最小厚度e
27
14.3主要几何参数
星轮齿宽b
星轮齿的宽度b，主要取决于螺杆外缘上
•英国 APV公司（APV HALL PRODUCTS）（McQuay）
•荷兰 格拉莎公司（GRASSO，单螺杆制冷压缩机，87年停产）
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14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
•国内 北一通：上海飞和、佳力士、施奈德（停产） 苏州索贝克、申行健、奥尔夫科等 顺德正力精工（先后被美的、开山收购） 台州杰能、普渡（停产） 苏州利森（制冷） 交大思源、上海好米
80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 缩机
英、法、美、日、荷兰等国家 的厂商可以生产出不同规格单螺 杆压缩机(浮动星轮、喷油、滑 阀)
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14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
• 1975～1988 1975年北一通首先开始研制单螺杆空压机，76年试制出9立方单螺杆 空压机。 经过实践后，发现加工、制造是当时的关键技术。 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。
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7压比 9 11 13
单螺杆制冷压缩机容积效率 （R134a,12m3/min)
容积效率
• 进、排气温度
95%
• 喷液量、喷液温度
90%
85%
80%
1
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压7 比 9
11
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小结
掌握单螺杆压缩机特点，并与双螺杆比较 掌握单螺杆压缩机主要参数定义 了解单螺杆压缩机进排气孔口设计方法 了解单螺杆压缩机运行特性
压缩机原理
第14章 单螺杆压缩机
1
本章内容
14.1发展历程与应用 14.2工作原理及特点 14.3主要几何参数 14.4容积流量计算与进排气孔口设计 14.5热力性能参数
2
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
17:35
14.1 单螺杆压缩机发展历程与应用
一根螺杆与两个轴对称布置的星轮是单螺杆压缩机的核心部件 电机通过螺杆轴带动星轮旋转工作
4
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不同组合的螺槽容积
理论流量差值 104% 100% 102%
Βιβλιοθήκη Baidu23
14.3主要几何参数
中心距
• 中心距与齿宽满足一 定几何的关系，保证 容积利用率最高
• 中心距过小，会使星 轮装入螺杆齿槽时发 生困难
• A一般取0.8倍左右的 螺杆直径d1
A
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14.3主要几何参数
啮合角at
标准组合 Z1=6，Z2=11，
i z2 z1
21
14.3主要几何参数
压比对螺杆头数的影响
压比影响Z1取值：Z1越大，压比越大，有效容积减少
4槽
6槽
8槽
22
14.3主要几何参数
压比增大时，增加螺杆头数，有助于减少基元容积之间的泄漏
最优压比 3-4 7-10 10-16
螺杆头数Z1 星轮齿数Z2
31
14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
沿齿宽b方向，建立坐标，取微元 宽度为d，微元沿齿长方向的长度 为m，则微元面积为
dS md
dV dS R1 R d
2
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14.3 容积流量计算与进排气孔口设计
封闭螺旋线（进气孔口）
吸气结束后，基元容积应当密封
封闭螺旋线
齿前侧外缘
1960年法国辛麦恩（B.Zimmern）提出单螺杆压缩机并获得专利权
1962年试制出第一台样机，该样机转速达到5000rpm,功率为7.46kW， 样机经受了1000h的寿命试验（水润滑空压机）
70年代初期由法国标致汽车公司正式生产投放市场
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