螺桿壓縮機研究現(xiàn)狀與熱點

　　分析了近年來螺桿壓縮機的研究現(xiàn)狀，詳細闡述了影響螺桿壓縮機性能的幾個關(guān)鍵問題及研究方法。螺桿壓縮機性能的進一步提高，主要應在型線設(shè)計與轉(zhuǎn)子幾何、熱力過程、加工制造等方面深入研究。

1、前言

　　先進制造技術(shù)的發(fā)展以及許多理論和實踐上的研究成果和發(fā)明創(chuàng)造不斷地應用于生產(chǎn)實際,使螺桿壓縮機在制冷、空調(diào)、空氣動力等領(lǐng)域中得到了迅速發(fā)展。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)縱覽近十幾年來螺桿壓縮機的研究文獻，圍繞提高螺桿壓縮機的性能，主要的研究工作有：(1) 型線幾何和轉(zhuǎn)子幾何；(2) 間隙、氣體泄漏和油的影響；(3) 熱力學( 泄漏、傳熱、油氣換熱的數(shù)學模型，排氣孔口流動) 過程的研究；(4) 刀具計算與研究，生產(chǎn)實際中的問題研究；(5) 轉(zhuǎn)子振動與噪聲，轉(zhuǎn)子碰撞、噴液螺桿機研究等。

2、型線幾何與轉(zhuǎn)子幾何

　　螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)簡單，其核心部件是一對相互嚙合的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的端面型線在很大程度上決定了螺桿壓縮機的性能，螺桿壓縮機性能的提高是伴隨著一代又一代轉(zhuǎn)子型線的成功開發(fā)和應用而發(fā)生的。轉(zhuǎn)子的端面型線由嚙合原理決定。自20 世紀30 年代Lysholm 第一個使用了對稱圓弧型線后，制造商嘗試了許多型線。衡量型線的效率主要有以下幾個因素：(1) 小的接觸力；(2) 光滑的力矩傳遞和油膜形成能力；(3) 較短的嚙合線；(4) 大的容積腔；(5) 容易和高效的生產(chǎn)。圍繞提高型線的效率，型線大致經(jīng)歷了三代發(fā)展歷程：(1) 第一代轉(zhuǎn)子型線是對稱圓弧型線；(2) 20 世紀60 年代以后，隨著噴油技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)生了以SRM- A 型線為代表的第二代轉(zhuǎn)子型線。第二代轉(zhuǎn)子型線是不對稱型線，泄漏三角形面積大為減小，使螺桿機性能大幅提高；(3) 20 世紀80 年代以后，計算機技術(shù)的應用推動了螺桿型線的研究，成型線研究的主要手段，第三代轉(zhuǎn)子型線有很多種，如GHH 型線、日立型線、SRM-D 型線等以及西安交通大學研制開發(fā)的X31 型線、X32 型線等型線。

　　新型線的產(chǎn)生與螺桿嚙合原理的研究息息相關(guān)。鄧定國、束鵬程詳述了轉(zhuǎn)子端面型線生成的解折法；邢子文總結(jié)了型線與轉(zhuǎn)子幾何特性的計算方法；Stosic N 將齒輪與齒條的嚙合原理應用于螺桿壓縮機的端面型線研究中，發(fā)展了N 型型線；Dmytro Zaytsev 則利用嚙合線與端面型線間的關(guān)系，依據(jù)嚙合線來修改、生成端面型線。雙螺桿壓縮機齒間容積間主要有4 個泄漏通道：(1) 轉(zhuǎn)子間的接觸線；(2) 齒頂與氣缸之間的間隙；(3) 排氣端面；(4) 泄漏三角形。泄漏三角形是螺桿壓縮機的幾何特征，它引起的泄漏對容積效率和絕熱效率有獨特的影響。螺桿壓縮機的4 個泄漏通道中，泄漏量最大的兩個通道是接觸線和泄漏三角形，而決定泄漏量大小的重要參數(shù)——接觸線長度和泄漏三角形面積都由轉(zhuǎn)子端面型線和轉(zhuǎn)子幾何參數(shù)決定。準確地計算接觸線長度和泄漏三角形面積是準確評估轉(zhuǎn)子型線性能的前提，反過來，這又可以指導我們設(shè)計出性能更優(yōu)越的轉(zhuǎn)子型線。

3、間隙、氣體泄漏和油的影響

　　雙螺桿壓縮機的熱力學性能受泄漏通道的影響最為強烈。這些泄漏通道是由于工作間隙的需要而在設(shè)計中預留的，或者是由機器本身的幾何特性決定的。在干式螺桿機中，螺桿轉(zhuǎn)子間沒有物理接觸，因而必須在轉(zhuǎn)子間留有足夠的間隙來防止轉(zhuǎn)子干涉。噴油螺桿壓縮機，轉(zhuǎn)子接觸面間有一層油膜來傳遞負載，油膜厚度隨時變化。螺桿轉(zhuǎn)子的密封面則必須有足夠的間隙以保證機器的安全運行。

　　間隙設(shè)計是回轉(zhuǎn)壓縮機中的重要問題�；剞D(zhuǎn)壓縮機一般用間隙來密封氣體，間隙必須足夠小以提高容積效率，同時，必須留有足夠的間隙來防止轉(zhuǎn)子干涉。因此，間隙設(shè)計也是提高機器性能的關(guān)鍵。螺桿壓縮機需要間隙來補償制造缺陷和公差，在負荷工作下，由于溫度和壓力引起的變形，在車間裝配后機器的冷態(tài)間隙與工作中的壓縮機的熱態(tài)間隙顯著不同。文獻研究了轉(zhuǎn)子與氣缸間實際間隙下的熱力性能。負載壓力引起轉(zhuǎn)子和軸承偏斜，負載溫度引起轉(zhuǎn)子和腔體變形,所有這些因素相互聯(lián)系，影響運行中各個部位的泄漏通道的間隙大小和流態(tài)，對性能產(chǎn)生顯著影響。

　　日立公司根據(jù)轉(zhuǎn)子熱彈性變形的分析結(jié)果,對陰、陽轉(zhuǎn)子齒形修正、加工滾刀熱補償設(shè)計、轉(zhuǎn)子配合間隙的確定進行了探討，發(fā)現(xiàn)采用補償計法與過去不考慮轉(zhuǎn)子熱變形的設(shè)計方法相比,運轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子間隙可以減少約40% ~ 50%。樣機試驗表明，在壓比為8 時，壓縮機容積效率提高30% ，絕熱效率提高38% 。故對螺桿壓縮機齒間間隙的研究，是進一步提高螺桿機性能的重要途徑。文獻用轉(zhuǎn)子間軸向間隙在轉(zhuǎn)子齒面法向的投影作為轉(zhuǎn)子間的間隙，得到了轉(zhuǎn)子間間隙的等高線分布，但是只能計算轉(zhuǎn)子處于理想位置的情況。文獻研究轉(zhuǎn)子軸偏離理想位置的情況，將空間的三維問題簡化為端面平面上的二維問題進行研究，進而研究轉(zhuǎn)子的干涉。由于間隙與螺桿端面型線、齒間間隙獲得方法、加工精度、零部件變形等許多因素相關(guān)，間隙值的確定是一項復雜和困難的工作，到目前為止，還沒有完全解決這一問題。

　　噴油螺桿壓縮機性能上的重要保證是向工作腔中噴入大量的潤滑油。潤滑油起到潤滑、降噪、密封和冷卻的作用。噴油螺桿壓縮機要達到良好的壓縮腔的密封，必須提供大大超過合適的齒與齒間潤滑所需的油量。油量的增加超過了最佳值，不會達到更好的密封效果，但是大量的油通油、氣熱交換降低了排氣溫度，使單級壓縮達到了更高的壓力比。大量的油通過油-氣換熱、油-殼體換熱、氣-殼體換熱，影響工作腔內(nèi)氣體的熱力過程，但這一過程十分復雜，由于我們不能確定腔中油的分布、速度等狀態(tài)，所以還沒有一個詳盡的理論上或?qū)嶒炆系慕忉�。在制冷壓縮機中，由于油中溶有大量的制冷劑，在壓力降低時，制冷劑會從油中散發(fā)出來，增加了工作腔內(nèi)的工質(zhì)，同時制冷劑的散發(fā)需要吸收汽化潛熱，從而引起溫度改變。

　　噴入的潤滑油一方面降低了工作腔內(nèi)溫度,使壓縮過程向等溫過程靠近，從而減少了功耗；另一方面，噴入的油增加了粘性剪切力和攪拌功。因此，存在一個最佳噴油量使得耗功量少。而通過提高噴油壓力來強化油的霧化效果，使壓縮過程逼近等溫過程是得不償失的，因為噴油耗功過大。

3、熱力學過程的研究

　　熱力學過程的研究主要圍繞泄漏、傳熱、排氣孔口流動三個方面。傳熱是回轉(zhuǎn)壓縮機中的重要問題，在干式螺桿壓縮機中，內(nèi)部的熱如果不能導出，工作腔溫升很大，使轉(zhuǎn)子與腔體產(chǎn)生過大的熱膨脹變形，影響機器的性能和可靠性，因此，往往噴水或噴入其它工質(zhì)將熱量導出。噴油螺桿機器中，噴入的滑潤油與工質(zhì)間產(chǎn)生強烈的熱交換，使排氣溫度控制在合理的范圍內(nèi)。由于噴入的水、油或其它冷卻劑在螺桿工作腔內(nèi)的運動和分布是非常復雜的，所以螺桿壓縮機工作腔內(nèi)的傳熱計算有較大的難度。螺桿機工作腔內(nèi)的傳熱主要分為油、水或制冷劑與氣體間的熱交換，壁面與油之間的交換，壁面與氣體間的熱交換幾個部分。

　　壁面與工質(zhì)間的熱交換有各種算法，有的獻認為換熱量與基元容積成正比，有的文獻認為換熱量與換熱面積成正比。由于螺桿轉(zhuǎn)速很高,這部分換熱的量較小，計算模型的不同基本上不會對熱力過程產(chǎn)生明顯的影響，而對熱力過程產(chǎn)生強烈影響的是油、水、制冷劑與氣體間的換熱。油在工作腔內(nèi)的運動過于復雜，文獻將油的行為簡化為油滴在空間中的飛行，油滴的數(shù)量及大小用油在噴咀中霧化的模型進行計算；文獻研究了不同油滴大小情況下計算出的排氣口油氣兩相溫差，發(fā)現(xiàn)能夠得到合理的結(jié)果。也有采用較為簡單的方法，計算油滴與油膜的總面積，從宏觀角度求得其換熱量。對于噴水或噴制冷劑的情況，則必須考慮液滴在飛行中汽化蒸發(fā)的情況，以及由于液滴蒸發(fā)引起的液滴過冷。

　　評價回轉(zhuǎn)壓縮機性能優(yōu)劣的重要指標是容積效率，而泄漏是影響回轉(zhuǎn)壓縮機容積效率的最重要因素。螺桿壓縮機采用間隙節(jié)流密封，工作腔內(nèi)又含有大量的潤滑油，它的泄漏通道有多種，且泄漏通道內(nèi)長度、各泄漏通道內(nèi)的油氣分布與流態(tài)，都在隨時變化，因此泄漏計算較為復雜。泄漏量的計算模型可分為噴管模型、粘性流動模型、一元有摩擦絕熱流動、流體數(shù)值計算方法等。需要指出的是：泄漏通道內(nèi)的流動復雜，但泄漏通道內(nèi)的流動的最大速度由當?shù)匾羲贈Q定，這種現(xiàn)象稱為阻塞現(xiàn)象。螺桿壓縮機泄漏通道可分為5 條:陰、陽轉(zhuǎn)子接觸線、轉(zhuǎn)子齒頂與氣缸間的密封線、泄漏三角形、吸氣端的端面間隙和排氣端的端面間隙。由于各個通道的幾何形狀、工作狀態(tài)差別很大，因此，根據(jù)不同泄漏通道的具體工作條件和流態(tài)選用不同的計算模型是準確計算的關(guān)鍵。螺桿機中大多噴入一定量的潤滑油，因此，泄漏通道內(nèi)的流態(tài)十分復雜，且隨著工作腔狀態(tài)的不同，工作腔內(nèi)油氣的體積比變化很大，這直接影響泄漏通道內(nèi)油氣泄漏量的比例。因此，泄漏模型不與泄漏通道有關(guān)，而且與工作時段有關(guān)，是隨壓縮機主軸轉(zhuǎn)角而變化的。

4、刀具和生產(chǎn)中問題的研究

　　螺桿壓縮機生產(chǎn)中的關(guān)鍵是高精度螺桿轉(zhuǎn)子的加工和管理，目前轉(zhuǎn)子的加工方法有銑削加工法、滾削加工法、磨削加工法、精密鑄造法等。銑刀的設(shè)計原理在文獻、中有詳細的說明，文獻中推導了滾刀的設(shè)計方法。輪廓銑的方法目前使用最多，它使用多刀片的成型銑刀，銑刀需在具有精密輪廓測量的專用工具磨床上制造。它對刀具的管理較為嚴格，磨削的方法可以獲得很高的加工精度，并且可以加工/ 硬齒面0 的轉(zhuǎn)子。最近，由Holroyd 公司開發(fā)的新型轉(zhuǎn)子磨床將螺桿轉(zhuǎn)子的加工水平提升到新的水平。該機床將磨床、砂輪修整器、三坐標測量機集成在一臺機床中，可在加工過程中對工件進行測量，修整砂輪,從而使加工的螺桿轉(zhuǎn)子的齒廓誤差在正負5um 的區(qū)域內(nèi)。滾切的方法也很精密，且加工效率較高，但因為滾刀的購買、測量和維護費用高，所以沒有廣泛用于轉(zhuǎn)子加工。

　　銑削和磨削加工中，刀具的管理是生產(chǎn)中的重要問題，直接與轉(zhuǎn)子的加工精度、刀具的管理費用等相關(guān)。因此，優(yōu)化刀具輪廓和加工中的參數(shù)可以提高轉(zhuǎn)子精度和壓縮機性能，降低生產(chǎn)成本。文獻研究了加工參數(shù)的變化，表明了這些偏差是如何影響轉(zhuǎn)子型線形狀和轉(zhuǎn)子齒間間隙的。通過改變加工參數(shù)可以得到不同的端面型線，可以模擬出加工中的公差帶，且各種不同型線對加工參數(shù)的反應也各不相同。

　　刀具形狀對轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)成本也有重要影響,為了保證轉(zhuǎn)子加工的精度，如果刀具有中斷現(xiàn)象或尖點，或刀具有的區(qū)域有過小的曲率，則增加了刀具的修磨次數(shù)，從而增大了生產(chǎn)成本。文獻優(yōu)化了刀具的形狀，并討論了刀具設(shè)置參數(shù)的影響。

5、其它研究

　　除了高效螺桿轉(zhuǎn)子的研究，對螺桿的低噪聲化方面的研究也有報道。螺桿轉(zhuǎn)子的齒形形狀誤差、回轉(zhuǎn)傳遞誤差、周期性的負載都會使陰、陽轉(zhuǎn)子齒面發(fā)生反復碰撞，從而增大了振動和噪聲。很多研究者對壓縮機的內(nèi)部流動建立數(shù)學模型,且進行性能模擬和分析，將此用于壓縮機新產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)。近幾年CFD 的流體分析技術(shù)也應用于壓縮機的研究，可以進行壓縮機內(nèi)部更詳細的研究( 包括壓縮機內(nèi)部流場、油氣的分布等) 。其它研究包括壓縮機振動與噪聲、軸承負載、止回閥研究、壓縮機的磨損、排氣管道內(nèi)的壓力脈動等。

6、結(jié)語

　　近年來，螺桿壓縮機的制造技術(shù)提高很快，這對壓縮機的研究、設(shè)計提出了更高的要求。螺桿壓縮機具有獨特的優(yōu)良性能，但是要繼續(xù)保持優(yōu)勢還需要借助于許多新的研究手段與工具，在型線設(shè)計、熱力過程、加工制造等方面進行深入研究。螺桿壓縮機的研究必然會改進壓縮機的設(shè)計工作，從而不斷提升機器的性能。螺桿壓縮機的性能還有較大的提升空間，可以預測，螺桿壓縮機的性能將會穩(wěn)步提高，其應用范圍也還會擴大。