螺桿壓縮機設計理論與關鍵技術的研究和開發

摘要：本文在螺桿壓縮機動力學與熱力學的基礎上，構建了有關螺桿壓縮機在工作中的數學模型，且在油分布的可視化等實驗分析前提下，說明了螺桿壓縮機動力性能與熱力性能等相關設計參數之間存在的內部聯系與規律，從而構建出完善的螺桿壓縮機設計理論。之后在該設計理論的支持下，進行了刀具刃形以及轉子型線等軟件與技術的設計與開發。

關鍵字：螺桿壓縮機；設計理論；關鍵技術

引言

螺桿壓縮機又叫做螺旋式壓縮機，主要包括螺桿工藝壓縮機、螺桿空氣壓縮機。該機械設備具有操作簡單、較高的可靠性、簡單的結構以及便于維修保養等特點，在石油、化工、空氣動力等領域中運用十分普遍。在1978年我國開始設計并生產了螺桿壓縮機，在某種程度上滿足了市場對螺桿壓縮機的需要，但是由于技術落后，使得所生產出的產品噪音較大、能源消耗較高。因此，我國應該加強對螺桿壓縮機的研究與開發，以便滿足市場與工業發展的需要。

1.關于螺桿壓縮機的設計理論

1.1設計理論研究

螺桿壓縮機的一種運用較為廣泛且新型的回轉壓縮機，主要由陽螺桿與陰螺桿構成，這對螺桿是相互嚙合且平行的。該設備的工作情況見下圖1，由圖可知轉子斷面就是排氣斷面，照順時針方向對陽轉子進行旋轉，照逆時針方向對陰轉子進行旋轉，兩個轉子之間相互嚙合且同時進行旋轉，從而構成工作腔容積的改變，最終完成一系列的工作過程[1]。實際情況下，螺桿壓縮機的工作過程就是一個變質量熱力的過程，它受到很多因素的綜合影響。所以，要想正確、清楚了解螺桿壓縮機的實際工作情況，就必須構建與螺桿壓縮機動力特點與熱力性能相融的數學模型。

1.1.1.螺桿壓縮機工作過程的數學模型：應該建立熱力學模型，且將傳熱、補氣、工質物性、結構參數以及噴油等多種影響因素考慮進去，使模型與仿真軟件能夠對螺桿壓縮機的工作過程進行分析與研究，以便較好的處理該設備設計優化以及性能預測的問題，進而為之后螺桿壓縮機的設計與開發打下堅實的基礎，以下是其工作過程數學模型基本控制方程組的數學公式：

（1）

1.1.2.計算排氣壓力脈動的數值：螺桿壓縮機出現振動與噪音的原因主要在于排氣壓力脈動，在對其展開分析與研究過程中，研究人員能夠掌握螺桿壓縮機出現振動與噪音的機理，這不但能夠提供有關管路系統振動分析的理論依據，并能夠為設計螺桿壓縮機排氣孔口與流道的打下堅實的基礎，進而使振動與噪音能夠得到有效的控制[2]。在進一步研究排氣壓力脈動之后，發現在對螺桿壓縮機的排氣壓力脈動進行分析時，采用平面波動理論完全適合，因為其振動的幅度比平面波動理論的范圍要大，所以對螺桿壓縮機排氣壓力脈動的模擬計算，采取“一維非定常氣流方程組”，這能夠有利于對排氣壓力脈動機理的進一步掌握，從而為之后降低噪音打下研究的基礎。具體的公式如下：

（2）

1.2相關實驗研究

以下將對螺桿壓縮機油分布的可視化進行研究。在研究過程中發現潤滑油的分布與霧化將會對螺桿壓縮機的可靠性、泄漏等產生一定的影響。由于數學模型無法計算或正確描述油的分布狀況，因此，本次研究使用自行搭建的油分布可視化實驗臺與PIV激光測試設備，對螺桿壓縮機的油分布情況的可視化進行了研究，發現螺桿壓縮機泄露程度的主要影響因素是噴油，進而掌握螺桿壓縮機中各個間隙的分布情況，以便加強其可靠性與熱力性能。

2.螺桿壓縮機關鍵技術的開發

2.1螺桿轉子刀具刃形設計的關鍵技術

通過螺桿壓縮機設計理論的研究發現，壓縮機性能受到轉子間隙的影響，其轉子間隙又受到例如噴油、加工等的影響，可見，要想將螺桿壓縮機朝產業化方向發展，就必須處理好刀具刃形的設計技術[3]。在本次研究中，采用不等距方法對嚙合間隙進行設計，并在節圓周圍安裝驅動帶，形成轉子刀具刃形的設計，這種設計技術能夠使轉子加工的效率與精細度得到提升，從而有效改進壓縮機的可靠性。

螺桿壓縮機的性能受到刀具刃形的影響，在對轉子進行加工時，刀具刃形能夠確保轉子型線的精細度。在型線理論的前提下，應該對各點之間的間隙進行設定，這能夠避免轉子在工作過程時出現變形，且能夠對加工出現的誤差進行補償。本次研究中對間隙的設定時，詳細的分析且計算了型線的各個位置的變形情況，構成了嚙合間隙設定的不等距方法，且在刀具刃形設計過程中加入該方法。

2.2螺桿壓縮機調節的設計與研究

螺桿壓縮機進行運作時，外部的使用情況將會對其帶來一定的影響。因此，應該對其本身的運作情況進行有效的調節，以便確保螺桿壓縮機的使用效率。此外，設備的可靠性以及性能與壓縮機的潤滑系統有一定的關聯。本次對螺桿壓縮機的內容積比與能量調節機理進行了研究，且給出了“只對有關的油路中的電磁閥進行控制，就能對內容積比與能量進行同步調整的一種較為新型的調節機構”。

3.螺桿空氣壓縮機產品的研究與開發

在我國，很多企業都有生產螺桿空氣壓縮機，生產時主要是從國外引進螺桿機頭，并對其進行組合。面對這種狀況，本次分析了壓縮機的油分布與動力特點對泄露帶來的影響，采用了多種設計技術以及研究成果，例如油分布可視化研究等，研究并開發了噴油螺桿空氣壓縮機。

噴油螺桿空氣壓縮機經典系列產品有普通動力用噴油螺桿空氣壓縮機與城市輕軌車輛用噴油螺桿空氣壓縮機。這個經典系列的產品采用了螺桿壓縮機的油分布可視化的研究。針對螺桿空氣壓縮機的不同需要，對大小不一的噴油孔口以及相對應的位置進行了優化處理，以便確保能夠獲得較好的霧化作用和噴油量的適合，從而實現較好的冷卻、密封以及潤滑效果。此外運用螺桿壓縮機有關動力特點的分析與研究，改善螺桿空氣壓縮機的型線。在一個方面上使轉子所承受的氣體軸向力得到一定的下降，延長了壓縮機的使用期限；另一個方面上能科學分配轉子間的力矩。

4.對螺桿工藝壓縮機的改進

螺桿工藝壓縮機普遍在石油、化工企業中運用。目前，我國石油企業所使用的螺桿工藝壓縮機是引進國外的產品，這是因為螺桿工藝壓縮機的設計難度比較大，國內對該方面的設計技術還不夠成熟。在本次研究技術的指導下，改進了國外的噴水螺桿解析氣壓縮機。考慮到該種螺桿壓縮機使用的具體情況，研究了一種轉子新型線，該型線具有較高的效能。螺桿壓縮機進行改進之后，其可靠性得到有效的提升，且提高了其排氣量，降低了耗水量，使得PSA設備的整體產量得到明顯的提升，且所需的運行成本也有所下降，提高了企業的經濟效益。

5.結束語：

本文對螺桿壓縮機的設計理論進行分析與研究，且構建壓縮機工作過程的實驗測錄以及數學模型，并對相關理論進行實驗分析，將螺桿壓縮機的動力性能、熱力性能和轉子型線設計的有關參數內部情況進行全面且精確的說明，構成了一套全面的螺桿壓縮機設計理論。之后在設計理論研究的前提下，對很多關鍵性的技術進行研究，例如轉子刀具刃形的設計技術等，從而對當前行業中存在的共性進行處理與解決，以便達到螺桿壓縮機產品研究與開發，且實現產品批量生產的目標，使所生產出來的新型螺桿壓縮機能夠在石油、化工、空調制冷以及空氣動力等領域中得到廣泛的使用。

參考文獻

[1]趙萬勇，張凡，王振，張亮.旋渦泵的研究現狀與發展方向[J].中國農村水利水電. 2010（04）

[2]楊炳春，李建風，邢子文，等.無油螺桿空氣壓縮機轉子變形分析[J].壓縮機技術， 2009（1）：8-11

[3]李彩娟，段爽月，張涵，張曉冬.基于集成服務的協同產品開發按需服務平臺[J].重慶大學學報.2009（04）

作者簡介：

劉林 ，女，1979年8月，漢族，貴州省貴陽市人，貴州大學碩士，貴州工業職業技術學院，講師，研究方向：機械工程