鏈式星輪單螺桿壓縮機的設計與分析

蘇肖雅，歐陽新萍，舒濤

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

單螺桿壓縮機在20世紀60年代被ZI MMERN[1]提出后，逐漸在軍事、機車、航天、化工、石油、制冷等行業得到應用。在低溫制冷領域，螺桿壓縮機相比于活塞式壓縮機具有更高的性價比和適用性[2]。與雙螺桿壓縮機相比，單螺桿壓縮機不僅具備雙螺桿壓縮機結構簡單緊湊、單位容積利用率高和無氣閥組件等特點，還具有自身獨特的優點[3]：單機容量大，無余隙容積；結構合理，具有理想的力平衡性；主機壽命長；維護簡單，易損件少。但是由于單螺桿壓縮機制造工藝要求高、嚙合型線設計復雜、國內制造技術相對落后等因素，其普及性并沒有雙螺桿壓縮機這么高。我國從上世紀70年代開始推動單螺桿壓縮機的研發，國家科研人員、相關企業等進行了大量的試驗和技術研究。文命清等[4]對變頻螺桿壓縮機的發展現狀進行了總結，認為變頻是螺桿壓縮機日后的主要節能方向；陳清[5]將可變容積比技術應用于單螺桿壓縮機中，認為該技術可以提高壓縮機在不同工況下的滿負荷性能系數。

單螺桿壓縮機的核心部件是由螺桿和星輪組成的嚙合副。嚙合副性能的優劣將直接影響壓縮機性能，需要從氣密性、齒面特性及加工工藝性這三方面進行全面考量[6]。嚙合副型線的類型主要有以下幾種：第一類型線——“直線-直線包絡面嚙合副”[7]、第二類型線——“圓臺（柱）-圓臺（柱）包絡面嚙合副”[8]、“直線包絡型”和“圓臺二次包絡型”[9-10]。除了上述經典的嚙合副型線外，吳偉烽等[11]在多直線包絡單螺桿壓縮機的設計基礎上，提出了多圓柱包絡嚙合副以及相應的型線方程，其耐磨與密封性能將有效提高，從而提高單螺桿壓縮機的壽命和容積效率。王可等[12]提出的螺桿槽側面線型屬于圓柱包絡嚙合線，槽底是多直線型包絡面，不僅能保證整機安全、可靠運行，還利于加工的工藝性，確保制造、裝配精度。

星輪作為單螺桿壓縮機的關鍵部件，各位學者也對其進行了多方面的研究。為了研究星輪的幾何參數對壓縮機性能的影響，張淑存等[13]分析了單螺桿壓縮機的結構，建立了中心距與螺桿星輪直徑之間的關系，并根據數值模擬的計算結果，對螺桿星輪直徑比的取值范圍提出了建議。王增麗等[14]側重于研究星輪的幾何參數對壓縮機性能的影響，分析得到壓縮機的排氣量隨星輪螺桿直徑比的增大而增大；在排氣孔口位置不變時，排氣過程的流動阻力損失隨著星輪螺桿直徑比的增大而線性增加。在星輪的理論研究方面，吳偉烽等[15]對直線包絡嚙合副的星輪齒側理論型面進行了研究，直線包絡嚙合副星輪齒的理論型面由二次包絡面、包絡直線和軌跡面這3部分組成，二次包絡面和軌跡面區域均在特定星輪齒轉角范圍內存在接觸線，但并不是同時存在的，為單螺桿壓縮機星輪齒型面的設計提供了理論依據。YANG[16]確定了帶圓錐齒星輪的單螺桿壓縮機的數學模型，為后續的單螺桿壓縮機的發展提供了理論支持。星輪齒的磨損問題已經成為制約單螺桿壓縮機進一步發展的技術瓶頸。李挺等[17]在充分了解星輪齒的磨損過程后，認為提高加工精度和采用高耐磨材料并不能解決磨損問題，采用耐磨損型線才是解決這個問題的最終途徑，其中包括多圓柱包絡型線的實現和基于油膜作用力的型線參數優化。同樣是為了解決星輪的磨損問題，周雷等[18]設計了一種分體式的浮動星輪，詳細分析了塑料星輪片厚度、材料密度、彈性模量、星輪軸承處摩擦系數等關鍵因素對浮動星輪耐磨特性的影響，通過理論計算和實驗研究驗證了其良好的耐磨性能，明顯提高了壓縮機的效率。有著與浮動星輪異曲同工之妙的是，馮全科等[19]提出了單螺桿噴液懸浮嚙合技術和消除星輪液擊技術，是基于多圓柱展成包絡螺桿齒面來實現的，使得星輪齒和螺槽在相互滑動過程中形成潤滑液膜的能力，可以隨著位置的不同而變化，有效地解決了星輪齒與軸承的磨損問題。

由上述分析可以看到，單螺桿壓縮機性能優越，但其型線設計復雜以及嚙合副的加工制造技術要求高，這是單螺桿壓縮機發展的瓶頸所在。為了降低嚙合副型線的設計加工難度，本文設計了一種鏈式星輪單螺桿壓縮機，使得壓縮機核心部件構造簡潔，制造方便，加工成本低。

1 基本結構與工作原理

1.1 基本結構

鏈式星輪單螺桿壓縮機是在傳統單螺桿壓縮機的基礎上設計的一種新型的螺桿壓縮機。目的是簡化單螺桿壓縮機的型線以及解決加工難度高的問題。其基本結構如圖1所示。

圖1 鏈式星輪單螺桿壓縮機的基本結構

電機通過主動軸1帶動轉子轉動，轉子與星輪齒嚙合并與筒體、吸氣或排氣端蓋形成吸氣或排氣封閉容積，轉子帶著星輪齒向左平移，隨著星輪齒的移動，封閉容積逐漸變小，從而形成壓縮效果。與轉子嚙合的星輪齒帶動整個鏈式星輪圍繞兩個或多個鏈輪轉動，鏈輪被殼體包裹。在殼體中注入潤滑油并淹沒下部的星輪齒。星輪齒轉動經過下部時，與潤滑油接觸并攜帶潤滑油至轉子，產生潤滑、密封以及冷卻效果。

1.2 工作原理

鏈式星輪單螺桿壓縮機的工作過程如圖2所示：電機驅動螺桿軸轉動，螺旋轉子驅動鏈式星輪轉動。螺桿轉子的齒間凹槽、星輪齒、和氣缸內壁組成一個獨立的基元容積，與活塞式壓縮機的氣缸容積類似。平行移動的星輪齒相當于活塞式壓縮機的活塞，隨著轉子和星輪的不斷移動，基元容積的大小發生周期性變化。鏈式星輪單螺桿壓縮機和常規單螺桿壓縮機一樣，無吸/排氣閥。

圖2(a)為吸氣、壓縮過程，陰影的齒槽為制冷劑充滿該基元容積并處于吸氣終了狀態。隨著螺桿的轉動，外部星輪齒進入氣缸侵入螺旋槽，隔開吸氣腔，吸氣結束。隨著螺桿的繼續轉動，星輪齒不斷向左推移，該基元容積不斷減小，形成壓縮效果。實際上，該壓縮機的吸氣與壓縮是同時進行的。螺旋槽被星輪齒隔開的兩個基元容積，左邊的基元容積由于星輪齒的不斷推進而體積變小，右邊的基元容積由于星輪齒的不斷向左推移而體積變大，從而吸氣。圖2(b)為排氣過程，基元容積的右端是星輪齒、左端是排氣端蓋，再加上螺旋槽壁和氣缸內壁構成封閉的空間。排氣端蓋上一定的弧度區域開有排氣孔，當螺旋槽左邊旋轉到端蓋的排氣孔區域時，被壓縮的氣體排出。本次設計的壓縮機安裝有滑閥，可以通過滑閥調節排氣孔的位置，從而調節壓縮終了容積，進而調節壓縮終了壓力。

圖2 鏈式星輪單螺桿壓縮機工作原理圖

1.3 結構優勢

將星輪齒的旋轉運動變為沿螺桿軸向的直線運動，使螺桿和星輪齒的嚙合方式變得簡單。在這樣的嚙合方式下，螺旋齒、螺旋槽或星輪齒的橫截面形狀可以是簡單的矩形、梯形或平行四邊形形狀，使得型線變得十分簡單。螺桿和星輪齒的結構因此變得簡單、易加工。

1.4 主要問題

1）鏈條的柔性可能導致星輪齒與螺旋槽之間的嚙合緊密性受到影響，本文采用支撐軸的方式予以解決；

2）星輪齒進出吸氣端蓋和排氣端蓋的密封問題，密封方案是關鍵。

2 主要部件設計

2.1 轉子的設計

單螺桿壓縮機轉子的齒槽數z與所需要的內壓力比有關，齒槽數越多，轉子齒間面積越小，則齒槽長度與齒間面積之比增大，從而提高了內壓力比。本次設計的壓縮機在壓縮方式方面更接近于雙螺桿壓縮機，綜合考慮壓縮機效率以及星輪結構參數，本次設計取轉子齒槽數為6，而6槽對應的內容積比為7～10，故取8為此次所設計的壓縮機的內容積比。

壓縮機的壓縮過程可看作為等熵絕熱壓縮過程，其等熵絕熱功率為：

式中：

Pad——壓縮機的等熵絕熱功率，W；

ps——壓縮機吸氣壓力，Pa；

qvs——壓縮機實際容積流量（吸氣壓力下），m3/s；

κ——被壓縮氣體的等熵指數。

此次設計的壓縮機主要為制冷用壓縮機，因此考慮制冷工質的吸排氣壓力范圍，取此次設計的壓縮機的吸氣壓力為0.2 MPa。

目前單螺桿壓縮機的輸入功率范圍為10 kW～1,000 kW。考慮到此次設計為新型壓縮機，其結構要求轉速略小于一般單螺桿壓縮機，因此，本次設計的壓縮機輸入功率取較小的20 kW。根據式(1)可計算出壓縮機實際容積流量：

2.2 鏈式星輪的設計

2.3 吸排氣口設計

3 壓縮機的運行設計

3.1 密封與潤滑

3.2 泄漏分析

4 總結