螺杆压缩机研究现状与热点

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学 作者:熊伟

  分析了近年来螺杆压缩机的研究现状,详细阐述了影响螺杆压缩机性能的几个关键问题及研究方法。螺杆压缩机性能的进一步提高,主要应在型线设计与转子几何、热力过程、加工制造等方面深入研究。

1、前言

  先进制造技术的发展以及许多理论和实践上的研究成果和发明创造不断地应用于生产实际,使螺杆压缩机在制冷、空调、空气动力等领域中得到了迅速发展。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)纵览近十几年来螺杆压缩机的研究文献,围绕提高螺杆压缩机的性能,主要的研究工作有:(1) 型线几何和转子几何;(2) 间隙、气体泄漏和油的影响;(3) 热力学( 泄漏、传热、油气换热的数学模型,排气孔口流动) 过程的研究;(4) 刀具计算与研究,生产实际中的问题研究;(5) 转子振动与噪声,转子碰撞、喷液螺杆机研究等。

2、型线几何与转子几何

  螺杆压缩机结构简单,其核心部件是一对相互啮合的转子,转子的端面型线在很大程度上决定了螺杆压缩机的性能,螺杆压缩机性能的提高是伴随着一代又一代转子型线的成功开发和应用而发生的。转子的端面型线由啮合原理决定。自20 世纪30 年代Lysholm 第一个使用了对称圆弧型线后,制造商尝试了许多型线。衡量型线的效率主要有以下几个因素:(1) 小的接触力;(2) 光滑的力矩传递和油膜形成能力;(3) 较短的啮合线;(4) 大的容积腔;(5) 容易和高效的生产。围绕提高型线的效率,型线大致经历了三代发展历程:(1) 第一代转子型线是对称圆弧型线;(2) 20 世纪60 年代以后,随着喷油技术的发展,产生了以SRM- A 型线为代表的第二代转子型线。第二代转子型线是不对称型线,泄漏三角形面积大为减小,使螺杆机性能大幅提高;(3) 20 世纪80 年代以后,计算机技术的应用推动了螺杆型线的研究,成型线研究的主要手段,第三代转子型线有很多种,如GHH 型线、日立型线、SRM-D 型线等以及西安交通大学研制开发的X31 型线、X32 型线等型线。

  新型线的产生与螺杆啮合原理的研究息息相关。邓定国、束鹏程详述了转子端面型线生成的解折法;邢子文总结了型线与转子几何特性的计算方法;Stosic N 将齿轮与齿条的啮合原理应用于螺杆压缩机的端面型线研究中,发展了N 型型线;Dmytro Zaytsev 则利用啮合线与端面型线间的关系,依据啮合线来修改、生成端面型线。双螺杆压缩机齿间容积间主要有4 个泄漏通道:(1) 转子间的接触线;(2) 齿顶与气缸之间的间隙;(3) 排气端面;(4) 泄漏三角形。泄漏三角形是螺杆压缩机的几何特征,它引起的泄漏对容积效率和绝热效率有独特的影响。螺杆压缩机的4 个泄漏通道中,泄漏量最大的两个通道是接触线和泄漏三角形,而决定泄漏量大小的重要参数——接触线长度和泄漏三角形面积都由转子端面型线和转子几何参数决定。准确地计算接触线长度和泄漏三角形面积是准确评估转子型线性能的前提,反过来,这又可以指导我们设计出性能更优越的转子型线。

3、间隙、气体泄漏和油的影响

  双螺杆压缩机的热力学性能受泄漏通道的影响最为强烈。这些泄漏通道是由于工作间隙的需要而在设计中预留的,或者是由机器本身的几何特性决定的。在干式螺杆机中,螺杆转子间没有物理接触,因而必须在转子间留有足够的间隙来防止转子干涉。喷油螺杆压缩机,转子接触面间有一层油膜来传递负载,油膜厚度随时变化。螺杆转子的密封面则必须有足够的间隙以保证机器的安全运行。

  间隙设计是回转压缩机中的重要问题。回转压缩机一般用间隙来密封气体,间隙必须足够小以提高容积效率,同时,必须留有足够的间隙来防止转子干涉。因此,间隙设计也是提高机器性能的关键。螺杆压缩机需要间隙来补偿制造缺陷和公差,在负荷工作下,由于温度和压力引起的变形,在车间装配后机器的冷态间隙与工作中的压缩机的热态间隙显著不同。文献研究了转子与气缸间实际间隙下的热力性能。负载压力引起转子和轴承偏斜,负载温度引起转子和腔体变形,所有这些因素相互联系,影响运行中各个部位的泄漏通道的间隙大小和流态,对性能产生显著影响。

  日立公司根据转子热弹性变形的分析结果,对阴、阳转子齿形修正、加工滚刀热补偿设计、转子配合间隙的确定进行了探讨,发现采用补偿计法与过去不考虑转子热变形的设计方法相比,运转中转子间隙可以减少约40% ~ 50%。样机试验表明,在压比为8 时,压缩机容积效率提高30% ,绝热效率提高38% 。故对螺杆压缩机齿间间隙的研究,是进一步提高螺杆机性能的重要途径。文献用转子间轴向间隙在转子齿面法向的投影作为转子间的间隙,得到了转子间间隙的等高线分布,但是只能计算转子处于理想位置的情况。文献研究转子轴偏离理想位置的情况,将空间的三维问题简化为端面平面上的二维问题进行研究,进而研究转子的干涉。由于间隙与螺杆端面型线、齿间间隙获得方法、加工精度、零部件变形等许多因素相关,间隙值的确定是一项复杂和困难的工作,到目前为止,还没有完全解决这一问题。

  喷油螺杆压缩机性能上的重要保证是向工作腔中喷入大量的润滑油。润滑油起到润滑、降噪、密封和冷却的作用。喷油螺杆压缩机要达到良好的压缩腔的密封,必须提供大大超过合适的齿与齿间润滑所需的油量。油量的增加超过了最佳值,不会达到更好的密封效果,但是大量的油通油、气热交换降低了排气温度,使单级压缩达到了更高的压力比。大量的油通过油-气换热、油-壳体换热、气-壳体换热,影响工作腔内气体的热力过程,但这一过程十分复杂,由于我们不能确定腔中油的分布、速度等状态,所以还没有一个详尽的理论上或实验上的解释。在制冷压缩机中,由于油中溶有大量的制冷剂,在压力降低时,制冷剂会从油中散发出来,增加了工作腔内的工质,同时制冷剂的散发需要吸收汽化潜热,从而引起温度改变。

  喷入的润滑油一方面降低了工作腔内温度,使压缩过程向等温过程靠近,从而减少了功耗;另一方面,喷入的油增加了粘性剪切力和搅拌功。因此,存在一个最佳喷油量使得耗功量少。而通过提高喷油压力来强化油的雾化效果,使压缩过程逼近等温过程是得不偿失的,因为喷油耗功过大。

3、热力学过程的研究

  热力学过程的研究主要围绕泄漏、传热、排气孔口流动三个方面。传热是回转压缩机中的重要问题,在干式螺杆压缩机中,内部的热如果不能导出,工作腔温升很大,使转子与腔体产生过大的热膨胀变形,影响机器的性能和可靠性,因此,往往喷水或喷入其它工质将热量导出。喷油螺杆机器中,喷入的滑润油与工质间产生强烈的热交换,使排气温度控制在合理的范围内。由于喷入的水、油或其它冷却剂在螺杆工作腔内的运动和分布是非常复杂的,所以螺杆压缩机工作腔内的传热计算有较大的难度。螺杆机工作腔内的传热主要分为油、水或制冷剂与气体间的热交换,壁面与油之间的交换,壁面与气体间的热交换几个部分。

  壁面与工质间的热交换有各种算法,有的献认为换热量与基元容积成正比,有的文献认为换热量与换热面积成正比。由于螺杆转速很高,这部分换热的量较小,计算模型的不同基本上不会对热力过程产生明显的影响,而对热力过程产生强烈影响的是油、水、制冷剂与气体间的换热。油在工作腔内的运动过于复杂,文献将油的行为简化为油滴在空间中的飞行,油滴的数量及大小用油在喷咀中雾化的模型进行计算;文献研究了不同油滴大小情况下计算出的排气口油气两相温差,发现能够得到合理的结果。也有采用较为简单的方法,计算油滴与油膜的总面积,从宏观角度求得其换热量。对于喷水或喷制冷剂的情况,则必须考虑液滴在飞行中汽化蒸发的情况,以及由于液滴蒸发引起的液滴过冷。

  评价回转压缩机性能优劣的重要指标是容积效率,而泄漏是影响回转压缩机容积效率的最重要因素。螺杆压缩机采用间隙节流密封,工作腔内又含有大量的润滑油,它的泄漏通道有多种,且泄漏通道内长度、各泄漏通道内的油气分布与流态,都在随时变化,因此泄漏计算较为复杂。泄漏量的计算模型可分为喷管模型、粘性流动模型、一元有摩擦绝热流动、流体数值计算方法等。需要指出的是:泄漏通道内的流动复杂,但泄漏通道内的流动的最大速度由当地音速决定,这种现象称为阻塞现象。螺杆压缩机泄漏通道可分为5 条:阴、阳转子接触线、转子齿顶与气缸间的密封线、泄漏三角形、吸气端的端面间隙和排气端的端面间隙。由于各个通道的几何形状、工作状态差别很大,因此,根据不同泄漏通道的具体工作条件和流态选用不同的计算模型是准确计算的关键。螺杆机中大多喷入一定量的润滑油,因此,泄漏通道内的流态十分复杂,且随着工作腔状态的不同,工作腔内油气的体积比变化很大,这直接影响泄漏通道内油气泄漏量的比例。因此,泄漏模型不与泄漏通道有关,而且与工作时段有关,是随压缩机主轴转角而变化的。

4、刀具和生产中问题的研究

  螺杆压缩机生产中的关键是高精度螺杆转子的加工和管理,目前转子的加工方法有铣削加工法、滚削加工法、磨削加工法、精密铸造法等。铣刀的设计原理在文献、中有详细的说明,文献中推导了滚刀的设计方法。轮廓铣的方法目前使用最多,它使用多刀片的成型铣刀,铣刀需在具有精密轮廓测量的专用工具磨床上制造。它对刀具的管理较为严格,磨削的方法可以获得很高的加工精度,并且可以加工/ 硬齿面0 的转子。最近,由Holroyd 公司开发的新型转子磨床将螺杆转子的加工水平提升到新的水平。该机床将磨床、砂轮修整器、三坐标测量机集成在一台机床中,可在加工过程中对工件进行测量,修整砂轮,从而使加工的螺杆转子的齿廓误差在正负5um 的区域内。滚切的方法也很精密,且加工效率较高,但因为滚刀的购买、测量和维护费用高,所以没有广泛用于转子加工。

  铣削和磨削加工中,刀具的管理是生产中的重要问题,直接与转子的加工精度、刀具的管理费用等相关。因此,优化刀具轮廓和加工中的参数可以提高转子精度和压缩机性能,降低生产成本。文献研究了加工参数的变化,表明了这些偏差是如何影响转子型线形状和转子齿间间隙的。通过改变加工参数可以得到不同的端面型线,可以模拟出加工中的公差带,且各种不同型线对加工参数的反应也各不相同。

  刀具形状对转子的生产成本也有重要影响,为了保证转子加工的精度,如果刀具有中断现象或尖点,或刀具有的区域有过小的曲率,则增加了刀具的修磨次数,从而增大了生产成本。文献优化了刀具的形状,并讨论了刀具设置参数的影响。

5、其它研究

  除了高效螺杆转子的研究,对螺杆的低噪声化方面的研究也有报道。螺杆转子的齿形形状误差、回转传递误差、周期性的负载都会使阴、阳转子齿面发生反复碰撞,从而增大了振动和噪声。很多研究者对压缩机的内部流动建立数学模型,且进行性能模拟和分析,将此用于压缩机新产品的设计与开发。近几年CFD 的流体分析技术也应用于压缩机的研究,可以进行压缩机内部更详细的研究( 包括压缩机内部流场、油气的分布等) 。其它研究包括压缩机振动与噪声、轴承负载、止回阀研究、压缩机的磨损、排气管道内的压力脉动等。

6、结语

  近年来,螺杆压缩机的制造技术提高很快,这对压缩机的研究、设计提出了更高的要求。螺杆压缩机具有独特的优良性能,但是要继续保持优势还需要借助于许多新的研究手段与工具,在型线设计、热力过程、加工制造等方面进行深入研究。螺杆压缩机的研究必然会改进压缩机的设计工作,从而不断提升机器的性能。螺杆压缩机的性能还有较大的提升空间,可以预测,螺杆压缩机的性能将会稳步提高,其应用范围也还会扩大。

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