鏈?zhǔn)叫禽唵温輻U壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

蘇肖雅，歐陽(yáng)新萍，舒濤

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

單螺桿壓縮機(jī)在20世紀(jì)60年代被ZI MMERN[1]提出后，逐漸在軍事、機(jī)車(chē)、航天、化工、石油、制冷等行業(yè)得到應(yīng)用。在低溫制冷領(lǐng)域，螺桿壓縮機(jī)相比于活塞式壓縮機(jī)具有更高的性?xún)r(jià)比和適用性[2]。與雙螺桿壓縮機(jī)相比，單螺桿壓縮機(jī)不僅具備雙螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、單位容積利用率高和無(wú)氣閥組件等特點(diǎn)，還具有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[3]：?jiǎn)螜C(jī)容量大，無(wú)余隙容積；結(jié)構(gòu)合理，具有理想的力平衡性；主機(jī)壽命長(zhǎng)；維護(hù)簡(jiǎn)單，易損件少。但是由于單螺桿壓縮機(jī)制造工藝要求高、嚙合型線設(shè)計(jì)復(fù)雜、國(guó)內(nèi)制造技術(shù)相對(duì)落后等因素，其普及性并沒(méi)有雙螺桿壓縮機(jī)這么高。我國(guó)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始推動(dòng)單螺桿壓縮機(jī)的研發(fā)，國(guó)家科研人員、相關(guān)企業(yè)等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和技術(shù)研究。文命清等[4]對(duì)變頻螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為變頻是螺桿壓縮機(jī)日后的主要節(jié)能方向；陳清[5]將可變?nèi)莘e比技術(shù)應(yīng)用于單螺桿壓縮機(jī)中，認(rèn)為該技術(shù)可以提高壓縮機(jī)在不同工況下的滿負(fù)荷性能系數(shù)。

單螺桿壓縮機(jī)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(yōu)劣將直接影響壓縮機(jī)性能，需要從氣密性、齒面特性及加工工藝性這三方面進(jìn)行全面考量[6]。嚙合副型線的類(lèi)型主要有以下幾種：第一類(lèi)型線——“直線-直線包絡(luò)面嚙合副”[7]、第二類(lèi)型線——“圓臺(tái)（柱）-圓臺(tái)（柱）包絡(luò)面嚙合副”[8]、“直線包絡(luò)型”和“圓臺(tái)二次包絡(luò)型”[9-10]。除了上述經(jīng)典的嚙合副型線外，吳偉烽等[11]在多直線包絡(luò)單螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出了多圓柱包絡(luò)嚙合副以及相應(yīng)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(jī)的壽命和容積效率。王可等[12]提出的螺桿槽側(cè)面線型屬于圓柱包絡(luò)嚙合線，槽底是多直線型包絡(luò)面，不僅能保證整機(jī)安全、可靠運(yùn)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(jī)的關(guān)鍵部件，各位學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了多方面的研究。為了研究星輪的幾何參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，張淑存等[13]分析了單螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，建立了中心距與螺桿星輪直徑之間的關(guān)系，并根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，對(duì)螺桿星輪直徑比的取值范圍提出了建議。王增麗等[14]側(cè)重于研究星輪的幾何參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，分析得到壓縮機(jī)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(shí)，排氣過(guò)程的流動(dòng)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(duì)直線包絡(luò)嚙合副的星輪齒側(cè)理論型面進(jìn)行了研究，直線包絡(luò)嚙合副星輪齒的理論型面由二次包絡(luò)面、包絡(luò)直線和軌跡面這3部分組成，二次包絡(luò)面和軌跡面區(qū)域均在特定星輪齒轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)存在接觸線，但并不是同時(shí)存在的，為單螺桿壓縮機(jī)星輪齒型面的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。YANG[16]確定了帶圓錐齒星輪的單螺桿壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的單螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展提供了理論支持。星輪齒的磨損問(wèn)題已經(jīng)成為制約單螺桿壓縮機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸。李挺等[17]在充分了解星輪齒的磨損過(guò)程后，認(rèn)為提高加工精度和采用高耐磨材料并不能解決磨損問(wèn)題，采用耐磨損型線才是解決這個(gè)問(wèn)題的最終途徑，其中包括多圓柱包絡(luò)型線的實(shí)現(xiàn)和基于油膜作用力的型線參數(shù)優(yōu)化。同樣是為了解決星輪的磨損問(wèn)題，周雷等[18]設(shè)計(jì)了一種分體式的浮動(dòng)星輪，詳細(xì)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(shù)等關(guān)鍵因素對(duì)浮動(dòng)星輪耐磨特性的影響，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了其良好的耐磨性能，明顯提高了壓縮機(jī)的效率。有著與浮動(dòng)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(shù)和消除星輪液擊技術(shù)，是基于多圓柱展成包絡(luò)螺桿齒面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使得星輪齒和螺槽在相互滑動(dòng)過(guò)程中形成潤(rùn)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(wèn)題。

由上述分析可以看到，單螺桿壓縮機(jī)性能優(yōu)越，但其型線設(shè)計(jì)復(fù)雜以及嚙合副的加工制造技術(shù)要求高，這是單螺桿壓縮機(jī)發(fā)展的瓶頸所在。為了降低嚙合副型線的設(shè)計(jì)加工難度，本文設(shè)計(jì)了一種鏈?zhǔn)叫禽唵温輻U壓縮機(jī)，使得壓縮機(jī)核心部件構(gòu)造簡(jiǎn)潔，制造方便，加工成本低。

1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

鏈?zhǔn)叫禽唵温輻U壓縮機(jī)是在傳統(tǒng)單螺桿壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種新型的螺桿壓縮機(jī)。目的是簡(jiǎn)化單螺桿壓縮機(jī)的型線以及解決加工難度高的問(wèn)題。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鏈?zhǔn)叫禽唵温輻U壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

電機(jī)通過(guò)主動(dòng)軸1帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子帶著星輪齒向左平移，隨著星輪齒的移動(dòng)，封閉容積逐漸變小，從而形成壓縮效果。與轉(zhuǎn)子嚙合的星輪齒帶動(dòng)整個(gè)鏈?zhǔn)叫禽唶@兩個(gè)或多個(gè)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪被殼體包裹。在殼體中注入潤(rùn)滑油并淹沒(méi)下部的星輪齒。星輪齒轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)下部時(shí)，與潤(rùn)滑油接觸并攜帶潤(rùn)滑油至轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生潤(rùn)滑、密封以及冷卻效果。

1.2 工作原理

鏈?zhǔn)叫禽唵温輻U壓縮機(jī)的工作過(guò)程如圖2所示：電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)鏈?zhǔn)叫禽嗈D(zhuǎn)動(dòng)。螺桿轉(zhuǎn)子的齒間凹槽、星輪齒、和氣缸內(nèi)壁組成一個(gè)獨(dú)立的基元容積，與活塞式壓縮機(jī)的氣缸容積類(lèi)似。平行移動(dòng)的星輪齒相當(dāng)于活塞式壓縮機(jī)的活塞，隨著轉(zhuǎn)子和星輪的不斷移動(dòng)，基元容積的大小發(fā)生周期性變化。鏈?zhǔn)叫禽唵温輻U壓縮機(jī)和常規(guī)單螺桿壓縮機(jī)一樣，無(wú)吸/排氣閥。

圖2(a)為吸氣、壓縮過(guò)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(tài)。隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，外部星輪齒進(jìn)入氣缸侵入螺旋槽，隔開(kāi)吸氣腔，吸氣結(jié)束。隨著螺桿的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)際上，該壓縮機(jī)的吸氣與壓縮是同時(shí)進(jìn)行的。螺旋槽被星輪齒隔開(kāi)的兩個(gè)基元容積，左邊的基元容積由于星輪齒的不斷推進(jìn)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(guò)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(nèi)壁構(gòu)成封閉的空間。排氣端蓋上一定的弧度區(qū)域開(kāi)有排氣孔，當(dāng)螺旋槽左邊旋轉(zhuǎn)到端蓋的排氣孔區(qū)域時(shí)，被壓縮的氣體排出。本次設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)安裝有滑閥，可以通過(guò)滑閥調(diào)節(jié)排氣孔的位置，從而調(diào)節(jié)壓縮終了容積，進(jìn)而調(diào)節(jié)壓縮終了壓力。

圖2 鏈?zhǔn)叫禽唵温輻U壓縮機(jī)工作原理圖

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

將星輪齒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檠芈輻U軸向的直線運(yùn)動(dòng)，使螺桿和星輪齒的嚙合方式變得簡(jiǎn)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(jiǎn)單的矩形、梯形或平行四邊形形狀，使得型線變得十分簡(jiǎn)單。螺桿和星輪齒的結(jié)構(gòu)因此變得簡(jiǎn)單、易加工。

1.4 主要問(wèn)題

1）鏈條的柔性可能導(dǎo)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(jìn)出吸氣端蓋和排氣端蓋的密封問(wèn)題，密封方案是關(guān)鍵。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

單螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的齒槽數(shù)z與所需要的內(nèi)壓力比有關(guān)，齒槽數(shù)越多，轉(zhuǎn)子齒間面積越小，則齒槽長(zhǎng)度與齒間面積之比增大，從而提高了內(nèi)壓力比。本次設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)在壓縮方式方面更接近于雙螺桿壓縮機(jī)，綜合考慮壓縮機(jī)效率以及星輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，本次設(shè)計(jì)取轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)為6，而6槽對(duì)應(yīng)的內(nèi)容積比為7～10，故取8為此次所設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)的內(nèi)容積比。

壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程可看作為等熵絕熱壓縮過(guò)程，其等熵絕熱功率為：

式中：

Pad——壓縮機(jī)的等熵絕熱功率，W；

ps——壓縮機(jī)吸氣壓力，Pa；

qvs——壓縮機(jī)實(shí)際容積流量（吸氣壓力下），m3/s；

κ——被壓縮氣體的等熵指數(shù)。

此次設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)主要為制冷用壓縮機(jī)，因此考慮制冷工質(zhì)的吸排氣壓力范圍，取此次設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)的吸氣壓力為0.2 MPa。

目前單螺桿壓縮機(jī)的輸入功率范圍為10 kW～1,000 kW?？紤]到此次設(shè)計(jì)為新型壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)要求轉(zhuǎn)速略小于一般單螺桿壓縮機(jī)，因此，本次設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)輸入功率取較小的20 kW。根據(jù)式(1)可計(jì)算出壓縮機(jī)實(shí)際容積流量：

2.2 鏈?zhǔn)叫禽喌脑O(shè)計(jì)

2.3 吸排氣口設(shè)計(jì)

3 壓縮機(jī)的運(yùn)行設(shè)計(jì)

3.1 密封與潤(rùn)滑

3.2 泄漏分析

4 總結(jié)