螺桿壓縮機的基礎(chǔ)知識

螺桿壓縮機分為單螺桿壓縮機,、雙螺桿壓縮機和三螺桿壓縮機，最早由德國人H.Krigar于1878年提出,，直到1934年瑞典皇家理工學(xué)院A.Lysholm才奠定該項技術(shù),，并開始在工業(yè)上應(yīng)用，取得迅速的發(fā)展,。制冷空調(diào)領(lǐng)域最常用的螺桿壓縮機形式為雙螺桿壓縮機,。

雙螺桿壓縮機基本結(jié)構(gòu)

通常我們所說的螺桿壓縮機即指雙螺桿壓縮機，它的基本結(jié)構(gòu)如上圖所示,。在壓縮機的主機中平行地配置著一對相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子,，通常把節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子（從橫截面看），稱為陽轉(zhuǎn)子或陽螺桿,；把節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子（從橫截面看）,，稱為陰轉(zhuǎn)子或陰螺桿。一般陽轉(zhuǎn)子作為主動轉(zhuǎn)子,，由陽轉(zhuǎn)子帶動陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,。轉(zhuǎn)子上的球軸承使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)軸向定位，并承受壓縮機中的軸向力,。轉(zhuǎn)子兩端的圓錐滾子推力軸承使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)徑向定位，并承受壓縮機中的徑向力和軸向力,。在壓縮機主機兩端分別開設(shè)一定形狀和大小的孔口,，一個供吸氣用的叫吸氣口；另一個供排氣用的叫排氣口,。

工作原理

螺桿壓縮機的工作循環(huán)可分為吸氣過程（包括吸氣和封閉過程）,、壓縮過程和排氣過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán),，為簡單起見我們只對其中的一對齒進行研究,。

吸氣過程

（a）吸氣過程 (b) 封閉過程

隨著轉(zhuǎn)子的運動,，齒的一端逐漸脫離嚙合而形成了齒間容積，這個齒間容積的擴大在其內(nèi)部形成了一定的真空,，而此時該齒間容積僅僅與吸氣口連通,，因此氣體便在壓差作用下流入其中。在隨后的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中,，陽轉(zhuǎn)子的齒不斷地從陰轉(zhuǎn)子的齒槽中脫離出來,，此時齒間容積也不斷地擴大，并與吸氣口保持連通,。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)齒間容積達到了最大值,，并在此位置齒間容積與吸氣口斷開，吸氣過程結(jié)束,。

吸氣過程結(jié)束的同時陰陽轉(zhuǎn)子的齒峰與機殼密封,，齒槽內(nèi)的氣體被轉(zhuǎn)子齒和機殼包圍在一個封閉的空間中，即封閉過程,。

壓縮過程

隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),，齒間容積由于轉(zhuǎn)子齒的嚙合而不斷減少，被密封在齒間容積中的氣體所占據(jù)的體積也隨之減少,，導(dǎo)致氣體壓力升高,，從而實現(xiàn)氣體的壓縮過程。壓縮過程可一直持續(xù)到齒間容積即將與排氣口連通之前,。

排氣過程

齒間容積與排氣口連通后即開始排氣過程,，隨著齒間容積的不斷縮小，具有內(nèi)壓縮終了壓力的氣體逐漸通過排氣口被排出,，這一過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合為止,，此時齒間容積內(nèi)的氣體通過排氣口被完全排出，封閉的齒間容積的體積將變?yōu)榱恪?/span>

從上述工作原理可以看出,，螺桿壓縮機是通過一對轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動來改變工作容積,，使氣體體積縮小、密度增加,，從而提高氣體的壓力,。

主要缺點：不能用于超高壓場合，由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等方面的限制,，螺桿機只適用于低,、中、高壓范圍,，排氣壓力一般不超過10MPa,，超高壓還是由往復(fù)機占主導(dǎo)地位。

螺桿壓縮機性能分析

螺桿壓縮機分類

開啟式螺桿壓縮機

半封閉螺桿壓縮機

全封閉螺桿壓縮機

單螺桿壓縮機

開啟與封閉電機

	開啟式電機	封閉式電機
1	靠空氣冷卻電機	靠制冷劑冷卻電機
2	電機與壓縮機通過齒輪連接	電機與壓縮機直聯(lián)
3	軸承為滑動軸承	軸承為滾動軸承
4	外置油冷卻器,、油泵	不需要

吸氣和排氣冷卻電機的區(qū)別

(冷水機組制冷量 與吸排氣口壓降的關(guān)系 (蒸發(fā)溫度：42F)

(數(shù)據(jù)來源： “HVAC Systems andComponents Handbook”)

吸,、排氣壓降	制冷量 (%)
無壓降	100
吸氣2F壓降	95.7
排氣2F壓降	97.4
吸氣4F壓降	92.2
排氣4F壓降	96.8

油分效果

	開啟式	半封閉式	全封閉式
位置	外置	內(nèi)置	內(nèi)置
效果	較差	差(一次碰撞)	較好(兩次碰撞)

以下視頻為半封閉螺桿壓縮機回油過程

螺桿布置方式

滑閥裝置

不同型式壓縮機滑閥裝置特點對比

	開啟/半封閉螺桿	單螺桿	立式全封閉螺桿
滑閥數(shù)量	1	2	1
磨損程度	容易磨損	容易磨損	不容易磨損

軸封結(jié)構(gòu)

不同型式螺桿壓縮機軸封對比

	開啟式螺桿	半封閉/單螺桿	立式全封閉螺桿
結(jié)構(gòu)	最復(fù)雜	較復(fù)雜	簡單
泄漏 情況	防止泄漏,，但無法避免，維護成本高	防止泄漏,，一旦“泄露”電機燒毀	部分泄漏

軸承潤滑方式

不同型式螺桿壓縮機軸承潤滑方式對比

	開啟式螺桿	半封閉/單螺桿	立式全封閉螺桿
方式	油泵強制冷卻	壓差供油	下部軸承整體浸泡在油槽內(nèi),，上部軸承采用壓差供油。
效果	有效潤滑軸承,，但機組機構(gòu)復(fù)雜,、初投資和運行成本增加，泄漏問題無法避免,。	對系統(tǒng)壓差要求較高,，無保護功能，一旦壓差無法建立,，機器必須停機,。	對系統(tǒng)壓差要求較低，有緊急情況下,，軸承潤滑保護功能,，避免軸承缺油潤滑，有利于過渡季節(jié)機組的開啟,。

螺桿壓縮機主要特點

螺桿式制冷壓縮機作為回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機的一種,，同時具有活塞式和動力式（速度式）兩者的特點。

1,、與往復(fù)活塞式制冷壓縮機相比,，螺桿式制冷壓縮機具有轉(zhuǎn)速高，重量輕,，體積小,，占地面積小以及排氣脈動低等一系列優(yōu)點。

2,、螺桿式制冷壓縮機沒有往復(fù)質(zhì)量慣性力,，動力平衡性能好，運轉(zhuǎn)平穩(wěn),，機座振動小,，基礎(chǔ)可作得較小。

3,、螺桿式制冷壓縮機結(jié)構(gòu)簡單,，機件數(shù)量少，沒有像氣閥,、活塞環(huán)等易損件，它的主要摩擦件如轉(zhuǎn)子,、軸承等,，強度和耐磨程度都比較高,，而且潤滑條件良好，因而機加工量少,，材料消耗低,，運行周期長，使用比較可靠,，維修簡單,，有利于實現(xiàn)操縱自動化。

4,、與速度式壓縮機相比,，螺桿式壓縮機具有強制輸氣的特點，即排氣量幾乎不受排氣壓力的影響,，在小排氣量時不發(fā)生喘振現(xiàn)象,，在寬廣的工況范圍內(nèi)，仍可保持較高的效率,。

5,、采用了滑閥調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)能量無級調(diào)節(jié),。

6,、螺桿壓縮機對進液不敏感，可以采用噴油冷卻,，故在相同的壓力比下,，排溫比活塞式低得多，因此單級壓力比高,。

7,、沒有余隙容積，因而容積效率高,。

水冷螺桿式機組對比分析

各主流品牌水冷螺桿機組產(chǎn)品冷量范圍比較

以上數(shù)據(jù)出自某品牌廠商的2010年對比資料,，具有一定的傾向性，僅供參考,。

各品牌風(fēng)冷螺桿機組對比

以上數(shù)據(jù)出自某品牌廠商的2010年對比資料,，具有一定的傾向性，僅供參考,。

單螺桿與雙螺桿的對比分析

單螺桿壓縮機的結(jié)構(gòu)特點及與雙螺桿壓縮機的比較

單螺桿壓縮機由一個圓柱螺桿和兩個對稱布置的平面星輪組成嚙合副,，裝在機殼內(nèi)。螺桿螺槽,、機殼(氣缸)內(nèi)壁和星輪齒構(gòu)成封閉容積,。動力傳到螺桿軸上，由螺桿帶動星輪旋轉(zhuǎn),。氣體(工質(zhì))由吸氣腔進入螺槽內(nèi),，經(jīng)壓縮后通過排氣孔口和排氣腔排出,。星輪的作用相當(dāng)于往復(fù)活塞壓縮機的活塞，當(dāng)星輪齒在螺槽內(nèi)相對運動時,，封閉容積逐漸減小,，氣體受到壓縮。

單螺桿壓縮機的螺桿具有6個螺槽,，星輪有11個齒,，相當(dāng)于6個氣缸，兩個星輪同時與螺槽嚙合,，因此,，螺桿每旋轉(zhuǎn)一周相當(dāng)于12個氣缸在工作。

眾所周知,，螺桿壓縮機(包括雙螺桿和單螺桿兩種)在回轉(zhuǎn)壓縮機中所占比重最大,。從國際市場來看，1963年到1983年這20年間,，全世界螺桿壓縮機銷售量每年增長率為30%,。目前，日本,、歐美等國在中等氣量的壓縮機中,，雙螺桿壓縮機占80%。作為同樣工作范圍內(nèi)的單螺桿壓縮機和雙螺桿壓縮機,，相比較而言,，雙螺桿以其加工工藝性好、可靠性高等特點,，在整個螺桿機市場上占到80%以上的份額,，單螺桿壓縮機僅占不到20%。以下對兩種壓縮機作一簡要比較,。

1. 結(jié)構(gòu)

單螺桿壓縮機的螺桿與星輪屬于一對球面蝸桿副,，螺桿軸和星輪軸必須保持空間垂直；雙螺桿壓縮機的陰,、陽轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一對齒輪副,，陰、陽轉(zhuǎn)子軸保持平行位置,。從結(jié)構(gòu)上而言,，單螺桿壓縮機螺桿與星輪之間的配合精度難以保證，故整機運行可靠性較雙螺桿為低,。

2. 驅(qū)動方式

兩種壓縮機均可與電機直聯(lián)或通過皮帶輪傳動,，當(dāng)雙螺桿壓縮機轉(zhuǎn)速較高時，需要加增速齒輪。

3. 冷量調(diào)節(jié)方法

兩種壓縮機的氣量調(diào)節(jié)方法基本相同,，均可以采用滑閥連續(xù)調(diào)節(jié)或柱塞有級調(diào)節(jié),。當(dāng)采用滑閥調(diào)節(jié)時，雙螺桿壓縮機需要一個滑閥,，而單螺桿壓縮機則同時需要兩個滑閥，故結(jié)構(gòu)上變得復(fù)雜,，可靠性亦下降,。

4.制造成本方面

單螺桿壓縮機：螺桿和星輪軸承可選用普通軸承，制造成本較低,。

雙螺桿壓縮機：由于兩螺桿轉(zhuǎn)子負荷比較大,，要求選用精度較高的軸承，制造成本較高,。

5.可靠性

單螺桿壓縮機：單螺桿壓縮機的星輪是易損部件,，除對星輪材料有較高要求外，星輪還需定期更換,。

雙螺桿壓縮機：雙螺桿壓縮機中沒有易損件,，無故障運行時間可達4～8萬小時。

6. 裝配及維修

由于單螺桿壓縮機螺桿軸和星輪軸必須保持空間垂直,，其軸向和徑向位置精度要求很高,，故相對雙螺桿壓縮機其裝配和維修方便性降低。

單螺桿壓縮機存在的問題

目前國內(nèi)外雙螺桿壓縮機所占市場份額遠大于單螺桿壓縮機,，這是因為生產(chǎn)雙螺桿壓縮機的技術(shù)條件已相當(dāng)成熟,，而單螺桿壓縮機由于結(jié)構(gòu)上的特點導(dǎo)致其加工工藝性、性能及可靠性下降,?？偨Y(jié)國內(nèi)外研究、開發(fā)情況和有關(guān)技術(shù)資料,，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前單螺桿壓縮機存在的關(guān)鍵問題主要有以下幾個方面,。

1 嚙合副型線的設(shè)計及其制造工藝

螺桿、星輪嚙合副是單螺桿壓縮機的心臟,，其型線設(shè)計及加工工藝性的好壞直接關(guān)系到整機的性能和可靠性,。與雙螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子型線相比，螺桿,、星輪型線較復(fù)雜,，而且加工工藝性較差，生產(chǎn)效率低,。這樣螺桿與星輪之間的配合精度難以保證,，壓縮機的壽命和可靠性下降。

2.泄漏

單螺桿壓縮機采用間隙密封，由于螺桿,、星輪嚙合副的幾何形狀復(fù)雜,，其形成的配合間隙較多，因而氣體泄漏通道多,，根據(jù)文獻介紹,，單螺桿壓縮機共有9條泄漏通道，故有可能造成運行中制冷工質(zhì)的外泄漏增加,，容積效率降低,，制冷系統(tǒng)的制冷量不足等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.星輪磨損

星輪的快速磨損是單螺桿壓縮機失效的最主要形式,。壓縮機運行中,，由于嚙合副機加工精度、裝配精度及轉(zhuǎn)子的熱彈性變形等造成的傳動誤差,，使星輪在螺槽內(nèi)發(fā)生顫振,，星輪齒頻繁與螺槽發(fā)生碰撞，破壞了嚙合副間的潤滑油膜,，嚴重時造成星輪齒的過度磨損,，甚至輪齒折斷，從而引起制冷劑的泄漏,，降低了制冷系統(tǒng)的效率和可靠性,。

綜上所述，在目前掌握的單螺桿壓縮機技術(shù)水平下,，其還存在著諸如嚙合精度不易保證,、裝配性較差、泄漏間隙難以控制,、星輪齒快速磨損等缺點,，故與目前制造技術(shù)發(fā)展良好的雙螺桿壓縮機相比較，還缺少強有力的市場競爭實力,。