一文讲透螺杆压缩机！

发布于：2024-12-04 11:06:04 来自：暖通空调/制冷技术

作者：HETA

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螺杆压缩机凭借其结构紧凑、效率高、运行平稳等优点，在工业领域得到广泛应用。本文将从工作原理入手，系统梳理螺杆压缩机的分类、结构、辅助设备和性能参数等技术特点，总结其常见问题的成因和解决对策，以期为相关领域的研究人员和工程师提供参考，促进螺杆压缩机的应用拓展和技术升级。

1、工作原理

螺杆压缩机的核心部件是一对啮合的螺杆转子，通过转子的连续旋转实现对气体的吸入、压缩和排出。如图1所示，工作过程可分为以下几个阶段[4]：
（1）吸气：转子旋转使进气腔容积不断增大，外界气体在压差作用下被吸入压缩机内。
（2）封闭：随着转子继续旋转，吸气口被封堵，气体被封闭在转子齿间的压缩腔内。
（3）压缩：压缩腔容积随转子旋转不断缩小，气体被压缩，压力和温度升高。
（4）排气：当压缩腔与排气口连通时，高压气体被排出，完成一个工作循环。

螺杆压缩机的压缩过程是连续进行的，理论上可实现脉动很小的恒流输出。但实际上，由于转子加工误差、泄漏等因素的影响，气体交付存在一定的波动[5]。为了提高压缩效率，现代螺杆压缩机大多采用滑阀等容积调节装置，通过改变有效压缩容积来适应不同工况下的用气需求，避免过压缩或欠压缩损失[6]。

2、分类

2.1按螺杆数量分类

根据螺杆转子的数量，可将螺杆压缩机分为单螺杆式和双螺杆式两大类。
（1）单螺杆式
单螺杆压缩机只有一根主螺杆，主螺杆与机壳内的啮合齿轮啮合，靠主螺杆单向旋转实现吸排气[7]。其结构简单，制造成本低，但容积效率和压缩比较低，应用范围有限。
（2）双螺杆式
双螺杆压缩机有一对相互啮合的螺杆转子，分为主动螺杆和从动螺杆。两螺杆同步反向旋转，在彼此的齿间形成一系列封闭的压缩腔[8]。双螺杆压缩机结构紧凑，容积效率高，是目前应用最广泛的一种。

2.2按压缩介质分类

根据压缩介质的物理性质，螺杆压缩机可分为干式和油浸式两类。
（1）干式
干式螺杆压缩机不向气体中注入液体，气体直接与转子接触。这种压缩机结构简洁，气体纯度高，但容积效率较低，排气温度较高，多用于无油空气压缩等场合[9]。
（2）油浸式
油浸式螺杆压缩机在压缩过程中向气体中注入润滑油，利用油膜的密封和冷却作用，提高容积效率，降低排气温度[10]。油浸式压缩机结构复杂，需设置油气分离和油冷却等辅助设备，但性能优越，是大型工业压缩机的主流形式。

3、结构特点

3.1转子

螺杆转子是压缩机的核心部件，其型线设计和加工精度直接决定了压缩机的性能。转子型线主要包括渐开线型、圆弧型、非对称型等[11]。其中，渐开线型因加工简单、密封性好而应用最广；非对称型则通过优化吸排气口面积，在提高容积效率的同时降低了泄漏。
除型线外，转子的长径比、齿数比、导程数等参数也需根据工况和性能要求进行优化设计。一般而言，长径比越大，容积效率越高，但长度受限于临界转速和加工工艺；齿数比和导程数的匹配关系到啮合的平稳性和均载性[12]。此外，转子材料应具有足够的强度、硬度和耐磨性，常用的有球墨铸铁、调质钢等。

3.2轴承

螺杆压缩机转子通过轴承支撑在主机壳体上，轴承的性能对压缩机的可靠性和使用寿命有决定性影响。常用的轴承类型有滚动轴承和滑动轴承两种[13]。
滚动轴承具有启动转矩小、噪音低的特点，但其径向尺寸大，限制了压缩机的功率密度提升。而滑动轴承结构紧凑，承载能力强，已成为大型螺杆压缩机的主流选择。但滑动轴承对油膜的厚度和温度较为敏感，需匹配可靠的润滑和冷却系统[14]。

3.3密封

为减少气体泄漏，螺杆压缩机在转子端面和齿顶设置了多种密封结构。常见的端面密封形式有迷宫密封、接触密封等，主要靠间隙或接触面的迷宫效应和摩擦作用阻止泄漏[15]。对于齿顶密封，润滑油既起到了密封作用，又能冷却转子，是油浸式螺杆压缩机的关键技术之一。
随着压缩机向高压、高速方向发展，干气密封、浮环密封等新型密封技术不断涌现，进一步提高了密封的可靠性和使用寿命[16]。在特殊场合下，还可采用磁流体密封等非接触式密封，实现零泄漏。

4、辅助设备

4.1进气调节

螺杆压缩机为适应变工况运行，需配备进气调节装置。常用的调节方式有滑阀调节和转子调节两种[17]。滑阀调节通过改变吸气口开启面积来控制吸入容积；转子调节则采用可动转子，通过调整转子轴向位置来改变压缩容积。与滑阀相比，转子调节机构复杂，但调节范围更大，可实现无级调节。

4.2油气分离

油浸式螺杆压缩机需设置油气分离装置，将压缩后的气体与润滑油分离，确保气体的纯度。常见的油气分离装置有惯性分离器、聚结分离器和过滤分离器等[18]。
惯性分离器利用气液两相的密度差，通过旋流作用实现分离，结构简单但分离效率有限；聚结分离器内填充了纤维粗滤芯，以捕集油雾颗粒，分离效果好但阻力较大；过滤分离器采用精细滤材，对亚微米级油雾有较高的捕集率，但需定期更换滤芯。实际应用时，常采用多级分离联用的方式，兼顾分离效率和压力损失。

4.3冷却控制

螺杆压缩机的可靠运行离不开有效的冷却控制。压缩机的冷却通常采用风冷或水冷的方式，分别利用空气或冷却水带走压缩热[19]。风冷系统结构简单，便于维护，但散热效果差，多用于小型压缩机；水冷系统传热系数高，控温精度好，但需设置冷却塔、水泵等辅助设施，适用于大型压缩机。
先进的螺杆压缩机越来越多地采用闭路控制系统，通过温度、压力、流量等传感器实时监测冷却状态，并根据反馈信号自动调节冷却功率[20]。智能化的冷却控制不仅能节省能耗，还能延长压缩机的使用寿命。

5、主要性能参数

5.1容积流量

容积流量是指压缩机在单位时间内的吸气量，是衡量压缩机输送能力的重要参数。螺杆压缩机的容积流量主要取决于转子尺寸、转速和压缩比。在已知工况下，可用下式估算容积流量[21]：
Q=60nVη_v
式中：Q为容积流量（m3/min）；n为转速（r/min）；V为单个转子压缩容积（m3）；η_v为容积效率。
容积流量的大小直接影响压缩机的功率和尺寸。在功率一定时，提高容积流量意味着压缩机可以做得更小型化。但流量提升受限于材料强度和密封可靠性，需在设计时统筹兼顾。

5.2压缩比

压缩比是指排气压力与吸气压力之比，反映了压缩机的增压能力。螺杆压缩机的压缩比一般在3～13之间，大功率压缩机可达到20以上[22]。压缩比主要取决于转子型线和压缩腔数，长径比大、压缩腔多的转子能实现更高的压缩比。
压缩比的选择需兼顾效率和可靠性。压缩比越高，单位功耗气量越大，但压缩机的泄漏损失和排气温度也会增加。因此，并非压缩比越高越好，而是存在一个最佳工况压缩比[23]。在设计时，应根据用气需求和能耗要求，优化压缩比参数。

5.3比功率

比功率是指压缩机单位质量流量所消耗的功率，是衡量压缩机能效水平的关键指标。它的计算公式为[24]：
w=W/(qρ)
式中：w为比功率（kJ/kg）；W为轴功率（kW）；q为质量流量（kg/s）；ρ为吸气密度（kg/m3）。
比功率的高低取决于压缩机的总效率，受容积效率、增压效率、传动效率等因素的综合影响。通过优化转子型线和泄漏间隙可显著提高容积效率；采用柔性叶片可改善增压效率；而齿轮箱或同步齿轮传动则有助于提升传动效率[25]。先进的螺杆压缩机其比功率可降至5kJ/kg以下，远低于其他类型压缩机。

6、常见问题及对策

6.1转子磨损

螺杆转子长期工作在高速、重载的环境下，齿面磨损是一个普遍问题。引起磨损的原因既有设计制造因素，也有使用工况因素[26]。前者如齿面硬度不足、型线不当等，可通过优化设计和改进工艺来解决；后者如油品污染、颗粒侵入等，则需从使用环节入手预防。
对于已出现的磨损，若程度较轻，可通过修复齿面来延长使用寿命，如堆焊、喷涂等；若磨损严重，则只能更换转子。定期检查磨损情况，及时维护和修复，是减少损失、保障安全的有效措施。

6.2轴承失效

轴承失效是导致螺杆压缩机非计划停机的主要原因之一。轴承失效的典型模式有磨损、剥落、咬合等，与润滑不良、污染侵入、装配不当等因素有关[27]。预防轴承失效的对策包括：
（1）选用优质的轴承，提高装配精度，避免偏斜和窜动；
（2）改善润滑条件，定期检测油品质量，及时更换滤芯；
（3）设置可靠的密封，防止污染物进入轴承腔；
（4）加强在线监测，通过振动、温度等信号及早发现问题。
一旦出现轴承损伤，应及时更换轴承，必要时需检修转子和轴承座。同时总结失效原因，完善相应的预防措施。

6.3振动异响

除了低频的脉动噪声外，螺杆压缩机还可能出现高频的振动异响，常见的有轴向振动、径向碰摩等。轴向振动多由推力轴承游隙过大引起，可通过调整轴承定位来消除；径向碰摩则可能是转子失衡、轴承磨损等导致的，需查明原因进行针对性处理[28]。
螺杆压缩机振动的特点是方向性明显，频率与转速有倍频关系。利用加速度传感器和频谱分析仪，可准确定位振动源，为故障诊断提供依据。在排除振动时，应注意松动连接、轴系对中等细节，必要时可在基础上设减振装置。

6.4容积效率低

容积效率是螺杆压缩机的核心性能指标，如果出现明显下降，往往意味着泄漏加剧、能耗增加。容积效率降低的原因较多，如转子磨损、轴向窜动、油温过高等，需逐一排查和解决[29]。
一般而言，可通过检查泄漏点、测量气量、分析油品等手段，判断引起效率降低的主因。对于因转子磨损导致的泄漏，可修复或更换转子；对于因热膨胀引起的间隙增大，可优化冷却系统和运行工况；而对于因油品劣化造成的密封失效，则需及时更换润滑油。从设计角度看，采用非对称转子型线、高精度轴承、端面接触密封等新技术，也是提高容积效率的有效途径[30]。

参考文献：
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压缩机

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只看楼主我来说两句 抢板凳

tumux_84025 沙发

螺杆压缩机是一种广泛应用于工业领域的压缩机，它通过螺杆的旋转来压缩气体，具有效率高、可靠性好、维护方便等优点。下面我将从几个方面来介绍螺杆压缩机。一、工作原理螺杆压缩机的工作原理是基于螺杆的旋转运动。螺杆的形状类似于螺旋桨，它们在机体内相互啮合，形成一系列的密封腔。当螺杆旋转时，密封腔的容积逐渐减小，从而将气体压缩。二、结构组成螺杆压缩机主要由以下几个部分组成：1. 螺杆：螺杆是压缩机的核心部件，它的形状和尺寸决定了压缩机的性能。2. 机壳：机壳是压缩机的外壳，它的作用是保护内部部件并提供气体流动的通道。3. 进气口和出气口：进气口和出气口分别用于引入和排出气体。4. 轴承：轴承用于支撑螺杆的旋转，保证其运转的平稳性。5. 润滑系统：润滑系统用于为螺杆和轴承提供润滑，减少磨损和热量产生。6. 控制系统：控制系统用于监测和控制压缩机的运行参数，确保其安全稳定运行。三、特点和优势螺杆压缩机具有以下特点和优势：1. 高效能：螺杆压缩机的效率较高，能够在较低的能耗下产生较高的压缩比。2. 可靠性好：螺杆压缩机的结构相对简单，运行可靠，维护方便。3. 适应性强：螺杆压缩机可以适应各种不同的工作条件和气体介质。4. 噪音低：螺杆压缩机的运行噪音较低，适用于对噪音要求较高的场合。5. 可调节性：螺杆压缩机的输出气量可以通过调节螺杆的转速或进出口阀门来实现，具有较好的可调节性。四、应用领域螺杆压缩机广泛应用于以下领域：1. 工业生产：如化工、石油、天然气、电力等行业，用于压缩各种气体。2. 空气动力：用于驱动风动工具、气动机械等。3. 制冷和空调：用于压缩制冷剂，实现制冷和空调系统的循环。4. 交通运输：用于压缩天然气作为汽车燃料。五、设计和施工要点在设计和施工螺杆压缩机时，需要考虑以下要点：1. 选型：根据实际需求和工作条件，选择合适型号和规格的螺杆压缩机。2. 管道设计：确保压缩机的进出口管道设计合理，减少阻力和压降。3. 冷却系统：设计合适的冷却系统，保证压缩机的正常运行温度。4. 安装和调试：按照规范要求进行安装和调试，确保压缩机的运行性能和安全性。5. 维护和保养：定期进行维护和保养，及时更换易损件，保证压缩机的长期稳定运行。总之，螺杆压缩机是一种重要的工业设备，在设计和施工过程中需要充分考虑其工作原理、结构组成、特点和优势以及应用领域等方面的因素，确保其安全、稳定、高效地运行。同时，还需要遵守中国现行的相关规范和标准，以保证工程的质量和合法性。

2024-12-04 11:10:04
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