分析单螺杆压缩机几何参数对压缩机性能的影响

车向前

（四川天一科技股份有限公司，四川双流 610225）

分析单螺杆压缩机几何参数对压缩机性能的影响

车向前

（四川天一科技股份有限公司，四川双流 610225）

单螺杆压缩机是由一对星轮和一个螺杆组成的螺杆式压缩机，其工作性能在很大程度上受星轮与螺杆几何参数的影响。因此主要分析了单螺杆压缩机几何参数及压缩机性能的影响。

单螺杆压缩机；几何参数；附加能量损失

在制冷、石化及空气压缩中，单螺杆压缩机的应用非常广泛及其作用是在启动三相异步电动机时降低电压、减少电流。与双螺杆压缩机相比，单螺杆压缩机的优点包括可靠性高、使用寿命长、效率高、噪声低、振动小及现场维保方便等。在单螺杆压缩机中，带齿且对称分布的星轮与带齿槽的螺杆组成啮合副后，与机壳组成基元容积，并在电机驱动下，螺杆转子带动星轮旋转，从而完成压缩机的吸、压和排气过程。从这一原理来看，啮合副的几何参数会影响到压缩机的性能。图1所示为单螺杆压缩机啮合副的几何参数。

图1 齿合副的几何参数注：A中心距；b星轮齿宽；d1螺杆直径；d2星轮直径；β进气角；γ齿宽半角

文献指出，唯有在螺杆螺槽数是偶数及螺杆螺槽数与星轮齿数互为质数时，才能保持星轮与螺杆均衡、交替齿合的工作状态。据此，螺杆螺槽z1取6，星轮齿数z2取11。下面，笔者主要从排气量、排气孔口及附加能量损失等角度出发，浅析单螺杆压缩机几何参数对压缩机性能的影响。

1 几何参数对排气量的影响

通常而言，可用下列方程式来描述单螺杆压缩机的实际排气量：

其中，ε为容积效率；n为螺杆转速；Vth为星轮齿在封闭螺槽时基元容积的最大值。β设在螺杆进气侧，目的是保证螺杆齿槽充分进气。星轮转角转至αin时，星轮齿、螺杆齿槽及机壳会组成基元容积。通常在计算基元容积时，应按下列要求划分齿槽容积：星轮齿前侧转至d点时，基元容积、星轮转角分别记为V1、αmid，而当星轮齿后侧转至V2点时，基元容积、星轮转角分别记为V2、αout。那么，压缩机的基元容积可用下列方程式来描述：

计算结果表明，星轮螺杆直径比的改变与排气量的改变存在线性关系，即前者从1.0增至1.1时，排气量随即增大25.8%。同时，排气量的改变与中心距系数存在抛物线关系，即中心距系数为0.75~0.8时，压缩机具有更大的排气量，究其原因是中心距变化会改变齿宽，因此在两者的相互制约下，排气量将会出现极大值。

2 几何参数对排气过程的影响

单螺杆压缩机采用的是强制排气过程，其中在基元容积中，气体达到预定内压缩的条件是排气孔的形状和设置位置。对于强制排气，其作用原理如下：螺槽齿前侧螺旋线在连通排气孔口时，基元容积开始排气，并在排气过程到达齿前侧时，螺旋线脱离螺槽，前后分别将星罗转角记为αp、αmid。将星轮转角α视作特征角度，则可用下列方程组来描述排气孔口的螺旋线：

研究发现，从排气孔口中流过时，高压气体会出现流动阻力损失。鉴于此，要求尽量增大排气孔口的面积，具体利用排气端线积分及螺旋线方程式来算得，此时便可算得流动阻力损失。根据上述方程式的计算结果可知，星轮螺杆直径比的改变仅会对排气孔口的面积或排气孔口的存在时长产生影响，同时中心距系数的改变会对排气的开始时间产生影响，即排气的开始时间在中心距不断增大的过程中渐渐延迟，同时排气孔口的面积呈现出减小的趋势。另外，从星轮螺杆直径比与排气孔口面积的变化规律来看，两者存在线性关系，即在星轮直径增大的过程中不断增大。

3 附加能量损失

在设计好单螺杆压缩机以后，若排气量未按工况要求改变时，通过对螺杆星轮直径比进行调整，直接可改变排气量。但其中却存在下列附加问题：原机壳上早已确定了排气孔口位置，若仅对螺杆星轮直径做出调整而不更改排气孔口，则会减小排气孔口的工作面积，并引起附加能量损失，甚至出现气体无法排尽的现象。研究发现，从排气孔口经过时，气体流速的二次方与阻力损失呈正相关，则仅需算得气体流速，便可确定附加能量损失。通常而言，可用下列方程式来描述气体流通面积的倒数与流速的正相关关系：

在变形设计中，中心距建议保持不变，以免大幅度改动机壳。据此，若保持机壳的排气孔口不变，则附加能量损失与星轮螺旋杆的直径比呈正相关，即同步增长，而若增大排气孔口，阻力损失将会下降，见图2。

图2 附加能量损失图示

4 结束语

无论从结构或整机性能上，单螺杆压缩机都具有双螺杆压缩机所不及的优势，且其性能系数COP比双螺杆高出5%~7%，表明单螺杆可节能5%~7%。可见，单螺杆压缩机目前的应用前景广阔，但为了满足未来市场的应用需要，深入研究单螺杆压缩机的性能变得尤其重要。据此，本案分别从排气量、排气孔口及附加能量损失三方面浅析了单螺杆压缩机几何参数对压缩机性能的影响，研究结论如下：一是排气量与星轮螺杆直径比呈正相关，而在中心距系数增大的情况下，排气量呈现出“先增后减”的趋势；二是星轮螺杆直径比的改变仅会对排气孔口的面积或排气孔口的存在时长产生影响，同时中心距系数的改变会对排气的开始时间产生影响，即排气的开始时间在中心距不断增大的过程中渐渐延迟，同时排气孔口的面积呈现出减小的趋势；三是当排气量的增量＜25%时，可在不改变机壳的条件下，通过更改星轮螺杆的直径比进行压缩机改型，但在设计中，为了减少流动阻力损失及改善压缩机的工作效率，应尽量在不改变机壳的同时，增大排气孔口。

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[2] 沈丽丽，王伟，吴玉庭.单螺杆压缩机泄漏模型研究综述[J].低温与超导，2015，（12）：59-66.

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The Influence of Geometric Parameters of Single Screw Compressor on Compressor Performance

Che Xiang-qian

Single screw compressor is composed of a pair of star wheels and a screw screw compressor，its work performance to a large extent by the star wheel and screw geometry parameters.According to this，the author combined with the relevant knowledge，analysis of single screw compressor geometric parameters and compressor performance.

single screw compressor；geometric parameters；additional energy loss

TH45

B

1003–6490（2017）03–0108–02

2017–02–22

车向前（1987—），男，四川成都人，助理工程师，主要研究方向为化工工艺。