分析單螺桿壓縮機幾何參數對壓縮機性能的影響

車向前

（四川天一科技股份有限公司，四川雙流 610225）

分析單螺桿壓縮機幾何參數對壓縮機性能的影響

車向前

（四川天一科技股份有限公司，四川雙流 610225）

單螺桿壓縮機是由一對星輪和一個螺桿組成的螺桿式壓縮機，其工作性能在很大程度上受星輪與螺桿幾何參數的影響。因此主要分析了單螺桿壓縮機幾何參數及壓縮機性能的影響。

單螺桿壓縮機；幾何參數；附加能量損失

在制冷、石化及空氣壓縮中，單螺桿壓縮機的應用非常廣泛及其作用是在啟動三相異步電動機時降低電壓、減少電流。與雙螺桿壓縮機相比，單螺桿壓縮機的優點包括可靠性高、使用壽命長、效率高、噪聲低、振動小及現場維保方便等。在單螺桿壓縮機中，帶齒且對稱分布的星輪與帶齒槽的螺桿組成嚙合副后，與機殼組成基元容積，并在電機驅動下，螺桿轉子帶動星輪旋轉，從而完成壓縮機的吸、壓和排氣過程。從這一原理來看，嚙合副的幾何參數會影響到壓縮機的性能。圖1所示為單螺桿壓縮機嚙合副的幾何參數。

圖1 齒合副的幾何參數注：A中心距；b星輪齒寬；d1螺桿直徑；d2星輪直徑；β進氣角；γ齒寬半角

文獻指出，唯有在螺桿螺槽數是偶數及螺桿螺槽數與星輪齒數互為質數時，才能保持星輪與螺桿均衡、交替齒合的工作狀態。據此，螺桿螺槽z1取6，星輪齒數z2取11。下面，筆者主要從排氣量、排氣孔口及附加能量損失等角度出發，淺析單螺桿壓縮機幾何參數對壓縮機性能的影響。

1 幾何參數對排氣量的影響

通常而言，可用下列方程式來描述單螺桿壓縮機的實際排氣量：

其中，ε為容積效率；n為螺桿轉速；Vth為星輪齒在封閉螺槽時基元容積的最大值。β設在螺桿進氣側，目的是保證螺桿齒槽充分進氣。星輪轉角轉至αin時，星輪齒、螺桿齒槽及機殼會組成基元容積。通常在計算基元容積時，應按下列要求劃分齒槽容積：星輪齒前側轉至d點時，基元容積、星輪轉角分別記為V1、αmid，而當星輪齒后側轉至V2點時，基元容積、星輪轉角分別記為V2、αout。那么，壓縮機的基元容積可用下列方程式來描述：

計算結果表明，星輪螺桿直徑比的改變與排氣量的改變存在線性關系，即前者從1.0增至1.1時，排氣量隨即增大25.8%。同時，排氣量的改變與中心距系數存在拋物線關系，即中心距系數為0.75~0.8時，壓縮機具有更大的排氣量，究其原因是中心距變化會改變齒寬，因此在兩者的相互制約下，排氣量將會出現極大值。

2 幾何參數對排氣過程的影響

單螺桿壓縮機采用的是強制排氣過程，其中在基元容積中，氣體達到預定內壓縮的條件是排氣孔的形狀和設置位置。對于強制排氣，其作用原理如下：螺槽齒前側螺旋線在連通排氣孔口時，基元容積開始排氣，并在排氣過程到達齒前側時，螺旋線脫離螺槽，前后分別將星羅轉角記為αp、αmid。將星輪轉角α視作特征角度，則可用下列方程組來描述排氣孔口的螺旋線：

研究發現，從排氣孔口中流過時，高壓氣體會出現流動阻力損失。鑒于此，要求盡量增大排氣孔口的面積，具體利用排氣端線積分及螺旋線方程式來算得，此時便可算得流動阻力損失。根據上述方程式的計算結果可知，星輪螺桿直徑比的改變僅會對排氣孔口的面積或排氣孔口的存在時長產生影響，同時中心距系數的改變會對排氣的開始時間產生影響，即排氣的開始時間在中心距不斷增大的過程中漸漸延遲，同時排氣孔口的面積呈現出減小的趨勢。另外，從星輪螺桿直徑比與排氣孔口面積的變化規律來看，兩者存在線性關系，即在星輪直徑增大的過程中不斷增大。

3 附加能量損失

在設計好單螺桿壓縮機以后，若排氣量未按工況要求改變時，通過對螺桿星輪直徑比進行調整，直接可改變排氣量。但其中卻存在下列附加問題：原機殼上早已確定了排氣孔口位置，若僅對螺桿星輪直徑做出調整而不更改排氣孔口，則會減小排氣孔口的工作面積，并引起附加能量損失，甚至出現氣體無法排盡的現象。研究發現，從排氣孔口經過時，氣體流速的二次方與阻力損失呈正相關，則僅需算得氣體流速，便可確定附加能量損失。通常而言，可用下列方程式來描述氣體流通面積的倒數與流速的正相關關系：

在變形設計中，中心距建議保持不變，以免大幅度改動機殼。據此，若保持機殼的排氣孔口不變，則附加能量損失與星輪螺旋桿的直徑比呈正相關，即同步增長，而若增大排氣孔口，阻力損失將會下降，見圖2。

圖2 附加能量損失圖示

4 結束語

無論從結構或整機性能上，單螺桿壓縮機都具有雙螺桿壓縮機所不及的優勢，且其性能系數COP比雙螺桿高出5%~7%，表明單螺桿可節能5%~7%。可見，單螺桿壓縮機目前的應用前景廣闊，但為了滿足未來市場的應用需要，深入研究單螺桿壓縮機的性能變得尤其重要。據此，本案分別從排氣量、排氣孔口及附加能量損失三方面淺析了單螺桿壓縮機幾何參數對壓縮機性能的影響，研究結論如下：一是排氣量與星輪螺桿直徑比呈正相關，而在中心距系數增大的情況下，排氣量呈現出“先增后減”的趨勢；二是星輪螺桿直徑比的改變僅會對排氣孔口的面積或排氣孔口的存在時長產生影響，同時中心距系數的改變會對排氣的開始時間產生影響，即排氣的開始時間在中心距不斷增大的過程中漸漸延遲，同時排氣孔口的面積呈現出減小的趨勢；三是當排氣量的增量＜25%時，可在不改變機殼的條件下，通過更改星輪螺桿的直徑比進行壓縮機改型，但在設計中，為了減少流動阻力損失及改善壓縮機的工作效率，應盡量在不改變機殼的同時，增大排氣孔口。

[1] 師鐸，張兆華.雙螺桿壓縮機與單螺桿壓縮機性能比較[J].輕工科技，2016，（12）：41-42+45.

[2] 沈麗麗，王偉，吳玉庭.單螺桿壓縮機泄漏模型研究綜述[J].低溫與超導，2015，（12）：59-66.

[3] 陳清，沈鵬飛.可變內容積比的變頻單螺桿壓縮機性能試驗研究[J].制冷技術，2015，（5）：66-69+75.

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

車向前（1987—），男，四川成都人，助理工程師，主要研究方向為化工工藝。